第一篇：DNA與染色體

第一章 核酸的化學組成與共價結構

一、 核酸的化學組成

（一）堿基（Bases）：嘧啶堿和嘌呤堿

? ? ? ?其中每個堿基都有兩種可選的異構狀態，不過嘌呤和嘧啶環上的氮原子一般以氨基形式存在，而不是亞氨基；鳥嘌呤和胸腺嘧啶的氧原子以酮式存在，很少以烯醇式形存在。

（二）核苷（Nucleosides）：糖與堿基之間以糖苷鍵相連

? ? 核糖核苷

? ? 脫氧核糖核苷

（三）核苷酸（Nucleotides）： 核苷與磷酸合成核苷酸

? ? ? 核糖核苷酸

? ? ? 脫氧核糖核苷酸

二、核酸的共價結構

（一）DNA的一級結構：DNA分子中的核苷酸序列

? ? ? ? ? DNA分子以 3’，5’-磷酸二酯鍵相連，形成5’-末端為自由的磷酸基團5: ，3’-末端為自由的羥基的鏈狀結構

（二）DNA的二級結構

三、雙螺旋模型的特征

1、主鏈：

（1）DNA分子由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成

（2）兩條主鏈圍繞同一中心軸相互纏繞，形成雙螺旋，螺旋方向為右手螺旋

（3）糖-磷酸主鏈位于雙螺旋的外側，堿基位于雙螺旋的內側；

（4）堿基對平面與螺旋軸垂直

2、堿基配對：

? (1)堿基互補配對

3、螺旋參數：

（1）每一圈螺旋含10個堿基對

（2）雙螺旋螺距為3.4nm，上下相鄰堿基的垂直距離為0.34nm，交角為36°

（3）螺旋直徑為2nm

4、大溝和小溝

? ? ? 大溝：寬2.2nm

? ? ? 小溝 ：寬1.2nm

四、維持DNA雙螺旋的作用力

? DNA的骨架由于帶有負電荷的磷酸基團，所以在電荷沒有被中和的情況下，雙鏈之間存在不穩定因素—靜電斥力。

1、氫鍵（Hydrogen bonding）

2、堿基堆積力：堆積堿基間的疏水作用

3、其他作用因素：（1）范德華力；（2）磷酸基的負電荷斥力

五、DNA雙螺旋的多種形式

B-DNA: Watson-Crick 模型

A-DNA: 在較低的濕度下形成；RNA-RNA、RNA-DNA雜交分子具有A-DNA這種結構

Z-DNA: 左手螺旋的雙螺旋DNA，其糖-磷酸骨架呈Z字形

第二章 DNA的超螺旋結構

一、超螺旋DNA（Superhelix DNA）

1、定義：DNA雙螺旋自身盤繞而形成的空間結構

2. 功能：

（1）超螺旋DNA具有更為致密的結構，可以將很長的DNA分子壓縮到染色體中

（2）對DNA的穩定性具有十分重要的意義

3. 正超螺旋和負超螺旋

(1)? 負超螺旋（negative supercoil）：盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反

(2) 正超螺旋（positive supercoil）: 盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同

4. 超螺旋的定量描述

? White 方程：L=T+W

（1）連接數（linking number , L）DNA閉環前兩條鏈交叉的次數

（2）扭轉數（twisting number , T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋數目

（3）超螺旋數（纏繞數 , writhing number , W）雙螺旋DNA自身盤繞的次數

二、拓撲異構體（Topoisomers）

? ? ? ? 具有不同連接數的相同DNA分子

三、拓撲異構酶 (Topoisomerase)

? 能夠改變DNA連接數從而改變DNA分子超螺旋水平的酶

1、I型拓撲異構酶 :

? ? ? ?作用機制：切開環狀一條鏈，連接數改變±1，不需ATP

2、Ⅱ型拓撲異構酶:

? ? ? ?作用機制： 切開環狀兩條鏈，連接數改變±2，需要ATP

第三章 真核生物的染色體及其組裝

? 大多數真核細胞是二倍體，同一個染色體的兩個拷貝叫做同源染色體。當然也存在某些單倍體或多倍體細胞，如卵細胞和巨核細胞（一種產生血小板的細胞）。

一、染色體和染色質

1、染色質（chromatin）

? ? ? 指間期細胞核內由DNA、組蛋白、非組蛋白組成的線性復合結構, 是間期細胞遺傳物質存在的形式。

2、染色體(chromosome):

? 指細胞在有絲分裂或減數分裂過程中, 由染色質聚縮而成的棒狀結構。

3、二者關系

（1）染色質與染色體具有基本相同的化學組成，但包裝程度不同，構象不同。

（2） 染色質與染色體是在細胞周期不同的功能階段可以相互轉變的的形態結構

二、真核生物的染色質

常染色質（Euchromatin）:

? ? ? 間期細胞核中，螺旋化程度小、分散度大、淺染的染色質

? ? ? 特點：轉錄活躍

2、 異染色質(Heterochromatin）:

? ? ? 間期高度壓縮，螺旋化程度高、深染的染色質

? ? 特點：高度濃縮、 轉錄不活躍、在細胞周期中表現為晚復制(晚S期)、早凝縮

? （1）組成性異染色質（結構性異染色質）

? ? 在整個細胞周期內都處于凝聚狀態的染色質，（主要為衛星DNA，構成染色體特殊區域，如著絲粒）

（2）功能性異染色質（兼性異染色質）

? ? 指在某些特定的細胞中，或在一定的發育時期和生理條件下凝聚，由常染色質轉變而來的異染色質，如X 染色體，巴氏小體，是真核生物基因表達調控的一種途徑

三、染色體的結構（chromosome structure）

1、有絲分裂期的染色體

2、著絲粒（Centromere)

? 指中期染色單體相互聯系在一起的特殊部位,是紡錘體附著位點。

(1)功能：著絲粒指導一個精細的蛋白質復合體---動粒的形成，動粒結合微管，打動姐妹染色體分別進入不同的子細胞中。保證有絲分裂和減數分裂中復制的染色體平均分配到兩個子細胞

(2)著絲粒DNA：

? ? 特點：含大量串聯的重復序列---衛星DNA

? ? ? ? 酵母著絲粒DNA：為單一序列 (200bp)，88bp富含AT序列+兩側保守區

? ? ? ? 哺乳動物著絲粒DNA：長序列+大量的重復序列

3、端粒（Telomere）

? 是真核生物染色體末端的起保護作用的一種特殊結構

? （1）功能：保持染色體的穩定性

（2）端粒DNA：

? ? ? 特點：短串聯重復序列，人類的端粒具有5-TTAGGG-3重復序列、富含GC、形成特殊的二級結構

四、真核生物染色體和染色質的組成

? 化學組成： DNA / protein（蛋白質）

（一）蛋白質：非組蛋白、組蛋白：H2A / H2B / H3 / H4/ H1

非組蛋白

(1) HMG蛋白(High mobility group protein)

? ? ? 特點: 相對分子質量小, 在凝膠電泳中遷移速度快

? ? ? 作用: 可能與DNA的超螺旋結構有關

(2) DNA結合蛋白

(3) A24非組蛋白：位于核小體內,功能不詳

（二）組蛋白（Histones）

1、種類：核心組蛋白：H2A, H2B, H3 和 H4? ? ? 非核心組蛋白：H1

2、組蛋白的特點：

（1）分子量小（核心組蛋白：10-20 kDa ； H1 ：約23 kDa ）

（2）高度保守

（3）核心組蛋白都有一個保守的組蛋白折疊結構域

（4）堿性蛋白（20-30% Lys / Arg），帶正電荷

（5）組蛋白肽鏈上氨基酸的分布具有不對稱性，組蛋白N端尾巴

（6）核心組蛋白的可進行組蛋白修飾: 組蛋白乙酰化、組蛋白甲基化、組蛋白磷酸化

五、染色體的組裝

（一）核小體（Nucleosome）

? 1、在真核細胞中大多數DNA被包裝成核小體。核小體由8個組蛋白形成核心，147bp的DNA（核心DNA）圍繞1.65圈。核小體之間的DNA稱為連接DNA，這段沒有被包裝的DNA一般參與基因表達、復制或重組，常與調控過程的非組蛋白結合。

? 組蛋白核心是帶正電荷的小分子八聚體蛋白質（含有大量的精氨酸或賴氨酸）與骨架帶有負電荷的DNA結合。H2A、H2B、H3、H4是核心組蛋白。

特定的酶負責組蛋白的修飾，經過修飾的組蛋白尾巴能夠聚集特異性蛋白質到染色質上。、

組蛋白的變構體影響核小體的功能。

2、核小體的組裝

? 核小體組蛋白八聚體核心： (H2A /H2B / H3 / H4×2) ，146bp DNA 。

? ? ?在細胞中H3、H4結合成四聚體，先和DNA的中部和末端的小溝處結合，然后與兩個H2A、H2B組成的二聚體構成核小體。每個核心組蛋白有一個N端尾巴延伸出來。暴露的尾巴對于DNA與組蛋白八聚體的集合不是必需的，但是尾巴上有許多可供修飾的位點，可以改變核小體的功能。

? ? ? ?一旦核小體形成，DNA包裝的下一步就是與組蛋白H1結合。H1分別與核小體一端的連接DNA及核小體結合DNA的中部DNA螺旋結合，加強核小體與DNA的緊密結合，增強了對于核小體DNA的保護，可以穩定核小體進一步的高級結構—30nm纖絲，由核小體圓盤堆疊成螺旋狀構成，每圈大約有6個核小體。缺少組蛋白N端尾巴的核心組蛋白不能形成30nm纖絲。?

? ? ? ? DNA與組蛋白八聚體的相互作用是動態的，即DNA會從核小體上間歇性地釋放。在核小體重塑復合體的作用下，利用ATP水解為能量改變核小體的位置。滑動、轉移。但是某些核小體是出于特定位置的。

（二）10nm纖絲

（三） 螺線管（30nm 纖絲）

（四）突環（loop）：螺線管結合到核骨架染色體骨架上形成突環

第四章 原核生物染色體

? 典型的原核細胞的染色體只有一個完整拷貝，另外經常帶有質粒結構。

一、原核生物染色體的組成（E.coli）

1、擬核（nucleiod）

? ? DNA: 閉合環狀 （closed circular）、濃縮 （30-50 mg/ml）

2、DNA domains/loop

? ? ? ? 50-100 DNA 結構域/loop，每個 loop都保持相對獨立性 Why？

? ? ? 有兩點被結合蛋白固定在膜蛋白復合體上

第五章 核酸的性質

一、酸堿性質：

1、DNA等電點4~4.5；

2、RNA 等電點 2~2.5；

3、帶負電荷

4、在電泳過程中由負極向正極移動

二、浮力密度 (buoyant density)

三、紫外吸收：

? DNA在260nm處有最大吸收值，堿基是造成吸收的主要原因。但是當雙鏈結構變成單鏈時會使得該處的吸收值增大，稱為增色效應。 吸光度增加到最大值的一半時的溫度叫做DNA的熔點，用Tm表示。Tm值是DNA的特征常熟，很大程度上與DNA中GC含量以及溶液中的離子強度有關

四、應用：

(1) 核酸的定量

? 1mg/ml：A260 =20（dsDNA）

? 1mg/ml：A260 =25（ssDNA/RNA）

(2) DNA純度的鑒定

? A260 / A280 =1.8，pure dsDNA

? A260 / A280 =2.0，pure RNA

? ? A260 / A280 <1.0，pure protein

五、核酸的變性和復性

（一）變性 (Denaturation) ：核酸雙螺旋區的氫鍵斷裂，變成單鏈，不涉及共價鍵斷裂。

1、 堿處理 （alkali）

? ? ? DNA：酮 （keto）? ? ? 烯醇式 （enolate）→ 變性

2、 化學試劑? ? ? ? ? ? ? 尿素（Urea）， 甲酰胺（formamide）等? ? ?

3、熱變性（Thermal denaturation）

? ? （1）熔解溫度（Tm）：DNA的雙螺旋結構失去一半時對應的溫度。

? ? （2）影響DNA的Tm值的因素

? ? ? ? ? ? ① DNA均一性

? ? ? ? ? ? ? ? 均一性高，變性的溫度范圍越窄，據此可分析DNA的均一性

? ? ? ? ? ? ? ② G-C含量與Tm值成正相關

? ? ? ? ? ? ? ③ 介質中離子強度：離子強度高，Tm高

（二）復性（Renaturation）

? ? 變性DNA在適當（一般低于Tm 20-25℃）條件下，兩條鏈重新締合成雙螺旋結構。

1、影響復性的因素

（1）溫度。熱變性DNA在緩慢冷卻時可以復性，快速冷卻不能復性。

（2） DNA片段長度。DNA片段越大，復性越慢；

（3）DNA濃度。DNA濃度越大，復性越快。