第3章 基因、染色體與基因組PPT課件

第一節(jié)“基因”概念*第二節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能第三節(jié)染色體的結(jié)構(gòu)特征*第四節(jié)基因組的結(jié)構(gòu)與特點,第三章基因、染色體與基因組,基因概念的產(chǎn)生經(jīng)典基因概念的建立與發(fā)展現(xiàn)代基因概念的多元化*現(xiàn)代基因概念剖析,第一節(jié)“基因”概念,1857年，奧地利的一名神父孟德爾在他所在的修道院后院開始進行長達8年的豌豆雜交實驗1865年，孟德爾根據(jù)豌豆雜交實驗的結(jié)果，發(fā)表了著名論文植物雜交試驗，首次提出了遺傳因子控制生物性狀假說:一個遺傳因子決定一個性狀,闡述了他所發(fā)現(xiàn)的顯性、隱性遺傳現(xiàn)象和兩個重要遺傳學(xué)規(guī)律分離規(guī)律和自由組合規(guī)律他所指的遺傳因子,即基因概念的萌芽,I.基因概念的產(chǎn)生,1900年是遺傳學(xué)史乃至生物科學(xué)史上劃時代的一年，荷蘭的德弗里斯（HugoDeVries，18481935）、德國的柯靈斯(CarlErichCorrens，18641933）和澳大利亞的契馬克（ErichvonTschermak-Seysenegg，18711962）三人分別在月見草、玉米和豌豆的雜交實驗中證實了孟德爾定律，標志著遺傳學(xué)的誕生，從此，遺傳學(xué)進人了孟德爾時代,“重新發(fā)現(xiàn)”孟德爾,1909年，丹麥遺傳學(xué)家約翰遜（Johannsen）在精密遺傳學(xué)原理一書中根據(jù)希臘語“給予生命”之義，創(chuàng)造“基因”（Gene）一詞來代替孟德爾假定的“遺傳因子”，并提出“基因型”和“表現(xiàn)型”。從此基因便成為遺傳因子的代名詞一直沿用至今不過此時的基因仍然是一個未經(jīng)證實的、僅靠邏輯推理得出的概念，“基因”只是一個抽象的符號,II.經(jīng)典基因概念的建立與發(fā)展（基因與染色體）,經(jīng)典基因概念的建立“一個基因一個酶”假說順反子、突變子和重組子操縱子模型跳躍基因,在孟德爾的成果獲得承認后，生物界都知道是遺傳因子（即基因）決定了生物的遺傳。但是，基因究竟在細胞內(nèi)的什么地方？摩爾根以果蠅為試驗對象回答了這一問題，基因在染色體上,1.經(jīng)典基因概念的建立,基因論里，首次提出“三位一體”的基因概念:基因首先是一個功能單位，能控制蛋白質(zhì)的合成，從而控制生物性狀發(fā)育一個突變單位，在一定條件下，野生型基因能突變成相應(yīng)的突變型基因，從而表現(xiàn)出各種變異類型一個重組單位，兩個不同基因可重組，產(chǎn)生與親本不同的新類型,2.“一個基因一個酶”假說,1941年，Beadle和Tatum等以紅色鏈孢霉為材料，在研究基因的生理生化功能時，提出了“一個基因一個酶”假說，認為生物的性狀可分為許多單位性狀，每個單位性狀均受一種酶影響，而酶決定于基因的表達,生化遺傳及早期分子遺傳研究在兩個重要方面發(fā)展了基因的概念：基因是DNA分子上帶有遺傳信息的特定核苷酸序列區(qū)段，并且在染色體上位置固定、序列連續(xù)；遺傳信息就存在于核苷酸(堿基)序列中“一個基因一個酶”，基因表達為蛋白質(zhì)；基因的核苷酸序列決定蛋白質(zhì)氨基酸序列,3.順反子、突變子和重組子,1955年，Benzer在研究E.coliT4噬菌體rII區(qū)基因的精細結(jié)構(gòu)時，首次提出了順反子、突變子和重組子的概念，對經(jīng)典的基因概念的第一次重要修正與發(fā)展：順反子（cistron）是一個遺傳功能單位，一個順反子決定一條多肽鏈突變子（muton）是能發(fā)生突變的最小單位，可以是一個或幾個核苷酸，其中任一核苷酸的改變都可形成一個突變子重組子（recon）是能夠交換的最小單位，有起點和終點，各個重組子之間均有一定的距離，彼此間能發(fā)生交換,從而提出“一個順反子一條多肽鏈”假說,座位與位點,經(jīng)典遺傳學(xué)認為：基因是染色體上的一個點，稱位點（Site）現(xiàn)代基因概念認為：基因是DNA分子帶有遺傳信息的堿基序列區(qū)段基因是由眾多堿基對構(gòu)成，此時將一個堿基對稱為基因的一個位點（Site）而將基因在染色體上的位置則稱為座位（Locus）,4.操縱子模型,1965年，法國科學(xué)家Jacob和Monod提出了著名的乳糖操縱子模型。他們將乳糖操縱子的基因分為結(jié)構(gòu)基因、調(diào)節(jié)基因、操縱基因和啟動子結(jié)構(gòu)基因直接控制蛋白質(zhì)合成，是決定一條多肽鏈的功能單位操縱基因居結(jié)構(gòu)基因之前，能同阻遏物結(jié)合，可間接控制結(jié)構(gòu)基因的表達啟動子又居操縱基因之前，為RNA聚合酶結(jié)合位點調(diào)節(jié)基因編碼的可擴散性阻遏蛋白，通過與操縱基因結(jié)合來調(diào)控操縱子,5.跳躍基因（轉(zhuǎn)座子）,發(fā)現(xiàn)與概念轉(zhuǎn)座子類型轉(zhuǎn)座作用機制,美國女遺傳學(xué)家麥克林托克于1951年提出了可移動的遺傳基因（即“跳躍基因”或“轉(zhuǎn)座子”）學(xué)說基因可從染色體的一個位置跳躍到另一個位置、甚至從一條染色體跳躍到另一條染色體。為研究遺傳信息的表達與調(diào)控、生物進化與癌變提供了線索。于1983年獲諾貝爾獎,跳躍基因的發(fā)現(xiàn)使人們認識到基因不是穩(wěn)定、靜止不動的實體，而是一段在結(jié)構(gòu)上有明確界限的DNA序列，可通過自身運動調(diào)節(jié)相關(guān)基因活性,A.發(fā)現(xiàn)與概念,概念,DNA的轉(zhuǎn)座：由可移位因子介導(dǎo)的遺傳物質(zhì)重排現(xiàn)象轉(zhuǎn)座子（transposon）：存在與染色體DNA上可自主復(fù)制和位移的基本單位,B.轉(zhuǎn)座子類型,插入序列（InsertionalSequence,IS）IS是最簡單的轉(zhuǎn)座子，不含有任何宿主基因，它們是細菌染色體或質(zhì)粒DNA的正常組成部分復(fù)合轉(zhuǎn)座子（CompositeTransposon）復(fù)合轉(zhuǎn)座子是一類帶有某些抗藥性基因（或其他宿主基因）的轉(zhuǎn)座子，其兩翼往往是兩個相同或高度同源的IS序列,C.轉(zhuǎn)座作用機制,復(fù)制性轉(zhuǎn)座子非復(fù)制性轉(zhuǎn)座子,III.現(xiàn)代“基因”概念的多元化,斷裂基因*重迭基因*重復(fù)基因假基因印記基因基因家族,1.斷裂基因,1977年，Roberts和Sharp在研究腺病毒的mRNA合成時，在其5端首先發(fā)現(xiàn)了斷裂基因的存在，打破了每個結(jié)構(gòu)基因是一段連續(xù)DNA片段的傳統(tǒng)觀念，使人們對基因結(jié)構(gòu)的認識產(chǎn)生了一次新的飛躍，因而他們兩人分享了1993年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎目前已經(jīng)證實，不僅高等真核生物絕大多數(shù)基因都是斷裂基因，而且低等真核生物的線粒體和葉綠體內(nèi)的基因組也存在斷裂基因,定義：指基因的編碼序列在DNA分子上是不連續(xù)排列的，而是被不編碼的序列所隔開編碼的序列稱為外顯子，對應(yīng)于mRNA序列的區(qū)域，是一個基因表達為多肽鏈的部分不編碼的間隔序列稱為內(nèi)含子，內(nèi)含子只轉(zhuǎn)錄，在前mRNA（premRNA）時被剪切掉大多數(shù)真核生物的基因為不連續(xù)基因（Interrupted或DiscontinuousGene）或斷裂基因（SplitGene）,發(fā)現(xiàn)：1973年，Weiner等在研究E.coli的RNA病毒Q時，首次提出了重迭基因的概念定義：它是指兩個或兩個以上的基因共有一段DNA序列，或是指一段DNA序列為兩個或兩個以上基因的組成部分,2.重迭基因,3.重復(fù)基因,它是指在真核生物基因組中具有一份以上拷貝的基因。這些拷貝或在一條染色體上串聯(lián)排列，或分散在多條染色體上，包括寡拷貝和多拷貝基因，前者有人的珠蛋白基因、癌基因，后者包括組蛋白基因、rRNA基因等重復(fù)基因：指在基因組中有多份拷貝的基因，往往是生命活動中最基本、最重要的基因,發(fā)現(xiàn)：1977年，Jacq等在研究非洲爪蟾的5SRNA基因時，首次發(fā)現(xiàn)假基因的存在定義：即與正常功能基因順序基本相同卻不具有控制蛋白質(zhì)合成的功能的基因包括已知功能基因的殘存拷貝、散在分布的長細胞核因子和短細胞核因子真核生物中普遍存在形成原因：基因組中因突變而失活，如堿基對缺失或插入以致不能正常編碼，或這些突變使啟動子出現(xiàn)問題,4.假基因,假基因的結(jié)構(gòu)特點,不同部位有不同程度的缺失或插入缺少正常基因的內(nèi)含子和啟動子5端都有真核生物mRNA分子特有的AATAAA信號，造成轉(zhuǎn)錄啟動區(qū)的缺陷兩側(cè)有順向重復(fù)序列,定義：它是指功能受到雙親基因組的影響而被打上雌雄親本特異性標記的基因。它為哺乳動物的基因組所特有，實質(zhì)上是雙親相應(yīng)基因的甲基化程度不同,5.印記基因,印記基因遍布于整個基因組中有些印記基因聚集成簇，形成染色體印記區(qū)不同印記基因表現(xiàn)出不同的印記效應(yīng)印記基因的內(nèi)含子一般較小，“內(nèi)含子/外顯子”長度之比也較小表達具有組織特異性,印記基因的結(jié)構(gòu)特點,6.基因家族,真核生物的基因組中有很多來源相同、結(jié)構(gòu)相似、功能相關(guān)的基因，將這些基因稱為基因家族如：編碼組蛋白、免疫球蛋白和血紅蛋白的基因都屬于基因家族（GeneFamily）同一家族中的成員有時緊密地排列在一起，成為一個基因簇（GeneCluster）,IV.現(xiàn)代“基因”概念剖析,基因組時代的基因定義蛋白質(zhì)組時代的基因定義,1.基因組時代的基因定義,1990年，“人類基因組計劃”的實施標志著生命科學(xué)步入基因組時代基因組：攜帶生物體全部遺傳信息的核酸量在這個時代，基因的定義主要基于“三種方法”和“五個標準”,三種方法,cDNA克隆和poly（A）mRNA的表達序列標簽（EST）測序比較基因組分析鑒定各種生物的保守編碼區(qū)計算機預(yù)測各種基因的結(jié)構(gòu),五個標準,開放閱讀框：通過基因組中大的開放閱讀框的鑒定來發(fā)現(xiàn)蛋白編碼基因序列特征：密碼偏好和剪接位點等特異序列特征有助于鎖定基因序列保守性：通過不同生物的序列對比來鑒定基因，它是估計基因重要性的一個理想方法轉(zhuǎn)錄實況：RNA或蛋白質(zhì)的表達搜索，是一種非序列基礎(chǔ)的基因鑒定，通過微陣列雜交、基因表達的序列分析、cDNA作圖或EST作圖來完成活性喪失：突變基因使它的產(chǎn)物失去活性也是鑒定基因的一種方法，主要通過基因干擾或RNAi來實現(xiàn),基因的定義:DNA分子中含有特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質(zhì)的最小功能單位。合成有功能的蛋白質(zhì)或RNA所必需的全部DNA序列（除部分病毒RNA）即一個基因不僅包括編碼蛋白質(zhì)或RNA的核苷酸序列，還包括為保證轉(zhuǎn)錄所必需的調(diào)控序列,2.蛋白質(zhì)組時代的基因定義,1994年，澳大利亞分子生物學(xué)家Wilkins和Williams等首次提出了蛋白質(zhì)組的概念，并將其定義為“基因組編碼的全部蛋白質(zhì)”蛋白質(zhì)組概念的提出為在細胞和整體水平上闡明生命現(xiàn)象的本質(zhì)和活動規(guī)律奠定了基礎(chǔ),1994年，Davis等首次提出切除肽（Intein）和顯現(xiàn)肽（Extein）的概念，他認為這些蛋白在翻譯后自動刪除切除肽，連接顯現(xiàn)肽，才形成有功能的蛋白顯現(xiàn)肽的出現(xiàn)使得基因指導(dǎo)合成的蛋白與最終的功能蛋白不一致顯現(xiàn)肽的存在不僅促進蛋白質(zhì)分子的自我剪接（Cis-splicing），而且還能把兩個蛋白質(zhì)分子連接成一個新的蛋白質(zhì)分子（Trans-splicing），這就在蛋白質(zhì)水平上大大增加了基因表達的多樣性,鑒于從基因到蛋白質(zhì)要經(jīng)過各種各樣的修飾和加工，如斷裂基因的RNA剪接、模糊基因RNA編輯等。即使穩(wěn)定的基因類型，DNA模板與其相應(yīng)RNA、蛋白質(zhì)序列之間也往往不盡一致，因為她們都要經(jīng)過一定程度的RNA剪接或翻譯后修飾的,由此說明，DNA模板僅僅是一份非常粗糙的初稿，它不是僵化的鑄模，更象一個活字板準確地說，中心法則不是精細、逐一地傳遞序列信息的通道，而是一個動態(tài)的分子遺傳信息的加工流水線基于此，現(xiàn)代基因可以定義為“進行遺傳信息儲存與加工的單元”,“基因”的經(jīng)典分子生物學(xué)定義：產(chǎn)生一條多肽鏈或功能RNA所必需的全部核甘酸序列,基因概念小結(jié),從攜帶信息看基因種類從基因(產(chǎn)物)功能來看基因類別,DNA是遺傳信息的載體，而遺傳信息則是通過核苷酸的排列順序體現(xiàn)出來的，DNA所攜帶的遺傳信息，根據(jù)已有證據(jù)大致可以分為兩類：一種是編碼蛋白質(zhì)的信息它們通過核苷酸三聯(lián)體與各個氨基酸間的對應(yīng)關(guān)系使遺傳信息由DNA流向蛋白質(zhì)，但遺傳信息的這種流動不是通過基因自身的功能，而是通過獨立于該基因之外的蛋白質(zhì)合成機構(gòu)實現(xiàn)的。同時，蛋白質(zhì)基因的表達并不總是構(gòu)成型的，它是受調(diào)控的,1.信息類別,DNA所攜帶的第二類信息即是有關(guān)基因表達調(diào)控的信息，它們貯存在DNA的精細結(jié)構(gòu)中，直接表現(xiàn)為特定的空間結(jié)構(gòu)，即密碼結(jié)構(gòu)域，然后為相應(yīng)的蛋白質(zhì)因子所識別和結(jié)合，從而控制蛋白質(zhì)基因的表達，這一方面的研究近來已取得不少進展，并已觸及“廢棄DNA”是否具有一定的功能。毫無疑問，這將成為將來分子生物學(xué)研究的一個重要方向,2.基因功能類別,蛋白質(zhì)基因：其最終產(chǎn)物為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基因（StructureGenes）：編碼酶和結(jié)構(gòu)蛋白的基因。結(jié)構(gòu)基因的突變可導(dǎo)致特定蛋白質(zhì)（或酶）一級結(jié)構(gòu)的改變或影響蛋白質(zhì)（或酶）量的改變調(diào)節(jié)基因（RegulatoryGenes）：指某些可調(diào)節(jié)控制結(jié)構(gòu)基因表達的基因。調(diào)控基因的突變可以影響一個或多個結(jié)構(gòu)基因的功能，或?qū)е乱粋€或多個蛋白質(zhì)（或酶）量的改變RNA基因：其最終產(chǎn)物是tRNA和rRNA,調(diào)控基因：無任何產(chǎn)物，對基因表達起調(diào)節(jié)控制作用啟動基因（啟動子，啟動區(qū)）：轉(zhuǎn)錄時RNA多聚酶與DNA結(jié)合的部位操縱基因：位于結(jié)構(gòu)基因（一個或多個）的前端，與阻遏蛋白或激活蛋白結(jié)合，控制結(jié)構(gòu)基因活動的DNA區(qū)段。是操縱結(jié)構(gòu)基因的基因增強子：衰減子：,第二節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)及功能,I蛋白質(zhì)概述II蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)*III蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,5/22/2020,44,5/22/2020,45,蛋白質(zhì)一詞最早來自希臘語“proteios”，其含義為“第一重要的”蛋白質(zhì)：由20種-氨基酸通過肽鍵相連而成的，一類具有特定的空間構(gòu)象和生物學(xué)功能的高分子有機化合物,蛋白質(zhì)分子多樣性,氨基酸種類不同,氨基酸數(shù)目不同,氨基酸序列不同,肽鏈空間結(jié)構(gòu)不同,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性,蛋白質(zhì)的種類多樣性,蛋白質(zhì)功能的多樣性,5/22/2020,46,蛋白質(zhì)的主要功能,結(jié)構(gòu)蛋白：是構(gòu)成細胞和生物體的重要物質(zhì)，如肌球蛋白、肌動蛋白等催化蛋白：起生物催化作用，如絕大多數(shù)酶運輸?shù)鞍祝喝缪t蛋白、細胞膜上的載體調(diào)節(jié)蛋白：如蛋白質(zhì)類激素（胰島素和生長激素等）免疫蛋白：免疫過程中產(chǎn)生的抗體,蛋白質(zhì)是一切生命活動的體現(xiàn)者！,5/22/2020,47,蛋白質(zhì)廣泛存在于生物界生命的最基本特征是能夠進行新陳代謝，它所包括的一切生物化學(xué)反應(yīng)都是在生物催化劑-酶的作用下完成的除極少數(shù)具催化功能的RNA外，幾乎所有的酶都是蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)的分布,5/22/2020,48,生命活動所需的許多小分子物質(zhì)和離子的運輸離不開蛋白質(zhì)，如血紅蛋白負責(zé)運輸氧，鐵傳遞蛋白負責(zé)運輸鐵等細胞與外界環(huán)境以及細胞間的信息傳遞，依賴于處在細胞表面的或跨膜的蛋白質(zhì)來實現(xiàn),蛋白質(zhì)的功能舉例,5/22/2020,49,5/22/2020,50,蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序，-蛋白質(zhì)的最基本結(jié)構(gòu)。它是由結(jié)構(gòu)基因的遺傳密碼排列順序（DNA序列）所決定的各種氨基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連接起來，成為多肽鏈，故肽鍵是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主鍵,1.蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),5/22/2020,51,蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定了其二級、三級等高級結(jié)構(gòu)眾多天然蛋白質(zhì)各有其特殊的生物學(xué)活性，而決定每一種蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性的結(jié)構(gòu)特點，首先在于其肽鏈的氨基酸序列由于組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸各具特定的側(cè)鏈，側(cè)鏈基團的理化性質(zhì)和空間排布各不相同，當(dāng)它們按不同序列組合時，就形成多種多樣的空間結(jié)構(gòu)和不同生物學(xué)活性的蛋白質(zhì)分子,5/22/2020,52,蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構(gòu)成特有的比較穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構(gòu)的完整，因此僅僅測定蛋白質(zhì)分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)活性和理化性質(zhì),蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),5/22/2020,53,多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象的結(jié)構(gòu)單元主要有-螺旋-折迭-轉(zhuǎn)角無規(guī)則卷曲四種,2.蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu),5/22/2020,54,指在多肽鏈內(nèi)順序上相互鄰近的二級結(jié)構(gòu)常常在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)聚集體目前發(fā)現(xiàn)的超二級結(jié)構(gòu)有三種基本形式螺旋組合()折疊組合()螺旋折疊組合()（下圖，其中以組合最為常見,超二級結(jié)構(gòu),5/22/2020,55,由于螺旋組合()；折疊組合()和螺旋折疊組合()可直接作為三級結(jié)構(gòu)的“建筑塊”或結(jié)構(gòu)域的組成單位，是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次，故稱這些結(jié)構(gòu)為超二級結(jié)構(gòu),5/22/2020,56,結(jié)構(gòu)域的含義,結(jié)構(gòu)域（domain）:在蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)內(nèi)的獨立折疊單元，通常都是幾個超二級結(jié)構(gòu)單元的組合也是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次在較大的蛋白質(zhì)分子中，由于多肽鏈上相鄰的超二級結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，形成二個或多個在空間上可以明顯區(qū)別它與蛋白質(zhì)亞基結(jié)構(gòu)的區(qū)別每個結(jié)構(gòu)域由100-200個氨基酸殘基組成，各有獨特的空間構(gòu)象，并承擔(dān)不同的生物學(xué)功能,5/22/2020,57,蛋白質(zhì)的多肽鏈在各種二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再進一步盤曲或折迭形成具有一定規(guī)律的三維空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠次級鍵，包括氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力等,3.蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu),5/22/2020,58,這些次級鍵可存在于一級結(jié)構(gòu)序號相隔很遠的氨基酸殘基的R基團之間，因此蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)主要指氨基酸殘基的側(cè)鏈間的結(jié)合次級鍵都是非共價鍵，易受環(huán)境中pH、溫度、離子強度等的影響，有變動的可能性二硫鍵不屬于次級鍵，但在某些肽鏈中能使遠隔的二個肽段聯(lián)系在一起，這對于蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定上起著重要作用,5/22/2020,59,現(xiàn)也有認為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子主鏈折疊盤曲形成構(gòu)象的基礎(chǔ)上，分子中的各個側(cè)鏈所形成一定的構(gòu)象側(cè)鏈構(gòu)象主要是形成微區(qū)。對球狀蛋白質(zhì)來說，形成疏水區(qū)和親水區(qū)親水區(qū)多在蛋白質(zhì)分子表面，由很多親水側(cè)鏈組成疏水區(qū)多在分子內(nèi)部，由疏水側(cè)鏈集中構(gòu)成，疏水區(qū)常形成一些“洞穴”或“口袋”，某些輔基就鑲嵌其中，成為活性部位,5/22/2020,60,有二條或二條以上獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結(jié)構(gòu)其中，每個具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位稱為亞基,4.蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),5/22/2020,61,四級結(jié)構(gòu)實際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵的結(jié)合比二、三級結(jié)構(gòu)疏松因此在一定的條件下，四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)可分離為其組成的亞基，而亞基本身構(gòu)象仍可不變,5/22/2020,62,某些蛋白質(zhì)分子可進一步聚合成聚合體。聚合體中的重復(fù)單位稱為單體，聚合體可按其中所含單體的數(shù)量不同而分為二聚體、三聚體寡聚體和多聚體而存在，如胰島素在體內(nèi)可形成二聚體及六聚體,5/22/2020,63,5/22/2020,64,蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)空間構(gòu)象與功能活性的關(guān)系,III.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，特定的空間構(gòu)象主要由蛋白質(zhì)分子中肽鏈和側(cè)鏈R基團形成的次級鍵來維持，在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的多肽鏈一旦被合成后，即可根據(jù)一級結(jié)構(gòu)的特點自然折疊和盤曲，形成一定的空間構(gòu)象,1.蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系,5/22/2020,65,Anfinsen以一條肽鏈的蛋白質(zhì)核糖核酸酶為對象，來研究二硫鍵的還原和氧化問題在此基礎(chǔ)上提出蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定了它的二級、三級結(jié)構(gòu)，即由一級結(jié)構(gòu)可以自動地發(fā)展到二、三級結(jié)構(gòu),5/22/2020,66,一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)，其基本構(gòu)象及功能也相似例如，不同種屬的生物體分離出來的同一功能的蛋白質(zhì)，其一級結(jié)構(gòu)只有極少的差別，而且在系統(tǒng)發(fā)生上進化位置相距愈近的差異愈小,5/22/2020,67,在蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)中，參與功能活性部位的殘基或處于特定構(gòu)象關(guān)鍵部位的殘基，即使在整個分子中發(fā)生一個殘基的異常，那么該蛋白質(zhì)的功能也會受到明顯的影響被稱之為“分子病”的鐮刀狀紅細胞性貧血僅僅是574個氨基酸殘基中，一個氨基酸殘基即亞基N端的第6號氨基酸殘基發(fā)生了變異所造成的，這種變異來源于基因上遺傳信息的突變,5/22/2020,68,蛋白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)，蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象是其功能活性的基礎(chǔ)，構(gòu)象發(fā)生變化，其功能活性也隨之改變蛋白質(zhì)變性時，由于其空間構(gòu)象被破壞，故引起功能活性喪失，變性蛋白質(zhì)在復(fù)性后，構(gòu)象復(fù)原，活性即能恢復(fù),2.蛋白質(zhì)空間構(gòu)象與功能活性的關(guān)系,5/22/2020,69,在生物體內(nèi)，當(dāng)某種物質(zhì)特異地與蛋白質(zhì)分子的某個部位結(jié)合，觸發(fā)該蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生一定變化，從而導(dǎo)致其功能活性的變化，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的別構(gòu)效應(yīng)（AllostericEffect）蛋白質(zhì)(或酶)的別構(gòu)效應(yīng)，在生物體內(nèi)普遍存在，這對物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)和某些生理功能的變化都是十分重要的,5/22/2020,70,第三節(jié)染色體的結(jié)構(gòu)特征,組蛋白*核小體*30nm纖絲輻射環(huán),染色體（chromosome）是由染色質(zhì)構(gòu)成的，染色質(zhì)（chromatin）是由DNA、RNA和蛋白質(zhì)形成的復(fù)合體，是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，叫做染色質(zhì)絲，它是由最基本的單位核小體（nucleosome）成串排列而成的。染色體是細胞在有絲分裂時遺傳物質(zhì)存在的特定形式，是間期細胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密包裝的結(jié)果。染色體是動態(tài)的物體，其外觀隨細胞周期的不同階段發(fā)生明顯的改變。僅當(dāng)細胞分裂時，每個染色體才呈現(xiàn)出凝聚型真核生物的染色體在細胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(zhì)的形式存在的,大腸桿菌基因組為雙鏈環(huán)狀DNA分子，長1300m，分子量為2.8109D，在細胞中以緊密纏繞成較致密的不規(guī)則小體形式存在于細胞中，該小體稱為類核（nucliod）,其上結(jié)合有類組蛋白蛋白質(zhì)和少量RNA分子，是其壓縮成一種腳手架形的（scaffold）致密結(jié)構(gòu)（大腸桿菌DNA分子長度是其菌體長度的1000倍，所以必須以一定的形式壓縮進細胞中）環(huán)狀DNA的總大約含有30004000個基因，目前已經(jīng)確定了1400多個基因的結(jié)構(gòu)、功能及在基因圖上的位置大腸桿菌及其他原核細胞就是以這種擬核形式在細胞中執(zhí)行著諸如復(fù)制、重組、轉(zhuǎn)錄、翻譯以及復(fù)雜的調(diào)節(jié)過程。通過研究大腸桿菌基因的結(jié)構(gòu)、功能及表達調(diào)控可揭示其它生物的遺傳現(xiàn)象和規(guī)律基因組全序列測定于1997年由Wisconsin大學(xué)的Blattner等人完成,和原核不同，真核染色體中的DNA不是裸露的，而是與蛋白質(zhì)緊密地結(jié)合在一起。與真核DNA相結(jié)合的蛋白質(zhì)主要是一類小的堿性蛋白質(zhì)，稱為組蛋白組蛋白約占染色體總量的一半，其余一半為DNA。用鹽或稀酸處理染色質(zhì)，可使組蛋白與DNA解離開來，再用離子交換柱層析分級分離組蛋白，共得到5個組分，分別命名為H1、H2A、H2B、H3和H4。它們的分子量在11kD-21kD之間,1.組蛋白,組蛋白的一般特性：進化上的保守性保守程度：H1H2A、H2BH3、H4,上海生化所分子遺傳學(xué)1998年試題：在真核生物核內(nèi)。五種組蛋白（H1H2AH2BH3和H4）在進化過程中，H4極為保守，H2A最不保守（）,氨基酸順序分析表明:豌豆秧苗的H4和小牛胸腺的H4的氨基酸順序僅有兩個差異（102個殘基），而且這兩個位點的改變頗小，即一個位點是由異亮氨酸（Ile）變?yōu)槔i氨酸（Val）；另一個位點是由精氨酸（Arg）變?yōu)橘嚢彼幔↙ys）同樣，在經(jīng)過這樣長的進化期間H3的改變也很小，豌豆秧苗H3的氨基酸順序和小牛胸腺的僅有4處不同,無組織特異性肽鏈氨基酸分布的不對稱性,簡述真核生物染色體上組蛋白的種類，組蛋白修飾的種類及其生物學(xué)意義中國科學(xué)院2003年碩士研究生入學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)試題,H1組蛋白的特殊性：富含賴氨酸（24%以上）,組蛋白的可修飾性,在細胞周期特定時間組蛋白可發(fā)生甲基化、乙?；⒘姿峄虯DP核糖基化等修飾，其中包括特異精、組、賴、絲和蘇氨酸殘基的甲基化、乙酰基化和磷酸化。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙?；饔谩1有磷酸化作用這些修飾中有許多是可逆的,這些修飾作用的共同特點，即降低組蛋白所攜帶的正電荷，而改變組蛋白DNA之間的相互作用這些組蛋白修飾的意義：改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，直接影響轉(zhuǎn)錄活性核小體表面發(fā)生改變，使其他調(diào)控蛋白易于和染色質(zhì)相互接觸，從而間接影響轉(zhuǎn)錄活性雖然組蛋白在進化中是高度保守的，但它們修飾的程度卻隨品種、組織以及細胞發(fā)育階段的不同而差別很大,1974年,Kornberg綜合多方面的實驗證據(jù)指出，染色質(zhì)是由重復(fù)單位構(gòu)成的，每個單位由約200bp的DNA和H2A，H2BH3及H4各2分子所組成?，F(xiàn)在，人們把這些重復(fù)單位叫做核小體，它是染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的第一層次,II.核小體*（nucleosome）,Nucleosome、chromosome、genome中科院2002年碩士學(xué)位研究生入學(xué)分子遺傳學(xué)試題,核小體定義：用于包裝染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位，是由DNA鏈纏繞一個組蛋白核構(gòu)成的,在核小體中，大部分DNA纏繞在組蛋白構(gòu)成的核心的外面。DNA的其余部分將相鄰的核小體聯(lián)結(jié)起來，此部分DNA稱為聯(lián)結(jié)體，它使染色質(zhì)纖維具有柔性?？梢姡粭l染色質(zhì)纖維是條由聯(lián)結(jié)起來的核小體構(gòu)成的易彎曲的鏈，很像一條串珠,中國科學(xué)院上海生化與細胞所2002年招收碩士研究生分子遺傳學(xué)入學(xué)考試：簡述真核細胞內(nèi)核小體與核小體核心顆粒的結(jié)構(gòu)。,DNA與組蛋白結(jié)合成核小體的一個重要因素是DNA的一定序列。組蛋白核心并不是隨機地結(jié)合于DNA的各部分，而是專一地結(jié)合于特定位點。DNA上核小體形成部位現(xiàn)在還不清楚，但有證據(jù)表明，核小體形成于DNA中富含AT堿基對處，在該處DNA的小構(gòu)與組蛋白核心相接觸,在低離子濃度下形成10nm核小體纖絲僅代表染色體DNA堆積的第一層次。只有在生理的離子強度下，染色體結(jié)構(gòu)的下一層次才被明顯看出來隨著鹽濃度的提高，含有H1的核小體纖絲開始折疊成曲曲折折的構(gòu)象。此外，觀察提示，核小體通過它們的H1分子間的接觸而相互作用。然后當(dāng)鹽濃度接近生理范圍時，染色質(zhì)形成一條30nm厚的纖絲,是染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的第二層次,III.30nm纖絲,Klug認為，30nm纖絲是由10nm核小體纖絲卷繞成為圓筒形線圈而形成的。此線圈的每一圈約為6個核小體，螺距為11nm（核小體直徑）。此圓筒形線圈是由H1分子穩(wěn)定的每個H1分子由兩部分組成：一部分是保守的球形核心，它是聯(lián)結(jié)核小體的另一部分是比較可變的延伸出去的N端和C端臂。此模型與30nm纖絲的X射線衍射圖譜相符合,組蛋白被剝離的（細胞分裂）中期的染色體表現(xiàn)出一個中心纖維狀的蛋白質(zhì)“腳手架”，其周圍環(huán)繞著廣泛的DNA暈圈。在電鏡下可以看到DNA的股線是成環(huán)的，它幾乎是由同一位點進出腳手架,IV.輻射環(huán),這些環(huán)的長度大多數(shù)在1530m范圍內(nèi)，因而當(dāng)它們堆積成30nm纖絲時，其長度應(yīng)為約0.6m。電鏡觀察染色體的橫斷面，如下圖所示，結(jié)果表明中期染色體的染色質(zhì)纖維是輻射狀安置的。如果看到的環(huán)相當(dāng)于這些輻射纖維，它們的每一個將使染色質(zhì)的直徑加大0.3m，加上腳手架的寬度為0.4m，此模型指明中期染色體的直徑為1.0m，這與觀察到的是一致的,一條典型的人類染色體含有約14107bp，因而它應(yīng)有2000個左右這種約70kb的輻射環(huán)。這樣一條直徑為0.4m，長6.0m的染色體腳手架，其面積足以聯(lián)結(jié)2000個左右的輻射環(huán)，因此。輻射環(huán)模型是符合觀察到的中期染色體的堆積比的,DNA的形狀與大小C值與C值悖理DNA的堿基組成DNA的序列類型真核基因組的特點,第四節(jié)基因組的結(jié)構(gòu)與特點,DNA一般為長而無分支的雙鏈線性分子，但有些為環(huán)型，也有少數(shù)為單股環(huán)型不同的DNA大小相差懸殊。例如，SV40含5.1kb，而南美肺魚的基因組含102萬kb。雖然一般而言，復(fù)雜的有機體需要更多的DNA，但不存在嚴格的對應(yīng)關(guān)系,I.DNA的形狀與大小,在討論真核生物基因組的結(jié)構(gòu)時，我們首先看看真核基因組的人小、人們早已知道真核細胞DNA的含量比原核的大很多，例如，哺乳動物細胞的DNA含量約為大腸桿菌的800倍在真核生物中，每種生物的單倍體基因組的DNA總量是恒定的，稱之為C值，它是每種生物的一個特性，不同物種的C值差別很大。下圖列舉出不同門生物C值的范圍,II.C值與C值悖理,一般人認為，一個生物的形態(tài)學(xué)復(fù)雜性應(yīng)該與其C值的大小大致相關(guān)，因為歸根結(jié)底，一個生物的形態(tài)學(xué)復(fù)雜性必然是它的基因復(fù)雜性的反映低等生物的情況大致符合這種設(shè)想，例如，啤酒酵母的基因組約為1.3107bp，比細菌（大腸桿菌為4.2106bp）大約3倍，它是單細胞真核生物。而粘菌的基因組比酵母的更大，從而使它既能以單細胞形式生長又能以多細胞形式生長,但是，C值和進化之間的復(fù)雜性并沒有嚴格的相應(yīng)關(guān)系。譬如，肺魚的C值達1011bp，而人類C值才只有109bp。這種C值與生物進化復(fù)雜性不相對應(yīng)的現(xiàn)象稱為C值悖理，或者C值反?，F(xiàn)象（C-valueparadox)真核細胞基因組的最大特點是它含有大量的重復(fù)序列，而且功能DNA序列大多被不編碼蛋白質(zhì)的非功能DNA所隔開。隨著功能基因組研究的不斷深入，不久將會闡明這些非結(jié)構(gòu)基因的DNA序列的功能以及基因組DNA的C值巨大差異在生物進化中的意義,III.DNA的堿基組成,在所有生物種的雙股DNA中，A和T的量相等，G和C的量相等。故根據(jù)A，T，G，C中任一種的含量就可確定雙股DNA的其它3種堿基的含量。DNA的堿基組成一般可用其GC含量來表示同一物種所有細胞DNA的含量都相同，而種間的差異則很顯著，尤其在細菌間，可從0.30.7。高等生物的GC含量一般小于0.5,在DNA中，除了A，T，G，C外還含有修飾堿基，常見的為甲基化堿基，它們是在DNA合成后形成的。在大多數(shù)動物和植物中，胞嘧啶，尤其是CpG中C的5位常具有甲基，它們與發(fā)育過程中基團的鈍化有關(guān),在細菌中也已發(fā)現(xiàn)堿基的修飾作用，它可保護自身DNA免受細胞內(nèi)的限制酶所降解。如在大腸桿菌和相關(guān)的細菌中，轉(zhuǎn)座酶的啟動子含GATC序列，其中A為甲基化酶所甲基化、當(dāng)雙鏈中GATC序列中的A都被甲基化時，啟動子相對鈍化，復(fù)制后形成的半甲基化DNA中，啟動子是較為話躍的，這是細胞在復(fù)制過程中控制轉(zhuǎn)座的方式之一,原核生物DNA的堿基組成是均勻的，即使DNA被破碎為較小的，例如，10kb片段后，氯化銫密度梯度仍只能使其形成單一的峰?？墒钦婧松顳NA的堿基組成與此相反，顯示出很大的不均勻性。這反映為DNA復(fù)性曲線的復(fù)雜性和其剪切片段在浮力密度梯度中的不對稱分布（見下圖）。這兩方面的實驗證據(jù)都表明DNA中存在著一些獨特的序列,真核生物DNA堿基組成上的異質(zhì)性主要由于存在著以下3類DNA序列：高度重復(fù)序列中度重復(fù)序列單一序列,IV.DNA的序列類型,1.高度重復(fù)序列,高度重復(fù)序列的長度為2-10bp，在基因組中可串聯(lián)重復(fù)至105-107次，約占基因組的1-50，平均為15。一些蟹的重復(fù)序列為交替A，T，G和C，僅占3%并散布其間。大鼠和果蠅的重復(fù)序列分別由6個和7個堿基組成。這些重復(fù)序列常稱為衛(wèi)星DNA,20世紀90年代以來，人們發(fā)