《分子生物学》课程教学课件（讲稿）第二章 染色体与DNA（染色体和DNA结构）

2019/2/26想一想■染色体：形态？第二章染色体与DNA结构成分？结构？一级、二级和高级结构？I第一节染色体染色质5i1.常染色质：密度较低，能表达2.异染色质：密度较高，不表达Coo f-（潜丝粒、增粒）福Compaction ratio-8000压缩7倍压缩5倍压缩6倍压缩40倍DNA染色单体状线管小仔H2A H2B H3 H4H1 (H5)LinkerHIH2ADNACaricle:H1histDNANucleosom■H1起稳定染色质结构的作用O

2019/2/26 1 一级、二级和高级结构？ 第二章染色体与DNA结构  染色体: 形态？ 成分？ 结构？ 想一想 3 第一节 染色体 染色质 Compaction ratio = 8000 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍 DNA———核小体——螺线管———环状螺线管———染色单体 1.常染色质：密度较低，能表达 2.异染色质：密度较高，不表达 （着丝粒、端粒） 5 H2A H2B H3 H4 H1 (H5) 6  H1起稳定染色质结构的作用

2019/2/26级结构主要实验证据想一想用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分■组蛋白和非组蛋白的不同？酶解片段分析结果位置电泳得到一系列片段，是200bp的倍数。数量种类电镜中10nm的颗粒长度为200bp。结构功能-！组蛋白的特点非组蛋白特点■进化上极端保守保守性：H3和H4>H2A>H2B>H1■数量相对较少是组蛋白总量的60-70%■基本没有物种和组织特异性■种类多鸟类、鱼类和两栖类带有H5DNA、RNA聚合酶、细胞分裂相关的收缩蛋白、骨架蛋白、精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌■肽链上氨基酸分布的不对称蛋白等。N端：较多碱性氨基酸>带正电，与DNA结合*高迁移率蛋白（HMG）：分子量小C端：较多疏水基团》与其他蛋白结合*DNA结合蛋白·修饰（在特定时间和位点）：与基因表达调控有关■多种功能参与DNA分子折叠、染色质高级结构的形成、甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化。DNA复制和基因表达的调控。■H5富含高含Lys。较多Ala、Ser和Arg，与H1无亲缘关系碱基的环状结构第二节DNA的结构想一想2>一级、二级、高级结构是什么样的？噪岭Purines>你能写出四种脱氧核苷酸的结构式吗？嘧啶Pyrimidines2

2019/2/26 2 7 一级结构主要实验证据 ◆用非特异性微球菌核酸酶消化染色质，部分 酶解片段分析结果 电泳得到一系列片段，是200bp的倍数。 电镜中10nm的颗粒长度为200bp。  组蛋白和非组蛋白的不同？ 位置 数量 种类 结构 功能 想一想 9 组蛋白的特点  进化上极端保守 保守性：H3和H4>H2A>H2B>H1  基本没有物种和组织特异性 鸟类、鱼类和两栖类带有H5 精细胞染色体的组蛋白是鱼精蛋白  肽链上氨基酸分布的不对称 N端：较多碱性氨基酸 C端：较多疏水基团  修饰（在特定时间和位点）： 与基因表达调控有关 甲基化、乙酰化、磷酸化和ADP核糖基化。  H5富含富含Lys 较多Ala、Ser和Arg，与H1无亲缘关系  带正电荷，与DNA结合  与其他蛋白结合 10 非组蛋白特点  数量相对较少 是组蛋白总量的60-70%  种类多 DNA、RNA聚合酶、细胞分裂相关的收缩蛋白、骨架蛋白、 核孔复合物蛋白以及肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、原肌 蛋白等。 *高迁移率蛋白（HMG) ：分子量小 *DNA结合蛋白  多种功能 参与DNA分子折叠、染色质高级结构的形成、 DNA复制和基因表达的调控。 第二节 DNA的结构 一级、二级、高级结构是什么样的？ 你能写出四种脱氧核苷酸的结构式吗？ 想一想 碱基的环状结构 嘧啶Pyrimidines 嘌呤Purines

2019/2/26含氨碱基核糖NHNitrogenous basesH-NGC-H嘧啶Pyrimidines0C2(b)HOCHOHHOCH2ThumUracil (U)CvtoeITNH嘌岭PurinesHN,6hcH,N-CAs4脱氧核糖OHOHAdenineGuanine2-Deoxy(A)核苷（nucleotide）核苷酸（nucleotideacid）0NHHOP-OHNHOH磷酸分子HOCIYH>HODeoxyadenosinOH OH(A nuolcoside)HO核糖1'位C原于其中a和β、B和之间是高能碑晚健精苷键常火的1位N承子或费降的9位N原于Deoxynucleotides磷酸二酯键OHNO-这两个分子分别是什么？OHOH3

2019/2/26 3 嘧啶Pyrimidines 嘌呤Purines ☉ 含氮碱基 Nitrogenous bases H Uracil (U) 核糖 脱氧核糖 核糖 核苷（nucleotide） 核糖1’位C原子 嘧啶的1位N原子或嘌呤的9位N原子 糖苷键 1’ 9 OH 核苷酸（nucleotide acid） 其中α和β、β和γ之间是高能磷酸键 γ β α 磷酸分子 Deoxynucleotides 这两个分子分别是什么？ 磷酸二酯键

2019/2/26核酸单链oCT.OA-C-T-G.二、DNA分子的一级结构(DNA sequence)1、多聚核苦映健由35碑歌二喻键速换总结一下！默认书写顺序5-32、主健是毒水的，谢链（或基）是脆水的继定的构象Nn双螺旋棋型内容三、DNA的二级结构主链1953.Watsosn &Crick Double反向平行helixModel提出碱基互补直径螺距每圈核苷酸（碱基）数两碱基之间的垂直距高螺旋转角34nYT大沟和小沟右手、B-DNA

2019/2/26 4 核酸单链 总结一下！ 二、DNA分子的一级结构 (DNA sequence) 1、 多聚核苷酸链 由3’,5’磷酸二酯键连接 默认书写顺序5‘→3’ 3’ 5’ 2、主链是亲水的， 侧链（碱基）是疏水的 -稳定的构象 三、DNA的二级结构 • 1953. Watsosn & Crick Double helix Model提出 右手、 B- DNA 直径 螺距 每圈核苷酸(碱基）数 大沟和小沟 两碱基之间的垂直距离 螺旋转角 双螺旋模型内容 反向平行 主链 碱基互补 2nm 36度

2019/2/26甲大沟中城基差异象易识制，植独是蛋由质因子站合格异DAN序列的位点“大、小沟的差异田小烟对体现的信息献力Major grooveMajorgrooveDNA和RNA哪个更稳定？NMinorgrooveMinor grooveAdenine: ThymineGuanine:Cytosine-二级结构的多态性脱瓶核糖一-DNA机共稳走的根本原图DNA在高PH值财碑晚响健率常秘定B-DNA：一定湿度下（92%）得到的DNA钠盐纤维RNA在高PH时则糖定性很差，由于2°-OH导致的水解A-DNA：见于DNA-RAN杂合双链或RNA-RNA双链NZ-DNA：左手爆旋原因：含有许多可转动的单键环式单按音费磷酸二酯键的两个P-0键、糖苷键、戊糖环各个键#由的5-0F具有不同的生物活性RDNAB702010.5 residues/turn11 residues/turn12 residues/turndiameter 20ABEhEAdiameter18ABase Inclination Handednesspitch3.4nmpitch 4.5nm5

2019/2/26 5 ◘ 大、小沟的差异 ⊕ 大沟中碱基差异容易识别 ，往往是蛋 白质因子结合特异DAN序列的位点 ⊕ 小沟相对体现的信息较少 DNA和RNA哪个更稳定？ 脱氧核糖-DNA极其稳定的根本原因 DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定 RNA 在高pH时则稳定性很差，由于2‘－OH导致的水解 OH 自由的 5’-OH 2’, 3’-环式单核苷酸 碱 二级结构的多态性 B-DNA ：一定湿度下（92％）得到的DNA钠盐纤维 A-DNA ：见于DNA-RAN杂合双链或RNA-RNA双链 Z-DNA：左手螺旋 具有不同的生物活性 原因：含有许多可转动的单键 磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各个键 DNA B helix 0 º 10.5 residues/turn diameter 20A pitch 3.4nm DNA Z helix 7 º 12 residues/turn diameter 18A pitch 4.5nm DNA A helix 20 º 11 residues/turn diameter 23A pitch 2.8nm A B Z Base Inclination Handedness

2019/2/26B想一想>为什么DNA形成双螺旋？>给双螺旋DNA紧缠几圈或松维几圈会怎么样？演示：超螺旋的产生DNA超螺旋结构（superhelixsupercoil)双螺旋DNA进一步缠绕时形成的螺旋结构■双螺旋DNA是力学上稳定的结构(B-型：10bp/helix);■紧缠或松缠几圈改变螺旋数，就会在DNA分子中产生张力；■结果是在B-DNA中保留一段单链区域或者产生超螺旋1.超螺旋的类型和旋向生活中有超螺旋结构吗？左旋紧蕴overwinding、正超螺旋B-DNA(positivesupercoiled)松unwindingB-DNA负超蛳旋(Negative Supercoiled)右旋

2019/2/26 6 A B Z 2019/2/26 想一想 为什么DNA形成双螺旋？ 给双螺旋DNA紧缠几圈或松缠几圈会怎么样？ 演示：超螺旋的产生  双螺旋DNA是 力学上稳定 的结构(B-型：10 bp/ helix)；  紧缠或松缠几圈改变螺旋数，就会在DNA分 子中产生张力；  结果是在B-DNA中保留一段单链区域或者产 生超 螺旋 3 3 三、DNA 超螺旋结构（superhelix or supercoil）： 双螺旋DNA进一步缠绕时形成的螺旋结构 生活中有超螺旋结构吗？ 35 1. 超螺旋的类型和旋向 B-DNA 紧缠overwinding 正超螺旋 （positive supercoiled ） B-DNA 松缠unwinding 负超螺旋 （Negative Supercoiled ） 右旋 左旋 36

2019/2/2620个双螺旋的B-DNA，松缠或紧缠2个螺旋的结果是什么？2.怎样描述超螺旋结构？20twists of1510可用数学公式描述thehelix+CircularizeL-T+WRemove 2twists,Add2twists,then circulanizethen circularize连换敷双乐旋盘锁败脆旋蛋OUmOAE0双链DNA的交叉数1二18二双螺旋的盟数（一圈盘双螺旋在空间的盘绕数360°)Vm(W=0不发生链断裂时为常败构型不同，数健不同将型不同，数值不同整数可以是非盐败可以是非整败1=23右手娠放时L为正值右手爆能时T为正值正题为正值2负超为负值Vu3.超螺旋结构的改变超螺旋密度1)澳化乙锭（ethidiumbromide，EB），荧光染料，它=超螺旋数(V)/双螺旋数(βB)插入DNA分子碱基对之间，引起DNA分子紧旋。超能者技每一国双螺旋（10bp，360·）中出现的超螺旋数。例如：已知：SV40病事基因组DNA有5226bp，实际具有的超娜旋数W(V)=-26，求：O双螺旋数T(β）=5226/10=522.6n超螺旋密度g=-26/522.6~-0.050000o5天然DNA一般以负超螺施存在，负超爆旋密度为5%Tto/2s拓扑异构酶的生物学功能2）拓扑异构酶（Topoisomerases)，酶和酶a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋如：复制叉前面正超的消除V0转录酶前正超的消除，后面负超的产生0-9-9-@b、防止细胞DNA的过度超娠旋多种拓扑异构的作用严格控制体内负超螺旋维持在5%水平拓扑异构腺：作用于双感C连换数改变2.所以一种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的Deata nBanoa拓扑异构晚1：作用于单链连接微改变141427

2019/2/26 7 2019/2/26 L 连接数 （Linking number ） T 双螺旋盘绕数 （Twisting number ） W 超螺旋数 （Writhing number） 双链DNA的交叉数 双螺旋的圈数（一圈盘 绕360°） 双螺旋在空间的盘绕数 不发生链断裂时为常数 构型不同，数值不同 构型不同，数值不同 整数 可以是非整数 可以是非整数 右手螺旋时L为正值 右手螺旋时T为正值 右手螺旋时W取负值 即负超为负值 正超为正值 可用数学公式描述 L = T + W 2.怎样描述超螺旋结构？ T 正超为正值 负超为负值 20个双螺旋的B-DNA，松缠或紧缠2个螺旋的结果是什么？ 38 超螺旋密度σ = 超螺旋数(γ)/双螺旋数(β) 每一圈双螺旋（10bp，360。）中出现的超螺旋数。 例如：已知：SV40病毒基因组DNA有5226bp，实际具有的 超螺旋数W(γ)=-26，求： σ 双螺旋数T(β)=5226/10=522.6 超螺旋密度σ=-26/522.6≈-0.05 2019/2/26 天然DNA一般以负超螺旋存在， 负超螺旋密度为5% 3.超螺旋结构的改变 1)溴化乙锭（ethidium bromide,EB），荧光染料，它 插入DNA分子碱基对之间，引起DNA分子紧旋。 40 2）拓扑异构酶(Topoisomerases)，酶I 和酶II 拓扑异构酶II：作用于双链 连接数改变2 41 拓扑异构酶I：作用于单链 连接数改变1 拓扑异构酶的生物学功能 b、防止细胞DNA的过度超螺旋 多种拓扑异构酶的作用严格控制体内负超螺旋 维持在5%水平 所以－种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的 a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋 如：复制叉前面正超的消除 转录酶前正超的消除，后面负超的产生 42

2019/2/26不回形状的DN分子在琼脂糖中的汗移率人维铺松油型，Oc到的质彩1.天然DNA一般以5%的负超螺旋存在有什么意义？2.实验中如何检测超螺旋DNA？如果将一段1000bp的B型DNA转变成每螺距11个碱基，会产生什么样的超螺旋？L、T、W分别是多少?课后阅读指导■产生负超螺旋。1.各种核苷酸的分子结构？B型每个螺旋10对碱基，变成每螺旋11对碱基，转变后螺旋数减少，相当于松缠（松缠9个螺旋，L减2.染色体和DNA的各级结构？少）。■B型：L=100T=100W=0改变：L=91,T=91 W=0（有张力)L=91, T-100 W=9458

2019/2/26 8 2019/2/26 1.天然DNA一般以5%的负超螺旋存在有什么意义？ 2.实验中如何检测超螺旋DNA？ 如果将一段1000bp的B型DNA转变成每螺距11个碱基， 会产生什么样的超螺旋？ L、T、W分别是多少？  产生负超螺旋。 B型每个螺旋10对碱基，变成每螺旋11对碱基，转 变后螺旋数减少，相当于松缠（松缠9个螺旋，L减 少）。  B型： L=100 T=100 W=0 改变： L=91，T=91 W=0（有张力） L=91，T=100 W=-9 45 1.各种核苷酸的分子结构？ 2.染色体和DNA的各级结构？