染色体与DNA.docx

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染色体与DNA

第二章染色体与DNA

染色体（chromosome）是细胞在有丝分裂时遗传物质存在的特定形式，是间期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。

原核生物（prokaryote）：

DNA形成一系列的环状附着在非组蛋白上形成类核。

染色体由DNA和蛋白质组成。

蛋白质由非组蛋白和组蛋白（H1,H2A,H2B,H3,H4）

DNA和组蛋白构成核小体。

组蛋白的一般特性：

P24

①进化上的保守性

②无组织特异性

③肽链氨基酸分布的不对称性：

碱性氨基酸集中分布在N端的半条链上。

④组蛋白的可修饰性:

甲基化、乙基化、磷酸化及ADP核糖基化等。

⑤H5组蛋白的特殊性：

富含赖氨酸（24%）（鸟类、鱼类及两栖类红细胞染色体不含H1而带有H5）

组蛋白的可修饰性

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。

2、DNA

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（Hyperchromaticeffect）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上升，称为增色效应。

■融解温度（Meltingtemperature，Tm）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（Hypochromaticeffect）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-valueparadox）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”。

（四）核小体（nucleosome）：

用于包装染色质的结构单位，是由DNA链缠绕一个组蛋白核[（H2A、H2B、H3、H4）*2的八聚体】构成的。

1、原核生物基因组结构特点

●基因组很小，大多只有一条染色体

●结构简炼

●存在转录单元（trnascriptionaloperon）

●多顺反子（polycistron）

重叠基因由基因内基因、部分重叠基因、一个碱基重叠组成。

2、真核生物基因组结构特点

●真核基因组结构庞大3×109bp、染色质、核膜

●单顺反子

●基因不连续性断裂基因（interruptedgene）、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101～104。

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

■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。

1、DNA的一级结构：

指4种脱氧核苷酸的连接及其排列顺序，DNA序列是这一概念的简称。

碱基序列

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

●内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：

T，C：

G）。

2、DNA的二级结构：

指两条多核苷酸链反向平行盘绕所产生的双螺旋结构。

2）分类：

右手螺旋：

A-DNA，B-DNA

左手螺旋：

Z-DNA

3、DNA的高级结构：

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）

（一）DNA的半保留复制（semi-nservativereplication）

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。

3、DNA半保留复制的生物学意义：

DNA的半保留复制表明DNA在代谢上的稳定性，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：

以DNA的两条链为模板链，合成子代DNA

3、引物：

DNA的合成需要一段RNA链作为引物

4、引物合成酶（引发酶）：

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。

5、DNA聚合酶:

以DNA为模板的DNA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53

性质

聚合酶Ⅰ

聚合酶Ⅱ

聚合酶Ⅲ

3'5'外切活性

+

+

+

5'3'外切活性

+

-

-

5'3'聚合活性

+中

+很低

+很高

新生链合成

-

-

+

聚合酶Ⅰ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。

聚合酶Ⅱ修复紫外光引起的DNA损伤

聚合酶ⅢDNA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

6、DNA连接酶（1967年发现）：

若双链DNA中一条链有切口，一端是3’-OH，另一端是5’-磷酸基，连接酶可催化这两端形成磷酸二酯键，而使切口连接。

但是它不能将两条游离的DNA单链连接起来

DNA连接酶在DNA复制、损伤修复、重组等过程中起重要作用

7、DNA拓扑异构酶（DNATopisomerase）：

拓扑异构酶І：

使DNA一条链发生断裂和再连接，作用是松解负超螺旋。

主要集中在活性转录区，同转录有关。

例：

大肠杆菌中的ε蛋白

拓扑异构酶Ⅱ：

该酶能暂时性地切断和重新连接双链DNA，作用是将负超螺旋引入DNA分子。

同复制有关。

例：

大肠杆菌中的DNA旋转酶

8、DNA解螺旋酶/解链酶（DNAhelicase）：

通过水解ATP获得能量来解开双链DNA。

E.coli中的rep蛋白就是解螺旋酶，还有解螺旋酶I、II、III。

rep蛋白沿3’5’移动，而解螺旋酶I、II、III沿5’3’移动。

9、单链结合蛋白（SSBP-single-strandbindingprotein）：

稳定已被解开的DNA单链，阻止复性和保护单链不被核酸酶降解。

（三）DNA的复制过程（大肠杆菌为例）

⏹双链的解开

⏹RNA引物的合成

⏹DNA链的延伸

⏹切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段

1、双链的解开------ftju制有特定的起始位点，叫做复制原点。

ori（或o）、富含A、T的区段。

从复制原点到终点，组成一个复制单位，叫复制子

复制时，解链酶等先将DNA的一段双链解开，形成复制点，这个复制点的形状象一个叉子，故称为复制叉

双链解开、复制起始P44

大约20个DnaA蛋白在ATP的作用下与oriC处的4个9bp保守序列相结合

在HU蛋白和ATP的共同作用下,Dna复制起始复合物使3个13bp直接重复序列变性,形成开链

解链酶六体分别与单链DNA相结合（需DnaC帮助）,进一步解开DNA双链

2、RNA引物的合成

DnaB蛋白活化引物合成酶，引发RNA引物的合成。

引物长度约为几个至10个核苷酸，

3、DNA链的延伸

DNA的半不连续复制（semi-discontinuousreplication）：

DNA复制时其中一条子链的合成是连续的，而另一条子链的合成是不连续的，故称半不连续复制。

在DNA复制时，合成方向与复制叉移动的方向一致并连续合成的链为前导链；合成方向与复制叉移动的方向相反，形成许多不连续的片段，最后再连成一条完整的DNA链为滞后链。

在DNA复制过程中，前导链能连续合成，而滞后链只能是断续的合成53的多个短片段，这些不连续的小片段称为冈崎片段。

4、切除RNA引物，填补缺口，连接相邻的DNA片段（复制终止）

当复制叉遇到约22个碱基的重复性终止子序列（Ter）时，Ter-Tus蛋白复合物能使DnaB不再将DNA解链，阻挡复制叉继续前移。

P47

在DNA聚合酶Ⅰ催化下切除RNA引物；留下的空隙由DNA聚合酶Ⅰ催化合成一段DNA填补上；在DNA连接酶作用下，连接相邻的DNA链

（四）复制的几种主要方式P42

1、双链环状、θ型复制、双向等速

2、滚环型：

（1）模板链和新合成的链分开;

（2）不需RNA引物，在正链3‘－OH上延伸

（3）只有一个复制叉;

3、D环复制---单向复制的特殊方式如：

动物线粒体DNA

（五）真核生物中DNA的复制特点

1、真核生物每条染色体上有多个复制起点，多复制子（约150bp左右）；

2、复制叉移动的速度较慢（约50bp／秒），仅为原核生物的1／10。

3、真核生物染色体在全部复制完之前,各个起始点不再重新开始DNA复制；真核生物快速生长时，往往采用更多的复制起点。

4、真核生物有多种DNA聚合酶。

5、真核生物DNA复制过程中的引物及冈崎片段的长度均小于原核生物。

（真核冈崎片段长约100-200bp，原核冈崎片段长约1000-2000bp。

）

（六）原核和真核生物DNA的复制特点比较

1复制起点（ori）：

原核一个，真核多个；

2复制子：

原核一个，真核多个；

3复制子长度：

原核长；真核短；

4复制叉：

原核多个；真核多个；

5复制移动速度：

原核较快；真核较慢；

6真核生物染色体在全部完成复制前，各起始点的DNA复制不能再开始。

而在快速生长的原核生物中，复制起点上可以连续开始新的DNA复制。

7原核生物染色体的复制与细胞分裂同步，可以多次复制；真核生物染色体的复制发生在S期，是细胞分类的特定时期，而且仅此一次。

四、DNA的修复

DNA修复系统

功能

错配修复

恢复错配

碱基切除修复

切除突变的碱基

核甘酸切除修复

修复被破坏的DNA

DNA直接修复

SOS系统

修复嘧啶二体或甲基化DNA

DNA的修复，导致变异

1、错配修复（mismatchrepair）

●Dam甲基化酶使母链位于5’GATC序列中腺甘酸甲基化

●甲基化紧随在DNA复制之后进行（几秒种后至几分钟内）

●根据复制叉上DNA甲基化程度，切除尚未甲基化的子链上的错配碱基

2、碱基切除修复excisionrepair

所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核苷酸位点的糖苷水解酶，它能特意切除受损核苷酸上的N-β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。

一些碱基在自发或诱变下会发生脱酰胺，然后改变配对性质，造成氨基转换突变

*腺嘌呤变为次黄嘌呤与胞嘧啶配对

*鸟嘌呤变为黄嘌呤与胞嘧啶配对

*胞嘧啶变为尿嘧啶与腺嘌呤配对

3、核苷酸切除修复

1）通过特异的核酸内切酶识别损伤部位

2）由酶的复合物在损伤的两边切除几