遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其類型

遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其類型

一、遺傳物質(zhì)是DNA的證據(jù)二、遺傳物質(zhì)的化學(xué)組成三、遺傳物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)四、遺傳物質(zhì)的不同存在形態(tài)五、遺傳物質(zhì)的不同類型

基本內(nèi)容第2頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

一、遺傳物是DNA的證據(jù)

1、遺傳物質(zhì)的必備條件

1）能儲(chǔ)存大量的遺傳信息

2）結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定

3）能夠精確復(fù)制

4）能夠世代傳遞

5）能表達(dá)為其它大分子物質(zhì)

6）具有變異能力

第3頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

1868年，瑞士科學(xué)家F.Miescher從外科繃帶上的膿細(xì)胞中分離一種有機(jī)物質(zhì)－核素（nuclein）是人類第一次有了核酸的概念。但到1928年人們?nèi)匀徽J(rèn)為遺傳物質(zhì)是蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成，若蛋白分子都為100個(gè)氨基酸，則可形成20100

種蛋白質(zhì)。

1875年以后，Miescher對核素的熱情有所減退，在否掉核素作為遺傳物質(zhì)的可能后，他猜測遺傳信息也許是藏在細(xì)胞內(nèi)的哪個(gè)大分子的立體構(gòu)象中——畢竟，一個(gè)蛋白質(zhì)內(nèi)只要含有50個(gè)手性碳原子，就代表它的立體異構(gòu)體能有2的50次方那么多種，那是十萬億那個(gè)數(shù)量級(jí)。

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2、遺傳物質(zhì)是DNA的間接證據(jù)

DNA的穩(wěn)定性：作為遺傳物質(zhì)要有穩(wěn)定性，要有世代連續(xù)性（種類、數(shù)量）

DNA蛋白質(zhì)不同細(xì)胞一樣不一樣不同組織一樣不一樣不同發(fā)育時(shí)期一樣不一樣

不同個(gè)體一樣不一樣

子代與親代一樣不一樣代謝過程中不被分解被分解第5頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

3、遺傳物質(zhì)是DNA的直接證據(jù)

1）肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：（Griffith1928)

兩種肺炎雙球菌的區(qū)別光滑型（SⅢ）粗糙型（RⅡ）莢膜有無毒性有無保護(hù)作用有無致病作用有（肺炎、敗血癥）無菌落類型光滑粗糙

第6頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第7頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

對試驗(yàn)結(jié)果的解釋：

Griffith的實(shí)驗(yàn)高溫（65OC)破壞的是蛋白質(zhì)，結(jié)果已經(jīng)說明用高溫殺死的S型細(xì)菌中有一種物質(zhì)能夠進(jìn)入R型細(xì)菌，使R細(xì)菌轉(zhuǎn)化為S型細(xì)菌。實(shí)際上進(jìn)入R型細(xì)菌的是DNA，是遺傳物質(zhì)，但是，他卻指出是一些營養(yǎng)上的“汁”。得出了非常重要的結(jié)果，卻沒能科學(xué)的解釋它第8頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2）Avery的轉(zhuǎn)化試驗(yàn)：（1944年）

第9頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

Avery的進(jìn)一步證實(shí)：對猜想物質(zhì)的超離心，根據(jù)分子重量證明是DNA

對猜想物質(zhì)的電泳，證明是DNA

對猜想物質(zhì)的紫外線吸收測定(260)，證明是DNA

（蛋白質(zhì)的吸收波長為280）對猜想物質(zhì)氮與磷比值較高為1.67，也證明是DNA

對猜想物質(zhì)用蛋白酶、多糖酶、核糖核酸酶處理，均不被破壞，只被DNA酶所破壞。

第10頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

Avery試驗(yàn)的意義：發(fā)現(xiàn)了生命的本質(zhì)，為分子遺傳學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，讓人們知道了應(yīng)該升入研究什么，提供了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法

我是世界上第一個(gè)手拿一試管基因的人。

Avery沒有獲得諾貝爾獎(jiǎng)金的原因：蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)的觀念根深蒂固提取的核酸中仍然有少量蛋白質(zhì)污染

Avery不善于宣傳自己和爭辯

Avery去世過早

第11頁,共125頁，2024年2月25日，星期天35S標(biāo)記細(xì)菌

32P標(biāo)記細(xì)菌

噬菌體3）噬菌體的感染試驗(yàn):(HersheyChase1952)

第12頁,共125頁，2024年2月25日，星期天離心管上面是噬菌體外殼，具有80%的放射活性，下面是細(xì)菌，具有20%的放射活性（部分噬菌體還在細(xì)菌細(xì)胞上面）說明蛋白質(zhì)外殼沒有進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞離心管上面是噬菌體外殼，具有30%的放射活性（有部分噬菌體還沒有把DNA注入細(xì)菌細(xì)胞細(xì)胞），下面是細(xì)菌，具有70%的放射活性。說明噬菌體的DNA進(jìn)入了細(xì)菌細(xì)胞說明DNA是遺傳物質(zhì)第13頁,共125頁，2024年2月25日，星期天4）煙草花葉病毒重建試驗(yàn)（1957，F(xiàn)raenkel)

煙草花葉病毒有一圓筒狀蛋白質(zhì)外殼，由2130

個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成，內(nèi)含一個(gè)單鏈RNA分子。把此病毒放在水和苯酚中震蕩可以把蛋白質(zhì)與RNA

分開。1956年，Gierer

病毒RNARNAase處理RNA有病斑出現(xiàn)無病斑出現(xiàn)第14頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

煙草花葉病毒A：

煙草花葉病毒B：

感染時(shí)出現(xiàn)A病斑

感染時(shí)出現(xiàn)B病斑

RNA蛋白質(zhì)

RNA蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)

RNA

RNAB病斑A病斑第15頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

三、核酸的化學(xué)組成

1、元素組成含有C.H.O.N外，還有大量P，個(gè)別核酸中還有S2、1930~40年，Kossel&Levene等確定核酸的的組分：把核酸水解后會(huì)產(chǎn)生嘌呤及嘧啶的衍生物戊糖磷酸

核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）第17頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

核酸的組成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤堿purinebase或嘧啶堿pyrimidinebase（堿基base）核糖ribose或

脫氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）第18頁,共125頁，2024年2月25日，星期天嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基第19頁,共125頁，2024年2月25日，星期天嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)第20頁,共125頁，2024年2月25日，星期天戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)第21頁,共125頁，2024年2月25日，星期天核苷：AR,GR,UR,CR脫氧核苷：dAR,dGR,dTR,dCR核苷酸的結(jié)構(gòu)(nucleotidestructure)1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1四、遺傳物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)第22頁,共125頁，2024年2月25日，星期天核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

第23頁,共125頁，2024年2月25日，星期天5′端3′端3.核苷酸的連接核苷酸之間以磷酸二酯鍵(phosphodiesterbond)連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA第24頁,共125頁，2024年2月25日，星期天一級(jí)結(jié)構(gòu)（primarystructure）一級(jí)結(jié)構(gòu)是指核酸分子中核苷酸的排列順序及連接方式。核苷酸的排列順序代表了遺傳信息。1、核苷酸的連接方式：3

,5

磷酸二酯鍵2、核酸的基本結(jié)構(gòu)形式：多核苷酸鏈信息量：4n末端：5

端、3

端多核苷酸鏈的方向：5ˊ端→3ˊ端(由左至右)第25頁,共125頁，2024年2月25日，星期天DNA分子的大小天然存在的DNA分子最顯著的特點(diǎn)是很長，分子質(zhì)量很大，一般在106-1010

。DNA的堿基組成有如下特點(diǎn)：

具有種的特異性。沒有器官和組織的特異性。在同一種DNA中，A=T、G=C，即A+G=T+C，即嘌呤堿基的總摩爾數(shù)與嘧啶堿基的總摩爾數(shù)相等——堿基當(dāng)量定律又稱Chargaff原則。年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNA的堿基組成。第26頁,共125頁，2024年2月25日，星期天DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（一）Watson—Crick右手雙螺旋結(jié)構(gòu)模型

1、實(shí)驗(yàn)根據(jù)

X射線衍射方法研究DNA纖維的結(jié)構(gòu).1938年Astbury&Bell用x衍射技術(shù)研究DNA。1947年拍攝了第一張DNA的衍射照片，并推斷DNA分子的結(jié)構(gòu)是：①柱狀；②多核苷酸是一疊扁平的核苷酸；③核酸殘基取向和分子長軸垂直,間距為3.4?。第27頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1950年，Chargaff從大量的不同來源的DNA樣品的分析中發(fā)現(xiàn)了DNA組成的當(dāng)量規(guī)律，即A＝T，G＝C，A＋G＝C＋T。1951年，Pauling和Corey運(yùn)用化學(xué)的定律來推理，而不做具體的實(shí)驗(yàn)，建立了蛋白質(zhì)的α-螺旋模型；Franklin&Wilkins在1952年底拍得了DNA結(jié)晶X衍射照片。第28頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

1951年，Pauling提出了蛋白質(zhì)的α-螺旋結(jié)構(gòu)。第29頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1952年，Wilkins和Franklin用高度定向的DNA纖維作出高質(zhì)量的X-光衍射照片第30頁,共125頁，2024年2月25日，星期天1953年，Watson和Crick提出DNA的反向平行雙螺旋模型第31頁,共125頁，2024年2月25日，星期天DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向?yàn)?′端→3′端，而另一條鏈的方向?yàn)?′端→5′端。第32頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（2）嘌呤和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90°角。第33頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（3）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個(gè)堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個(gè)核苷酸形成一個(gè)螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉(zhuǎn)一圈的高度）為3.4nm。第34頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（4）維持兩條DNA鏈相互結(jié)合的力是鏈間堿基對形成的氫鍵。堿基結(jié)合具有嚴(yán)格的配對規(guī)律:A與T結(jié)合，G與C結(jié)合，這種配對關(guān)系，稱為堿基互補(bǔ)。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。第35頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（5）螺旋表面形成大溝(majorgroove)及小溝(minorgroove)，彼此相間排列。小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA堿基序列的基礎(chǔ)。（6）氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性；堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性（芳香族堿基間的π電子間相互作用）。第36頁,共125頁，2024年2月25日，星期天WatsonandCrick's1953NaturepaperproposingadoublehelixstructureforDNA:

AstructureforDeoxyriboseNucleicAcid

2April1953

MOLECULARSTRUCTUREOFNUCLEICACIDS

第37頁,共125頁，2024年2月25日，星期天維持DNA雙螺旋穩(wěn)定性的因素

1、氫鍵GC之間有三條氫鍵，AT之間有兩條氫鍵，這是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的重要特征之一，DNA的許多物理性質(zhì)如變性、復(fù)性以及Tm值等都與此有關(guān)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，配對堿基之間的氫鍵處于連續(xù)不斷的斷裂和再生的動(dòng)態(tài)平衡之中。第38頁,共125頁，2024年2月25日，星期天堿基配對及氫鍵形成第39頁,共125頁，2024年2月25日，星期天2、堿基堆積力堿基堆積作用對維持DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)起著主要作用，它是堿基對之間在垂直方向上的相互作用。它包括：疏水作用、范德華力等。

疏水作用力使DNA相鄰的堿基有相互堆集在一起的趨勢，這是形成堿基堆集力的重要因素之一。

DNA雙鏈中存在大量的嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)，其累積的范德華力是相當(dāng)可觀的，這是形成堿基堆集力的另一個(gè)重要因素。已經(jīng)堆積的堿基更容易發(fā)生氫鍵的鍵合，相應(yīng)地已經(jīng)被氫鍵定向的堿基更容易堆集。兩種作用力相互協(xié)同，形成一種非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。如果一種作用力被消除，另一種作用力也大為減弱。第40頁,共125頁，2024年2月25日，星期天帶負(fù)電荷的磷酸基的靜電斥力

DNA溶液中的離子濃度降低時(shí)，陽離子在磷酸基周圍形成的屏蔽作用減弱，使得磷酸基地靜電斥力增大，因而Tm值隨之降低。所以純蒸餾水中的DNA在室溫下就會(huì)變性。堿基分子內(nèi)能溫度升高，堿基分子內(nèi)能增加時(shí)，堿基的定向排列遭受破壞，削弱了堿基的氫鍵結(jié)合力和堿基的堆集力，會(huì)使DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)受到破壞。第41頁,共125頁，2024年2月25日，星期天目前已知DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)可分為A、B、C、D及Z型等數(shù)種，除Z型為左手雙螺旋外，其余均為右手雙螺旋。

Z-DNA B-DNA第42頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第43頁,共125頁，2024年2月25日，星期天DNA的分子構(gòu)型(B,Z,A)比較

FormBZAHelixDirectionRightLeftRightbp/circle101210.7Distance/bp~0.34nm~0.38nm~0.25nmDistance/helix3.4nm4.46nm2.8nmDiameter/helix2.0nm1.8nm1.9nmSequenceAnyPolyG-CAnyPolyC-APolyT-GPolyT-A

第44頁,共125頁，2024年2月25日，星期天B-DNA是活性最高的DNA構(gòu)象，B-DNA變構(gòu)成為A-DNA后，仍有活性，但若局部變構(gòu)為Z-DNA后活性明顯降低。B-DNA和Z-DNA之間的變構(gòu)是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的一種模式。首次揭示Z-DNA分子的生物功能，科學(xué)家懷疑這個(gè)Z-DNA分子根本就是細(xì)胞自己產(chǎn)生的突變劑(mutagen)Proc.Natl.Acad.Sci.USA,2006在活的生物體內(nèi)，不論是DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)還是高級(jí)結(jié)構(gòu)，都存在一個(gè)動(dòng)力學(xué)的平衡。第45頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第46頁,共125頁，2024年2月25日，星期天二級(jí)結(jié)構(gòu)的其他形式（一）單鏈核酸形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)

RNA是主要的單鏈核酸，RNA分子內(nèi)部存在部分序列之間的堿基配對，核酸鏈自身回折配對產(chǎn)生反向平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)，叫發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hairpin）。發(fā)夾結(jié)構(gòu)由堿基配對的雙螺旋區(qū)—莖和末端不配對的環(huán)構(gòu)成。第47頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第48頁,共125頁，2024年2月25日，星期天端粒DNA四鏈結(jié)構(gòu)：鳥嘌呤四聚體第49頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

3、三鏈DNA1)三鏈DNA的發(fā)現(xiàn)

1957年Felsenfeld等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙鏈核酸的一條鏈都為嘌呤核苷酸，另一條鏈都為嘧啶核苷酸時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化成三鏈核酸結(jié)構(gòu)

1975年美國加洲大學(xué)Perlgut等人在實(shí)驗(yàn)室人工合成了浮力密度為1.726g/cm2的三鏈DNA

1987年Mirkin等人從天然途徑中發(fā)現(xiàn)了DNA的三螺旋結(jié)構(gòu)稱為：HingedDNA,譯為絞鏈DNA。

第50頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

1990年我國中科院白春禮等人用掃描隧道顯微鏡研究噬菌體的DNA，也發(fā)現(xiàn)一新的三鏈DNA結(jié)構(gòu),

稱為三鏈辮狀DNA2)三鏈DNA的結(jié)構(gòu)類型

a.嘧啶—嘌呤—嘧啶型

5’TCTCTCTCTCTCTCTCTC3’

嘧啶

++++++++++++++++++5’AGAGAGAGAGAGAGAGAG3’

嘌呤

..................3’TCTCTCTCTCTCTCTCTC5’

嘧啶

第51頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

b.嘌呤—嘌呤—嘧啶型

3’AGAGAGAGAGAGAGAG5’

嘌呤

︱︱︱︱︱︱︱︱︱5’AGAGAGAGAGAGAGAG3’

嘌呤

................3’TCTCTCTCTCTCTCTCTC5’

嘧啶第52頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第53頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第54頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第55頁,共125頁，2024年2月25日，星期天三螺旋DNA第56頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第57頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第58頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第59頁,共125頁，2024年2月25日，星期天線狀DNA形成的超螺旋第60頁,共125頁，2024年2月25日，星期天環(huán)狀DNA形成的超螺旋第61頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

3、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

1）超螺旋：指由于共價(jià)閉合環(huán)狀或著由于DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合使其末端不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)而在雙螺旋基礎(chǔ)上的進(jìn)一步扭曲。負(fù)超螺旋：雙螺旋的DNA分子進(jìn)一步松弛所產(chǎn)生的螺旋，是環(huán)狀和線狀DNA的天然存在狀態(tài)。正超螺旋：在體外由于藥物的插入而使雙螺旋的DNA分子進(jìn)一步緊張產(chǎn)生的螺旋

第62頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第63頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

2）超螺旋狀態(tài)的定量描述：LK=Tw+Wr

LK拓?fù)洵h(huán)繞數(shù)：指在DNA分子中一條鏈繞另一條鏈的次數(shù),右手螺旋時(shí)為正值，左手螺旋時(shí)為負(fù)值。等于兩條鏈交叉點(diǎn)數(shù)的一半。又叫連接數(shù)。

Tw雙螺旋的圈數(shù)：又叫雙鏈環(huán)繞數(shù)，全繞率，扭轉(zhuǎn)數(shù)。指雙鏈DNA環(huán)繞螺旋軸旋轉(zhuǎn)的周數(shù)。右手螺旋時(shí)為正值，左手螺旋時(shí)為負(fù)值。沒有外加應(yīng)力時(shí)，

LK=Tw,此時(shí)，DNA成一平環(huán)狀二級(jí)結(jié)構(gòu)第64頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

Wr超螺旋數(shù)：指把二級(jí)結(jié)構(gòu)的DNA擰松或擰緊所產(chǎn)

生的負(fù)超螺旋數(shù)或正超螺旋數(shù)。

假定420對核苷酸的松弛環(huán)狀DNA時(shí)

拓?fù)洵h(huán)繞數(shù)（LK）

=42

雙螺旋的圈數(shù)（Tw）

=42

超螺旋數(shù)（Wr

）=0

LK=Tw

+

Wr

=42+0=42

假定420對核苷酸的松弛環(huán)狀DNA時(shí)再向右擰緊6圈，則產(chǎn)生6個(gè)正超螺旋第65頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

拓?fù)洵h(huán)繞數(shù)（LK）=？雙螺旋的圈數(shù)（Tw）=42

超螺旋數(shù)（Wr

）=+6

LK

=Wr+Tw

=42+（+6）=48420對核苷酸的松弛環(huán)狀DNA向左擰松6圈產(chǎn)生6個(gè)負(fù)超螺旋，此時(shí)，產(chǎn)生6個(gè)負(fù)超螺旋

LK=？

Tw=42

Wr

=﹣6

LK=Tw+Wr=42+(﹣6)=36

第66頁,共125頁，2024年2月25日，星期天3）超螺旋的酶學(xué)控制

拓?fù)洚悩?gòu)酶的生物學(xué)功能：恢復(fù)有一些細(xì)胞過程中產(chǎn)生的DNA超螺旋防止細(xì)胞的DNA過度超螺旋去連環(huán)作用,解開纏繞的DNA雙螺旋參與染色體的凝縮過程由于酶的作用會(huì)使環(huán)狀DNA的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，超螺旋時(shí)電泳遷移率最快，線形時(shí)較快，開換時(shí)最慢，因此，可以根據(jù)電泳帶判斷DNA的狀態(tài)。第67頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ

僅一類兩類：旋轉(zhuǎn)酶拆分酶不需能量需能量去掉負(fù)超螺旋引入負(fù)超螺旋催化單鏈斷裂重接催化雙鏈的斷裂與重接不能解正螺旋能解正螺旋開環(huán)雙螺旋線形雙螺旋

閉環(huán)雙螺旋

第68頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

4、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)指在三級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步纏繞形成的結(jié)構(gòu)。

例如:∮X174噬菌體,又叫侏儒病毒,直徑僅僅250

埃,有5386個(gè)核苷酸組成單鏈DNA,5386×3.4=18312埃。壓縮

18312÷3.14=5831,5831÷250=23(倍).

被壓縮3.14×23=72(倍)才被包裝的

例如:大腸桿菌細(xì)胞約2微米長,既2000埃.它的雙鏈環(huán)狀DNA由4.2×106

bp組成,長度為

4200000×3.4=14280000埃,形成環(huán)狀后,直徑

第69頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

直徑4547770埃,此環(huán)狀DNA經(jīng)過壓縮2274倍才被包裝起來例如:人的一個(gè)細(xì)胞中的DNA總量是6×109bp，即

6×109bp×3.4埃=2米,人細(xì)胞僅有20－30

微米大，最小的精細(xì)胞僅5微米，細(xì)胞核則更小，因此，DNA必須進(jìn)一步纏繞壓縮才能包裝在一個(gè)細(xì)胞核中例如:一個(gè)人的個(gè)體約有一百萬億個(gè)細(xì)胞，DNA的總重量是690克，0.5克DNA可饒地球轉(zhuǎn)一圈，因此，一個(gè)人的DNA可以饒地球轉(zhuǎn)幾百個(gè)來回，也是經(jīng)過壓縮才被包裝在一個(gè)人身體上的。第70頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第71頁,共125頁，2024年2月25日，星期天原核生物的染色體結(jié)構(gòu)大腸桿菌的染色體特點(diǎn)：閉環(huán)DNA，長度約4.6Mb，集中分布在成為“擬核”（nucleoid）的區(qū)域內(nèi)，在正常生長情況下DNA保持連續(xù)復(fù)制第72頁,共125頁，2024年2月25日，星期天BacterialDNAiscompactedinastructurecalledthenucleoid,whichoccupiesalargefractionofthebacterialcell'svolume(Fig.23-31).

第73頁,共125頁，2024年2月25日，星期天DNA結(jié)構(gòu)域?qū)⒋竽c桿菌DNA與大多數(shù)結(jié)合蛋白分離開來，可觀察到由50－100個(gè)環(huán)或結(jié)構(gòu)域組成，這些環(huán)或結(jié)構(gòu)域的末端被與細(xì)胞膜部分連接的蛋白質(zhì)而固定第74頁,共125頁，2024年2月25日，星期天基因組超螺旋電鏡結(jié)構(gòu)顯示，就整體而言，大腸桿菌的基因組是由大量超螺旋的結(jié)構(gòu)域構(gòu)成的第75頁,共125頁，2024年2月25日，星期天DNA結(jié)合蛋白原核生物的染色體中環(huán)型的DNA由于大量的DNA結(jié)合蛋白相互作用而進(jìn)一步受到束縛，這些蛋白中以HU蛋白以及一種分子量較小的堿性二聚體蛋白為主；第76頁,共125頁，2024年2月25日，星期天真核染色質(zhì)結(jié)構(gòu)染色質(zhì)組蛋白核小體H1的功能連接DNA纖絲高級(jí)結(jié)構(gòu)第77頁,共125頁，2024年2月25日，星期天在染色質(zhì)中蛋白質(zhì)組分占染色質(zhì)質(zhì)量的50％以上在細(xì)胞周期的不同時(shí)段中，染色質(zhì)具有不同的組構(gòu)水平第78頁,共125頁，2024年2月25日，星期天組蛋白（histone）真核生物染色質(zhì)中的蛋白質(zhì)主要是組蛋白分類核心組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）H1組成帶有大量的正電荷—可與帶負(fù)電的DNA緊密結(jié)合20％－30％由賴氨酸和精氨酸（堿性氨基酸）組成第79頁,共125頁，2024年2月25日，星期天核小體（nucleosome）核小體包含于染色質(zhì)中其結(jié)構(gòu)為：約200bp左右的DNA片段與4種組蛋白中的各2個(gè)分子構(gòu)成的八聚體（核心組蛋白）緊密結(jié)合，并與H1松散結(jié)合；這些組蛋白保護(hù)DNA免受核酸酶的作用；組蛋白的另一個(gè)作用是約束DNA的負(fù)超螺旋；如果丟失H1，核小體將變?yōu)榭剐詷O強(qiáng)的與組蛋白八聚體結(jié)合的146bp片段；第80頁,共125頁，2024年2月25日，星期天（二）染色體與染色質(zhì)染色體（chromosome）是細(xì)胞在有絲分裂時(shí)遺傳物質(zhì)存在的特定形式，是間期細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密包裝的結(jié)果。真核生物的染色體在細(xì)胞生活周期的大部分時(shí)間里都是以染色質(zhì)(chromatin)的形式存在的。染色質(zhì)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。第81頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第82頁,共125頁，2024年2月25日，星期天組蛋白的一般特性：■進(jìn)化上的保守性保守程度：H1H2A、H2BH3、H4組蛋白

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(jìn)化過程中，H4極為保守，H2A最不保守（）第83頁,共125頁，2024年2月25日，星期天■無組織特異性■肽鏈氨基酸分布的不對稱性■H5組蛋白的特殊性：富含賴氨酸（24%）■組蛋白的可修飾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

第84頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

在細(xì)胞周期特定時(shí)間可發(fā)生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修飾作用較普遍，H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。所有這些修飾作用都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即降低組蛋白所攜帶的正電荷。這些組蛋白修飾的意義：一是改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，直接影響轉(zhuǎn)錄活性；二是核小體表面發(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。組蛋白的可修飾性第85頁,共125頁，2024年2月25日，星期天核小體(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1、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(gè)組蛋白核構(gòu)成的。

第86頁,共125頁，2024年2月25日，星期天核小體的結(jié)構(gòu)由核心顆粒和連接區(qū)構(gòu)成；核心顆粒包括由8個(gè)組蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4各兩個(gè)）構(gòu)成的組蛋白核心和包繞在核心表面的DNA分子；包繞在組蛋白核心表面的DNA長146bp，環(huán)繞1?圈；連接區(qū)由DNA分子和H1組蛋白分子構(gòu)成，長度不定；第87頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第88頁,共125頁，2024年2月25日，星期天TheNucleosome146bpDNA 2XH3,H4,H2A,H2BH4H2BH2AH3第89頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第90頁,共125頁，2024年2月25日，星期天中國科學(xué)院上海生化與細(xì)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(xì)胞內(nèi)核小體與核小體核心顆粒的結(jié)構(gòu)。

第91頁,共125頁，2024年2月25日，星期天染色質(zhì)和染色體的多級(jí)結(jié)構(gòu)

由連接區(qū)將許多核心顆粒相連接構(gòu)成了染色體的一級(jí)結(jié)構(gòu)；每六個(gè)核小體盤繞成直徑30nm的螺線管，成為染色體的二級(jí)結(jié)構(gòu)（又稱微纖絲）；微纖絲經(jīng)與非組蛋白結(jié)合（堿基與核基質(zhì)中的骨架蛋白結(jié)合），把染色體DNA隔成許多含20000～100000bp長的DNA環(huán)，形成大環(huán)狀結(jié)構(gòu)，每個(gè)“環(huán)”(loops)有相對的獨(dú)立性。

此結(jié)構(gòu)再盤曲成染色單體,其長度壓縮近30萬倍。3、染色體的包裝—超螺旋結(jié)構(gòu)第92頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第93頁,共125頁，2024年2月25日，星期天6.8:140:11000:18000:1DNAdoublehelixNucleosome(10nmfiber)30nmFiberLoopsILoopsIIchromosome第94頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第95頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第96頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第97頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第98頁,共125頁，2024年2月25日，星期天染色體中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：染色單體

每一個(gè)染色體由兩條染色單體組成，同一個(gè)染色體中的兩個(gè)染色單體是由一條DNA分子鏈復(fù)制后形成的兩條子代DNA鏈所構(gòu)成，每一條染色單體中有一條DNA分子；第99頁,共125頁，2024年2月25日，星期天著絲粒（主縊痕）：

由特殊的重復(fù)DNA序列和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，是細(xì)胞有絲分裂時(shí)的重要結(jié)構(gòu)；著絲粒把染色體分為長臂和短臂；著絲粒區(qū)域的功能是使復(fù)制的染色體在有絲分裂和減數(shù)分裂中可平衡分配到子細(xì)胞中。第100頁,共125頁，2024年2月25日，星期天端粒：

由特殊的重復(fù)DNA序列和相應(yīng)的蛋白質(zhì)構(gòu)成，起著穩(wěn)定染色質(zhì)和染色體結(jié)構(gòu)的作用。第101頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第102頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第103頁,共125頁，2024年2月25日，星期天端粒的功能保持染色體的穩(wěn)定使線形DNA順利復(fù)制影響染色體的行為可能控制細(xì)胞的壽命和核骨架的組成有關(guān)第104頁,共125頁，2024年2月25日，星期天染色體功能實(shí)現(xiàn)的三要素著絲粒在染色體有絲分裂和減數(shù)分裂過程中發(fā)揮重要的作用。端粒封閉了染色體的末端并且維持了染色體的穩(wěn)定性。復(fù)制起點(diǎn)是DNA復(fù)制起始和染色體數(shù)目的維持所必需的。第105頁,共125頁，2024年2月25日，星期天酵母人工染色體（YAC）的構(gòu)建第106頁,共125頁，2024年2月25日，星期天第107頁,共125頁，2024年2月25日，星期天上海第二軍醫(yī)大碩士研究生入學(xué)考試試題：基因組的特點(diǎn)（真核、原核比較）（五）原核生物和真核生物基因組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較

第108頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

基因的概念基因的概念是不斷發(fā)展的。Mendel遺傳因子inheritedfactor1909丹麥人Johnson用gene取代了Mendel的inheritedfactor，一直應(yīng)用至今。順反子（cistron）：即結(jié)構(gòu)基因，為決定一條多肽鏈合成的功能單位第109頁,共125頁，2024年2月25日，星期天經(jīng)典遺傳學(xué)關(guān)于基因的概念1、基因是不連續(xù)的顆粒狀因子，在Chr上有固定的位置，呈直線排列，具有相對的穩(wěn)定性。2、基因作為一個(gè)功能單位控制性狀的表達(dá)。3、基因以整體進(jìn)行突變，是突變的最小單位。4、基因在交換中不再被分割，是重組的最小單位5、基因能自我復(fù)制，在有機(jī)體內(nèi)通過有絲分裂有規(guī)律地傳遞，在上下代之間能通過減數(shù)分裂和受精作用有規(guī)律地傳遞。第110頁,共125頁，2024年2月25日，星期天

突變單位交換單位基因既是一個(gè)結(jié)構(gòu)單位，又是一個(gè)功能單位基因是什么物質(zhì)構(gòu)成的，基因的本質(zhì)是什么，經(jīng)典遺傳學(xué)無法回答這個(gè)問題。結(jié)構(gòu)單位第111頁,共125頁，2024年2月25日，星期天分子生物學(xué)關(guān)于基因的概念

1、基因就是核酸分子上編碼一定產(chǎn)物的一段核苷酸序列2、每一個(gè)基因都攜帶有特殊的遺傳信息，這些遺傳信息：mRNA、rRNA、tRNA或小RNA；

遺傳物質(zhì)核酸（DNA或RNA）一定排列順序的核苷酸第112頁,共125頁，2024年2月25日，星期天基因在結(jié)構(gòu)上還可以劃分為若干個(gè)小單位。①突變單位（突變子muton）：