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分子生物学
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2013-04-21
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分子生物学科供参考希望给大家在以后的学习生涯中带来帮助
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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。
⑤ H5 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
1
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(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上升,称为增色效应。
■融解温度(Melting temperature ,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(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) 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(trnascriptional operon)
●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
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(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 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
3
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-nservative replication)
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 5 ¢ ® 3 ¢
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
4
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Ⅲ 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
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(DNA Topisomerase):
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(DNA helicase):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-strand binding protein):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
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