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染色体与DNAWhat’sthechromosome?Chapter2OUTLINE染色体与基因组DNA中的基因DNA的结构DNA的复制原核和真核DNA复制的特点DNA的修复DNA的转座2.1染色体2.1.1染色体概述DNA和组蛋白构成核小体，核小体再绕成一个中空螺线管成为染色质丝，染色质丝与非组蛋白结合成染色体。原核生物特点：只一条染色体大多单拷贝基因2.1.2真核细胞染色体的组成真核染色体：分子结构相对稳定；能够自我复制；能指导蛋白质的合成；能够产生可遗传的变异由DNA和组蛋白组成的染色质纤维细丝是由许多核小体连成的念珠状结构。核小体是由H2A,H2B,H3,H4各两分子生成的八聚体和由大约200bpDNA组成的。另外H1在核小体的外面。1、染色质和核小体核小体和染色体原核和真核生物细胞染色体2、蛋白质：组蛋白和非组蛋白Thecorehistonesshareacommonstructuralfold染色体的结构蛋白，与DNA组成核小体。极端保守(不同物种相似)无组织特异性(鱼精蛋白)肽链上氨基酸分布的不对称性(N端分布碱性氨基酸，C端分布疏水基团)组蛋白的修饰作用(甲酰化、乙酰化、磷酸化富含赖氨酸的组蛋白H5(24%赖氨酸、16％丙氨酸、13％丝氨酸、11％精氨酸)组蛋白的特点包括：RNA聚合酶及与细胞分裂有关的收缩蛋白、骨架蛋白、核孔复合物及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌蛋白等1.HMG(highmobilitygroupprotein)，与DNA的超螺旋有关2.DNA结合蛋白(与DNA的复制或转录有关)3.A24非组蛋白，位于核小体内，功能不详非组蛋白C值：一种生物单倍体基因组DNA的总量，被称为C值(CValue)。DNA的长度是根据碱基对的多少推算出来的。高等生物的C值一般大于低等生物。C-valueparadox:在真核生物中，C值一般是随生物进化而增加的，高等生物的C值一般大于低等生物，但有时也存在低等生物C值大于高等生物C值，因此把C值和生物结构或组成的复杂性不一致的现象称为C值悖论。3、染色体上的DNA不重复序列：一个或几个拷贝，占总DNA的40-80％，大多数为结构基因。中度重复序列：重复次数在10-104之间，占总DNA的10-40％，tRNA和rRNA及少数结构基因。高度重复序列(卫星DNA)：只在真核生物中发现，占总DNA的10-60％，一般由6-100个碱基组成，在DNA链上重复成千上万次。真核生物基因组DNA①真核生物基因组庞大，一般远大于原核生物基因组②真核基因组存在大量的重复序列③真核基因组的大部分为非编码序列，占整个基因组的90%以上。④真核基因组的转录产物为单顺反子⑤真核基因是断裂基因，有内含子结构⑥真核基因组存在大量的顺式作用元件，包括启动子、增强子、沉默子等。真核生物基因组的结构特点⑦真核基因组中存在大量的DNA多态性(指DNA序列中发生变异而导致的个体间核苷酸序列的差异，包括单核苷酸多态性和串联重复序列多态性)⑧真核基因组有端粒结构(是真核生物线性基因组DNA末端的一种特殊结构，它是一段DNA序列和蛋白质形成的复合体，可以保护线性DNA的完整复制、保护染色体末端和决定细胞寿命。真核生物基因组的结构特点基因是DNA分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质的最小功能单位。基因具有3种特性：①稳定性。基因的精确自我复制，并随细胞分裂而分配给子细胞，从而保证了遗传的稳定。②决定性状发育。基因翻译成特定的蛋白质和酶。基因正是通过对酶合成的控制，以控制生物体的每一个生化过程，从而控制性状的发育。③可变性。基因可以由于细胞内外诱变因素的影响而发生突变。4、基因组DNA所包含的基因根据其是否具有转录和翻译功能分为三类：第一类是编码蛋白质的基因，它具有转录和翻译功能，包括编码酶和结构蛋白的结构基因以及编码阻遏蛋白的调节基因；第二类是只有转录功能而没有翻译功能的基因，包括tRNA基因和rRNA基因；第三类是不转录的基因，它对基因表达起调节控制作用，包括启动基因和操纵基因。基因的分类基因家族（GeneFamily）：来源相同、结构相似、功能相关的一系列基因，成串的排列在一起，形成一个家族，称为基因家族(真核生物).假基因（pseudogene）在序列上与活性基因相似，但不具有功能，不能转录或翻译成为成熟mRNA或蛋白质，或产生过早的终止的无活性肽链，或由于错误的阅读框架形成无活性的蛋白质。基因家族、假基因不连续基因由外显子和内含子组成：外显子（exon）：是成熟的mRNA或蛋白质中存在的序列。内含子（introns）：是初级转录加工产生成熟mRNA时被剪切的间隔序列。内含子存在于转录的初始产物中，在基因产物成熟或翻译之前必须被切除，切除的过程称为RNA的剪切。基因的外显子和内含子是基因组DNA中相当于成熟mRNA的5‘端到3’端碱基之间的区域。转录一般在mRNA的5端，结构基因起始位点开始，但转录的终止可能会伸展到3‘端之外，最终转录的初始产物经过剪切把3’端的一些序列切除。基因的界限扩展为：上游调控区及启动子、结构基因本身(ORF)、终止信号区、下游调控区。结构基因原核生物基因组DNA特点：结构简练，绝大部分都是编码蛋白质的序列。存在转录单元(多顺反子polycistronicmRNA)：原核生物DNA序列中功能相关的RNA和蛋白质基因，往往丛集在基因组的一个或几个特定部位，形成功能单位或转录单元，它们可被一起转录为含多个mRNA的分子。有重叠基因：一个基因完全在另外一个基因里面；部分重叠；两个基因只有一个碱基对的重叠2.1.3原核生物基因组原核与真核染色体DNA比较①原核生物中一般只有一条染色体且大都带有单拷贝基因，只有很少数基因是以多拷贝形式存在。一般以多顺反子形式存在，真核生物DNA一般以单顺反子(monocistron)存在(一种基因编码一种多肽链或RNA链，每个基因转录有各自的调节元件)。②整个染色体DNA几乎全部由功能基因与调控序列所组成；③几乎每个基因序列都与它所编码的蛋白质序列呈线性对应状态。2.2DNASTRUCTUREStructure:twopolynucleotidechainsaretwistingaroundeachotherintheformofadoublehelix.ThestructureofDNAisillustratedbyadoublehelix,withabout10nucleotidepairsperhelicalturn.Eachspiralstrand,composedofasugarphosphatebackboneandattachedbases,isconnectedtoacomplementarystrandbyhydrogenbonding(non-covalent)betweenpairedbases,adenine(A)withthymine(T)andguanine(G)withcytosine(C).2.2.1DNA的一级结构DNA的组成：磷酸、脱氧核糖、含氮碱基(腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C、胸腺嘧啶T)DNA的一级结构：是指4种核苷酸的连接及其排列顺序，表示了该DNA分子的化学结构。BasesinDNApurinespyrimidinesAdenine(A)Guanine(G)Cytosine(C)Thymine(T)N9N13’5’glycosidicbondphosphoesterbondNucleosideDNA的一级结构TheTwoChainsoftheDoubleHelixHaveComplementarySequencesExample:Ifsequence5’-ATGTC-3’ononechain,theoppositechainMUSThavethecomplementarysequence3’-TACAG-5’Watson-CrickBasePairing(Relatedtoreplicationandtranscription)Thestrictnessoftherulesfor“Waston-Crick”pairingderivesfromthecomplementaritybothofshapeandofhydrogenbondingpropertiesbetweenadenineandthymineandbetweenguanineandcytosine.A-C：incompatibilityDNA的一级结构特点DNA分子是由两条互相平行的脱氧核苷酸长链盘绕而成的；DNA分子中的脱氧核糖和磷酸交替连接，排在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧；两条链上的碱基通过氢键相结合，形成碱基对，它的组成有一定的规律：A-T,C-G2.2.2DNA的二级结构是指两条多核苷酸方向平行盘绕所生成的双螺旋结构。分为两类：右手螺旋：如A-DNA和B-DNA左手螺旋：即Z-DNAABZZ-DNAPhosphateBackboneisKinkedSchematicmodelSpace-fillingmodelB-DNA:①一条5’-3’，一条3’-5’，相互平行；②嘌呤和嘧啶碱基对层叠于双螺旋内侧，磷酸基团与脱氧核糖在外侧，通过磷酸二酯键连接形成DNA分子的骨架；③碱基平面与纵轴垂直，螺旋的轴心穿过氢键的中点；④相邻碱基对平面之间的距离为0.34nm，双螺旋的直径为2.0nm。DNA右手螺旋的几种构象①A-T丰富的DNA片段常呈B-DNA，为普遍存在的结构。②若DNA链中一条链被相应的RNA链所替换，则变构成A-DNA。(转录时)③B-DNA双链都被RNA所取代也会变构为A-DNA。DNA右手螺旋的动态平衡Z-DNA调控基因转录的两个模式：邻近调控：与调节区相邻的转录区被Z-DNA抑制，只有当Z-DNA转变为B-DNA后，转录才得以活化。远距离调控：Z-DNA可通过改变负超螺旋水平，决定聚合酶能否与模板链结合而调节转录起始活性。Z-DNA左手螺旋的研究Notetoself:DiscussforcesthataffecthelixformationWhat？维持双螺旋分子稳定性的力1.氢键2.疏水作用－碱基堆积力3.范德华力4.磷酸基的负电荷静电斥力5.碱基分子内能2.2.3DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定的空间结构。DNA高级结构的主要形式是超螺旋结构，分为负超螺旋和正超螺旋。DNAtopologyDNA超螺旋结构是如何形成的？正常DNA双螺旋多转或少转几圈，则会有空间结构的改变，在DNA分子中产生额外的张力。若此时双螺旋链的末端是自由的，可以通过链的转动释放这种张力；若双螺旋链的末端是固定的或环状分子，则形成超螺旋结构。DNAUnwindingCausesTopologicalProblems(Transcription)UnwoundParentalDuplexOver-WoundregionDNA超螺旋结构的数学公式L=T+WL：连接数，指环形DNA分子两条链间交叉的次数T：双螺旋的盘绕数W：超螺旋数LocaldisruptionofbasepairsDNATopoisomerasesThebiologicalimportanceoftopoisomerase?Thefunctionaldifferenceofthetwotypesoftopoisomerases?Theworkingmechanismoftopoisomerase？DNATopoisomerases是催化DNA拓扑学异构体相互转变的酶的总称。在闭环状双链DNA的拓扑学转变中，要暂时的将DNA的一个链或两个链切断，根据异构体化的方式而分为二个型。切断一个链而改变拓扑结构的称为Ⅰ型拓扑异构酶(topoisomeraseⅠ)，通过切断二个链来进行的称为Ⅱ型拓扑异构酶(topoisomeraseⅡ)。QuestionsofThi