染色体和DNA02.ppt
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1、第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,一、染色体(Chromosome),内容提要: 细胞周期 cell cycle 染色体与染色质 chromatin 染色体的结构和组成( 原核生物 、 真核生物) 核小体 原核生物和真核生物基因组结构特点比较,prokaryote,Eukaryote,nucleosome,(一)细胞周期,(二)染色体与染色质,染色体(chromosome)是细胞在有丝分裂(mitosis)时遗传物质存在的特定形式,是间期(interphase)细胞染色质结构紧密包装的结果。 真核生物的染色体在细胞生活周期的大部分时间里都是
2、以染色质(chromatin)的形式存在的。 染色质是一种纤维状结构,叫做染色质丝,它是由最基本的单位核小体(nucleosome)成串排列而成的。,(三)染色体的结构和组成,原核生物(prokaryote),DNA与非组蛋白结合,真核生物染色体的组成,呈酸性,因此也称酸性蛋白质或残余蛋白质,有核的红细胞或个别生物体中,还存在特别的组蛋白成分,红细胞中为H5,鲑鱼组织中为H6,组蛋白的一般特性: 进化上的保守性 保守程度:H1 H2A、H2B H3 、H4,1、组蛋白,上海生化所分子遗传学1998年试题: 在真核生物核内。五种组蛋白(H1 H2A H2B H3 和H4)在进化过程中,H4极为保
3、守,H2A最不保守( ),X,无组织特异性 肽链氨基酸分布的不对称性 H5组蛋白的特殊性:富含赖氨酸(24%) 组蛋白的可修饰性,含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多,二者加起来约为所有氨基酸残基的1/4,不同生物的H1序列变化较大,在某些组织中,H1被特殊的组蛋白所代替。如成熟的两栖类、鱼类和鸟类的红细胞中H1则被H5所替代或补充,简述真核生物染色体上组蛋白的种类,组蛋白修饰的种类及其生物学意义 中国科学院2003年硕士研究生入学生物化学与分子生物学试题,在细胞周期特定时间可发生甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化等。H3、H4修饰作用较普遍,H2B有乙酰化作用、H1有磷酸化作用。,所有这些
4、修饰作用都有一个共同的特点,即降低组蛋白所携带的正电荷。这些组蛋白修饰的意义:一是改变染色体的结构,直接影响转录活性;二是核小体表面发生改变,使其他调控蛋白易于和染色质相互接触,从而间接影响转录活性。,组蛋白的可修饰性,1) DNA的变性和复性 变性(Denaturation) DNA双链的氢键断裂,最后完全变成单链的过程称为变性。 增色效应(Hyperchromatic effect) 在变性过程中,260nm紫外线吸收值先缓慢上升,当达到某一温度时骤然(指数式)上升,称为增色效应。,2、DNA,Renaturation,Hypo-低,融解温度(Melting temperature Tm
5、) 变性过程紫外线吸收值增加的中点称为融解温度。 生理条件下为85-95 影响因素:G+C含量,pH值,离子强度,尿素,甲酰胺等,复性(Renaturation) 热变性的DNA缓慢冷却,单链恢复成双链。 减色效应(Hypochromatic effect) 随着DNA的复性, 260nm紫外线吸收值降低的现象。,2) C值反常现象(C-value paradox/ enigma) C值是一种生物的单倍体基因组DNA的总量。 真核细胞基因组的最大特点是它含有大量的重复序列,而且功能DNA序列大多被不编码蛋白质的非功能DNA所隔开,这就是著名的“C值反常现象”。,C值矛盾,1,2,简述DNA的C
6、值以及C值矛盾(C Value paradox). 中科院上海生化所 98 年 上海第二军医大: C值矛盾,(四)核小体(nucleosome),Nucleosome、chromosome、genome 中科院2002年硕士学位研究生入学分子遗传学试题,1、定义:用于包装染色质的结构单位,是由DNA链缠绕一个组蛋白核构成的。,2、核小体的结构,核心颗粒、连接区DNA,用核酸酶消解,高浓度盐解聚,中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试: 简述真核细胞内核小体与核小体核心颗粒的结构。,3、染色体的包装超螺旋结构,6.8:1,40:1,1000:1,8000:1,DNA
7、 double helix,Nucleosome (10 nm fiber),30 nm Fiber,Loops I,Loops II,chromosome,人细胞核的直径为6-7m,人染色体的DNA分子平均长度为4cm,上海第二军医大硕士研究生入学考试试题: 基因组的特点(真核、原核比较 ),(五)原核生物和真核生物基因组结构特点比较, 基因组很小,大多只有一条染色体 结构简炼 存在转录单元(trnascriptional operon) 多顺反子(polycistron),X174 D-E-J-F-G-H mRNA 蛋白J、F、G H D E,E.coli 色氨酸操纵子 9个顺反子 9个酶
8、 ( 第六章 ),1、原核生物基因组结构特点,操纵子,受控制区调控的一组基因, 有重叠基因(Sanger 发现) 基因内基因 部分重叠基因 一个碱基重叠,2、真核生物基因组结构特点,真核基因组结构庞大 3109bp、染色质、核膜 单顺反子 基因不连续性 断裂基因(interrupted gene)、内含子(intron)、 外显子(exon) 非编码区较多 多于编码序列(9:1) 含有大量重复序列, 不重复序列/单一序列:在基因组中有一个或几个拷贝。真核生物的大多数基因在单倍体中都是单拷贝的。如:蛋清蛋白、血红蛋白等 功能:主要是编码蛋白质。 中度重复序列:在基因组中的拷贝数为101104。
9、如:rRNA、tRNA 一般是不编码蛋白质的序列,在调控基因表达中起重要作用,根据 DNA复性动力学研究,DNA序列可以分成哪几种类型?并加以举例说明。(2001年上海生化所), 高度重复序列:拷贝数达到几百个到几百万个。 卫星DNA:A T含量很高的简单高度重复序列。,第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转座,二、DNA的结构,1) 概念 指4种脱氧核苷酸(A/T/G/C)的连接及其排列顺序, DNA序列是这一概念的简称。也称碱基序列。,1、 DNA的一级结构,2)特征: 双链反向平行配对而成 脱氧核糖和磷酸交替连接,构成DNA骨架,碱基排在内侧
10、 内侧碱基通过氢键互补形成碱基对(A:T,C:G)。,Nucleotide 核苷酸 Nucleoside 核苷 Nucleobase 碱基 ribose 核糖,嘌呤,嘧啶,3)DNA结构的表示法,2、DNA 的二级结构,1)定义:指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。,DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽(沟,groove),宽的沟称为大沟,窄沟称为小沟。大 、小沟都是由于碱基对堆积和核糖-磷酸骨架扭转造成的。,DNA双螺旋模型是哪年由谁提出的?简述其基本内容.为什么说该模型的提出是分子生物学发展史上的里程碑,具有划时代的贡献? 浙江大学医学院2003生物化学(硕士),2)分类: 右手螺旋
11、:A-DNA(脱水的DNA样本或DNA与RNA混合配对时出现) B-DNA(最普遍) 左手螺旋:Z-DNA(局部),A,B,Z,A,B,Z,3、DNA的高级结构,1)定义:指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。是一种比双螺旋更高层次的空间构象。 2)主要形式:超螺旋结构(正超螺旋和负超螺旋),线状DNA形成的超螺旋,环状DNA形成的超螺旋,拓扑异构酶 or溴化乙锭,拓扑异构酶 or溴化乙锭,DNA扭曲与双螺 旋相同(拧紧),DNA扭曲与双螺旋相反(松开),负超螺旋,松弛DNA,正超螺旋,向左,向右,第二章 染色体与DNA,染色体 DNA的结构 DNA的复制 DNA的修复 DNA的转
12、座,三、DNA的复制,内容提要: DNA的半保留复制 与DNA复制有关的物质 DNA的复制过程(大肠杆菌为例) DNA复制的其它方式 真核生物中DNA的复制特点,1、定义:由亲代DNA生成子代DNA时,每个新形成的子代DNA中,一条链来自亲代DNA,而另一条链则是新合成的,这种复制方式称半保留复制。,(一)DNA的半保留复制(semi-conservative replication),Semi-conservative Conservative Dispersive,中国科学院上海生化与细胞所2002年招收硕士研究生分子遗传学入学考试: 请设计一个实验来证明DNA复制是以半保留方式进行的(8
13、分)。,将大肠杆菌放在含有15N标记的NH4Cl培养基中繁殖了15代,使所有的大肠杆菌DNA被15N所标记,可以得到15N-DNA。然后将细菌转移到含有14N标记的NH4Cl培养基中进行培养,在培养不同代数时,收集细菌,裂解细胞,用氯化铯(CsCl)密度梯度离心法观察DNA所处的位置。由于15N-DNA的密度比普通DNA(14NDNA)的密度大,在氯化铯密度梯度离心(density gradient centrifugation)时,两种密度不同的DNA分布在不同的区带。,2、实验证据(1958 Meselson 和Stahl ):,Matthew Messelson Franklin Sta
14、hl,3、DNA半保留复制的生物学意义:,DNA的半保留复制表明DNA在遗传上的稳定性,保证亲代的遗传信息稳定地传递给后代。,(二)与DNA复制有关的物质,1、原料:四种脱氧核苷三磷酸(dATP、dGTP、 dCTP、dTTP) 2、模板(template):以DNA的两条链为模板链,合成子代DNA 3、引物(primer):DNA的合成需要一段RNA链作为引物 4、引物合成酶(引发酶primerase):此酶以DNA为模板合成一段RNA,这段RNA作为合成DNA的引物(Primer)。实质是以DNA为模板的RNA聚合酶。,自组装,5、 DNA聚合酶(polymerase):以DNA为模板的D
15、NA合成酶 以四种脱氧核苷酸三磷酸为底物 反应需要有模板的指导 反应需要有3-OH存在 DNA链的合成方向为5 3 ,主要是对DNA损伤的修复;以及在DNA复制时切除RNA引物并填补其留下的空隙。,修复紫外光引起的DNA损伤,DNA 复制的主要 聚合酶,还具有3-5 外切酶的校对功能,提高DNA复制的保真性,原核生物中的DNA聚合酶(大肠杆菌), 定位 细胞核 细胞核 线粒体 细胞核 细胞核 3-5 外切 - - + + + 酶活性 功能,引物 合成,修复 作用,线粒体DNA 的复制,核DNA 的复制,?,真核生物中的DNA聚合酶,6、DNA连接酶(1967年发现):若双链DNA中一条链有切口
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