第一篇：DNA与染色体
第一章 核酸的化学组成与共价结构
一、 核酸的化学组成
（一）碱基（Bases）：嘧啶碱和嘌呤碱
其中每个碱基都有两种可选的异构状态，不过嘌呤和嘧啶环上的氮原子一般以氨基形式存在，而不是亚氨基；鸟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）：糖与碱基之间以糖苷键相连
核糖核苷
脱氧核糖核苷
（三）核苷酸（Nucleotides）： 核苷与磷酸合成核苷酸
核糖核苷酸
脱氧核糖核苷酸
二、核酸的共价结构
（一）DNA的一级结构：DNA分子中的核苷酸序列
DNA分子以 3’，5’-磷酸二酯键相连，形成5’-末端为自由的磷酸基团5: ，3’-末端为自由的羟基的链状结构
（二）DNA的二级结构
三、双螺旋模型的特征
1、主链：
（1）DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成
（2）两条主链围绕同一中心轴相互缠绕，形成双螺旋，螺旋方向为右手螺旋
（3）糖-磷酸主链位于双螺旋的外侧，碱基位于双螺旋的内侧；
（4）碱基对平面与螺旋轴垂直
2、碱基配对：
(1)碱基互补配对
3、螺旋参数：
（1）每一圈螺旋含10个碱基对
（2）双螺旋螺距为3.4nm，上下相邻碱基的垂直距离为0.34nm，交角为36°
（3）螺旋直径为2nm
4、大沟和小沟
大沟：宽2.2nm
小沟 ：宽1.2nm
四、维持DNA双螺旋的作用力
DNA的骨架由于带有负电荷的磷酸基团，所以在电荷没有被中和的情况下，双链之间存在不稳定因素—静电斥力。
1、氢键（Hydrogen bonding）
2、碱基堆积力：堆积碱基间的疏水作用
3、其他作用因素：（1）范德华力；（2）磷酸基的负电荷斥力
五、DNA双螺旋的多种形式
B-DNA: Watson-Crick 模型
A-DNA: 在较低的湿度下形成；RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有A-DNA这种结构
Z-DNA: 左手螺旋的双螺旋DNA，其糖-磷酸骨架呈Z字形
第二章 DNA的超螺旋结构
一、超螺旋DNA（Superhelix DNA）
1、定义：DNA双螺旋自身盘绕而形成的空间结构
2. 功能：
（1）超螺旋DNA具有更为致密的结构，可以将很长的DNA分子压缩到染色体中
（2）对DNA的稳定性具有十分重要的意义
3. 正超螺旋和负超螺旋
(1) 负超螺旋（negative supercoil）：盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
(2) 正超螺旋（positive supercoil）: 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同
4. 超螺旋的定量描述
White 方程：L=T+W
（1）连接数（linking number , L）DNA闭环前两条链交叉的次数
（2）扭转数（twisting number , T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目
（3）超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W）双螺旋DNA自身盘绕的次数
二、拓扑异构体（Topoisomers）
具有不同连接数的相同DNA分子
三、拓扑异构酶 (Topoisomerase)
能够改变DNA连接数从而改变DNA分子超螺旋水平的酶
1、I型拓扑异构酶 :
作用机制：切开环状一条链，连接数改变±1，不需ATP
2、Ⅱ型拓扑异构酶:
作用机制： 切开环状两条链，连接数改变±2，需要ATP
第三章 真核生物的染色体及其组装
大多数真核细胞是二倍体，同一个染色体的两个拷贝叫做同源染色体。当然也存在某些单倍体或多倍体细胞，如卵细胞和巨核细胞（一种产生血小板的细胞）。
一、染色体和染色质
1、染色质（chromatin）
指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白组成的线性复合结构, 是间期细胞遗传物质存在的形式。
2、染色体(chromosome):
指细胞在有丝分裂或减数分裂过程中, 由染色质聚缩而成的棒状结构。
3、二者关系
（1）染色质与染色体具有基本相同的化学组成，但包装程度不同，构象不同。
（2） 染色质与染色体是在细胞周期不同的功能阶段可以相互转变的的形态结构
二、真核生物的染色质
常染色质（Euchromatin）:
间期细胞核中，螺旋化程度小、分散度大、浅染的染色质
特点：转录活跃
2、 异染色质(Heterochromatin）:
间期高度压缩，螺旋化程度高、深染的染色质
特点：高度浓缩、 转录不活跃、在细胞周期中表现为晚复制(晚S期)、早凝缩
（1）组成性异染色质（结构性异染色质）
在整个细胞周期内都处于凝聚状态的染色质，（主要为卫星DNA，构成染色体特殊区域，如着丝粒）
（2）功能性异染色质（兼性异染色质）
指在某些特定的细胞中，或在一定的发育时期和生理条件下凝聚，由常染色质转变而来的异染色质，如X 染色体，巴氏小体，是真核生物基因表达调控的一种途径
三、染色体的结构（chromosome structure）
1、有丝分裂期的染色体
2、着丝粒（Centromere)
指中期染色单体相互联系在一起的特殊部位,是纺锤体附着位点。
(1)功能：着丝粒指导一个精细的蛋白质复合体---动粒的形成，动粒结合微管，打动姐妹染色体分别进入不同的子细胞中。保证有丝分裂和减数分裂中复制的染色体平均分配到两个子细胞
(2)着丝粒DNA：
特点：含大量串联的重复序列---卫星DNA
酵母着丝粒DNA：为单一序列 (200bp)，88bp富含AT序列+两侧保守区
哺乳动物着丝粒DNA：长序列+大量的重复序列
3、端粒（Telomere）
是真核生物染色体末端的起保护作用的一种特殊结构
（1）功能：保持染色体的稳定性
（2）端粒DNA：
特点：短串联重复序列，人类的端粒具有5-TTAGGG-3重复序列、富含GC、形成特殊的二级结构
四、真核生物染色体和染色质的组成
化学组成： DNA / protein（蛋白质）
（一）蛋白质：非组蛋白、组蛋白：H2A / H2B / H3 / H4/ H1
非组蛋白
(1) HMG蛋白(High mobility group protein)
特点: 相对分子质量小, 在凝胶电泳中迁移速度快
作用: 可能与DNA的超螺旋结构有关
(2) DNA结合蛋白
(3) A24非组蛋白：位于核小体内,功能不详
（二）组蛋白（Histones）
1、种类：核心组蛋白：H2A, H2B, H3 和 H4 非核心组蛋白：H1
2、组蛋白的特点：
（1）分子量小（核心组蛋白：10-20 kDa ； H1 ：约23 kDa ）
（2）高度保守
（3）核心组蛋白都有一个保守的组蛋白折叠结构域
（4）碱性蛋白（20-30% Lys / Arg），带正电荷
（5）组蛋白肽链上氨基酸的分布具有不对称性，组蛋白N端尾巴
（6）核心组蛋白的可进行组蛋白修饰: 组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化、组蛋白磷酸化
五、染色体的组装
（一）核小体（Nucleosome）
1、在真核细胞中大多数DNA被包装成核小体。核小体由8个组蛋白形成核心，147bp的DNA（核心DNA）围绕1.65圈。核小体之间的DNA称为连接DNA，这段没有被包装的DNA一般参与基因表达、复制或重组，常与调控过程的非组蛋白结合。
组蛋白核心是带正电荷的小分子八聚体蛋白质（含有大量的精氨酸或赖氨酸）与骨架带有负电荷的DNA结合。H2A、H2B、H3、H4是核心组蛋白。
特定的酶负责组蛋白的修饰，经过修饰的组蛋白尾巴能够聚集特异性蛋白质到染色质上。、
组蛋白的变构体影响核小体的功能。
2、核小体的组装
核小体组蛋白八聚体核心： (H2A /H2B / H3 / H4×2) ，146bp DNA 。
在细胞中H3、H4结合成四聚体，先和DNA的中部和末端的小沟处结合，然后与两个H2A、H2B组成的二聚体构成核小体。每个核心组蛋白有一个N端尾巴延伸出来。暴露的尾巴对于DNA与组蛋白八聚体的集合不是必需的，但是尾巴上有许多可供修饰的位点，可以改变核小体的功能。
一旦核小体形成，DNA包装的下一步就是与组蛋白H1结合。H1分别与核小体一端的连接DNA及核小体结合DNA的中部DNA螺旋结合，加强核小体与DNA的紧密结合，增强了对于核小体DNA的保护，可以稳定核小体进一步的高级结构—30nm纤丝，由核小体圆盘堆叠成螺旋状构成，每圈大约有6个核小体。缺少组蛋白N端尾巴的核心组蛋白不能形成30nm纤丝。
DNA与组蛋白八聚体的相互作用是动态的，即DNA会从核小体上间歇性地释放。在核小体重塑复合体的作用下，利用ATP水解为能量改变核小体的位置。滑动、转移。但是某些核小体是出于特定位置的。
（二）10nm纤丝
（三） 螺线管（30nm 纤丝）
（四）突环（loop）：螺线管结合到核骨架染色体骨架上形成突环
第四章 原核生物染色体
典型的原核细胞的染色体只有一个完整拷贝，另外经常带有质粒结构。
一、原核生物染色体的组成（E.coli）
1、拟核（nucleiod）
DNA: 闭合环状 （closed circular）、浓缩 （30-50 mg/ml）
2、DNA domains/loop
50-100 DNA 结构域/loop，每个 loop都保持相对独立性 Why？
有两点被结合蛋白固定在膜蛋白复合体上
第五章 核酸的性质
一、酸碱性质：
1、DNA等电点4~4.5；
2、RNA 等电点 2~2.5；
3、带负电荷
4、在电泳过程中由负极向正极移动
二、浮力密度 (buoyant density)
三、紫外吸收：
DNA在260nm处有最大吸收值，碱基是造成吸收的主要原因。但是当双链结构变成单链时会使得该处的吸收值增大，称为增色效应。 吸光度增加到最大值的一半时的温度叫做DNA的熔点，用Tm表示。Tm值是DNA的特征常熟，很大程度上与DNA中GC含量以及溶液中的离子强度有关
四、应用：
(1) 核酸的定量
1mg/ml：A260 =20（dsDNA）
1mg/ml：A260 =25（ssDNA/RNA）
(2) DNA纯度的鉴定
A260 / A280 =1.8，pure dsDNA
A260 / A280 =2.0，pure RNA
A260 / A280 <1.0，pure protein
五、核酸的变性和复性
（一）变性 (Denaturation) ：核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链，不涉及共价键断裂。
1、 碱处理 （alkali）
DNA：酮 （keto） 烯醇式 （enolate）→ 变性
2、 化学试剂 尿素（Urea）， 甲酰胺（formamide）等
3、热变性（Thermal denaturation）
（1）熔解温度（Tm）：DNA的双螺旋结构失去一半时对应的温度。
（2）影响DNA的Tm值的因素
① DNA均一性
均一性高，变性的温度范围越窄，据此可分析DNA的均一性
② G-C含量与Tm值成正相关
③ 介质中离子强度：离子强度高，Tm高
（二）复性（Renaturation）
变性DNA在适当（一般低于Tm 20-25℃）条件下，两条链重新缔合成双螺旋结构。
1、影响复性的因素
（1）温度。热变性DNA在缓慢冷却时可以复性，快速冷却不能复性。
（2） DNA片段长度。DNA片段越大，复性越慢；
（3）DNA浓度。DNA浓度越大，复性越快。