有机体`染色体和基因课件.ppt
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- 有机体 染色体 基因 课件
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1、第三章第三章 有机体、有机体、染色体和基因染色体和基因(3、12)第一节第一节 生命有机体生命有机体 第二节第二节 原核生物染色体和基因原核生物染色体和基因 第三节第三节 真核生物的染色体真核生物的染色体 第四节第四节 真核生物的基因真核生物的基因第一节第一节 生命有机体生命有机体一、生命有机体的划分一、生命有机体的划分按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布,生命有机体可按照细胞的结构和遗传物质在细胞内的分布,生命有机体可大致划分为:大致划分为:原核生物(原核生物(ProkaryotesProkaryotes )真核生物(真核生物(EukaryotesEukaryotes )原核生物(原核生物
2、(Prokaryotes)遗传物质类核或拟核遗传物质类核或拟核习惯上也称为染色体习惯上也称为染色体类核或拟核类核或拟核 真核生物(真核生物(Eukaryotes)遗传物质集中存遗传物质集中存在于核膜包围的在于核膜包围的细胞核中细胞核中,并与并与特殊的蛋白质结特殊的蛋白质结合为核蛋白合为核蛋白染色体染色体 超分子的亚细胞生命形式超分子的亚细胞生命形式 病毒(寄主为动、植物)病毒(寄主为动、植物)使用真核生物的遗传法则使用真核生物的遗传法则 噬菌体噬菌体(细菌或病毒细菌或病毒)适应了原核生物的遗传策略适应了原核生物的遗传策略 繁殖必须在寄主体内进行,因而遗传机制与寄主密切相关繁殖必须在寄主体内进行
3、,因而遗传机制与寄主密切相关如:病毒(如:病毒(virus)噬菌体噬菌体(phage)原核原核真核真核体积体积小(小(1 11010mm)较大较大((5 5100100mm)核膜核膜无无核膜核膜有有核膜核膜基因组基因组DNADNA与非组蛋白结合,与非组蛋白结合,基因组位于类核中基因组位于类核中DNADNA与组蛋白及非组蛋与组蛋白及非组蛋白结合,形成染色体白结合,形成染色体细胞器细胞器无无内质网、高尔基体、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体线粒体、叶绿体能量代谢能量代谢无线粒体,氧化还原酶无线粒体,氧化还原酶系统位于质膜上系统位于质膜上氧化还原酶系统位于氧化还原酶系统位于线粒体中线粒体中细胞骨架细
4、胞骨架无无由微丝、微管和中间由微丝、微管和中间纤维组成纤维组成分裂形式分裂形式 裂殖或出芽裂殖或出芽有丝分裂和减数分裂有丝分裂和减数分裂真核细胞和原核细胞的区别:真核细胞和原核细胞的区别:第二节第二节 原核生物染色体和基因原核生物染色体和基因一、大肠杆菌(一、大肠杆菌(Escherichia coli E.coli)1 1、大肠杆菌在实际工作中、大肠杆菌在实际工作中 的重要性的重要性 1885 1885 TheodorTheodor EscherichEscherich(德国德国)原命名为原命名为 Bacterium coliBacterium coli 将其属名改为将其属名改为 Escher
5、ichia Escherichia 是为了纪念发现者是为了纪念发现者 经常被当作是所有生物的经常被当作是所有生物的 原型(原型(archetype)b、生长迅速,要求营养物质简单,能进行很多生理生化过程、生长迅速,要求营养物质简单,能进行很多生理生化过程 c、有性生殖,可进行遗传学的研究有性生殖,可进行遗传学的研究 (如遗传杂交及遗传性状如遗传杂交及遗传性状 的分析的分析 )d、能够供应病毒的生长,进行病毒扩增的研究、能够供应病毒的生长,进行病毒扩增的研究 a、在实验室中容易操作、在实验室中容易操作因为因为:类核中,染色体类核中,染色体DNA成分占成分占80,其余为,其余为RNA和蛋白质和蛋白
6、质 4.6 x 106bp的基因组的基因组DNA 与多种与多种DNA结合蛋白质组装成结合蛋白质组装成 E.coli的染色体的染色体 基因组基因组DNA为为双链环状双链环状,总长度为总长度为1.3mm,1400 以上以上的的基因(共基因(共30004000个)都已定位个)都已定位 (1)染色体染色体DNA2 2、大肠杆菌的遗传物质、大肠杆菌的遗传物质包括染色体包括染色体DNA和质粒和质粒DNA E.coli的基因结构的特点的基因结构的特点 a、功能相关的几个结构基因以操纵元(功能相关的几个结构基因以操纵元(operon)的形式存在)的形式存在 其中包括共同的调节基因、启动子(其中包括共同的调节基
7、因、启动子(promoter)、操作子)、操作子 (operator),它们在基因转录时协同动作它们在基因转录时协同动作 iOperonRegulatoryGenepozyADNAm-RNA-GalactosidasePermeaseTransacetylaseProteinE.coli 染色体的基因图染色体的基因图 b、功能相关的、功能相关的RNA基因也串联在一起基因也串联在一起(rrn 操纵元操纵元),如:如:16S rRNA、23S rRNA、5S rRNA基因转录在同一个基因转录在同一个 转录产物中转录产物中 d、RNA基因多拷贝基因多拷贝 大多数的大多数的E.coli菌株都含菌株都含
8、 有有七个七个rrn (其中六个分布在(其中六个分布在 E.coliDNA的双向复制的双向复制 起点附近)起点附近)c、蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在蛋白质基因通常以单拷贝的形式存在3 3、大肠杆菌的酶类、大肠杆菌的酶类 细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类细胞中含有核酸代谢所需的各种酶类 多种限制性内切酶(多种限制性内切酶(restriction endonuclease)只在特异顺序碱基的位点上(迴文序列)与只在特异顺序碱基的位点上(迴文序列)与DNA结合,并沿结合,并沿固定的位点切割固定的位点切割如:如:E.coli的的 EcoR的识别序列的识别序列 5.G-A-A-T-T-C3 3.C-
9、T-T-A-A-G.5限制性内切酶限制性内切酶最基本的工具酶,最基本的工具酶,在在DNA测序、片段分离、克隆测序、片段分离、克隆DNA的环节都要用到的环节都要用到二、噬菌体(二、噬菌体(phage)1 1、X174X174噬菌体噬菌体 很小的很小的E.coliE.coli噬菌体噬菌体 DNADNA为单链环状,有为单链环状,有53865386个核苷酸(个核苷酸(Frederick SangerFrederick Sanger 于于19771977分析测定,为此荣获第二次诺贝尔奖分析测定,为此荣获第二次诺贝尔奖 )2 2、X174X174噬菌体基因排列更加体现噬菌体基因排列更加体现 经济原则经济原
10、则b b、DNADNA分子绝大部分用来编分子绝大部分用来编 码蛋白质,不翻译部分只占码蛋白质,不翻译部分只占4 4 (基因之间的间隔区(基因之间的间隔区 控制基因表达的序列)控制基因表达的序列)a a、1111个蛋白质基因,只转录成个蛋白质基因,只转录成 三个三个mRNA mRNA 重迭基因有以下几种情况:重迭基因有以下几种情况:*一个基因完全在另一个基因内部一个基因完全在另一个基因内部 如:如:B B和和A A E E和和D D 其读码结构互不相同其读码结构互不相同 c c、最显著的特点是有重叠基因最显著的特点是有重叠基因 (overlapping genes overlapping gen
11、es 或或 嵌套基因嵌套基因 nested genesnested genes)-ATG-/-AATGCC-/-ATAACG-/-TAA-A*BATGCCN-NNATAA *部分重叠部分重叠 K K和和C C *两个基因共用少数碱基对两个基因共用少数碱基对 如:如:A A*和和C DC D和和J J-ATGA-CStart codon-TAATG-A*Stop codonDStop codonJStart codon2 2、噬菌体噬菌体 双链双链DNA DNA 长度长度48502bp(48Kb)48502bp(48Kb)*其其DNADNA分子有三种存在形式分子有三种存在形式 a a、两个粘性末
12、端分、两个粘性末端分 离的线性分子离的线性分子 COSCOS位点位点 (cohesive-end site)(cohesive-end site)c c、闭合环状分子闭合环状分子(粘性末端(粘性末端 互补,互补,DNADNA连接酶连接)连接酶连接)b b、带有切刻的环状分子(开环的、带有切刻的环状分子(开环的 粘性末端互补后未连接的)粘性末端互补后未连接的)*其基因均是按功能相近的聚集成簇的(两个正调节基因其基因均是按功能相近的聚集成簇的(两个正调节基因N N 和和Q Q除外)除外)*存在形式存在形式在寄主体内有在寄主体内有溶源溶源生长周期生长周期(原噬菌(原噬菌体)和体)和溶菌生长周溶菌生长
13、周期期两种生活途径两种生活途径 第三节第三节 真核生物的染色体真核生物的染色体一、概述:一、概述:*真核真核DNADNA组蛋白组蛋白 核小体核小体 *核小体折叠压积核小体折叠压积 染色质(染色质(chromatinchromatin)(其它的蛋白质和(其它的蛋白质和RNARNA)*大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在(弥散状)大部分细胞生活周期里以染色质的形式存在(弥散状)M M期染色体形式期染色体形式 *染色质有两种型染色质有两种型 a a、常染色质:密度较低,能被表达、常染色质:密度较低,能被表达 b b、异染色质:密度较高,不被表达(着丝粒、端粒)、异染色质:密度较高,不被表达(着丝粒
14、、端粒)Cell cycle Cell cycle Interphase 间期间期:G1+S+G2 M phase(mitosis 有丝分裂有丝分裂):二、组蛋白(二、组蛋白(Histone)与与EukEuk.的的DNADNA结合的一类碱性蛋白质结合的一类碱性蛋白质 *染色体的主要蛋白质组分染色体的主要蛋白质组分 *富含富含LysLys、ArgArg等碱性氨基酸,等碱性氨基酸,11KD 11KD 23KD23KD *核心组蛋白有核心组蛋白有H2AH2A、H2BH2B、H3H3和和H4H4,另一种为,另一种为H1H1 *与与DNADNA紧密结合紧密结合 *保守性强,但保守性强,但H1H1的保守性
15、较弱的保守性较弱H2BH2AH3H4a2a3a1a2a3a1a2a3a1a2a3a1L1L2aN *组蛋白八聚体(组蛋白八聚体(Histone octamer)H2AH2A与与H2BH2B、H3H3与与H4H4的亲和力强,的亲和力强,通过通过C C端的疏水氨基酸结合端的疏水氨基酸结合 两个两个H3H3、H4H4先形成四聚体先形成四聚体 结合两个结合两个H2AH2A和和H2BH2B的异二聚体的异二聚体 组蛋白八聚体组蛋白八聚体 二、核小体(二、核小体(Nuclearsome)*染色体结构的第一个层次,构成染色质的染色体结构的第一个层次,构成染色质的基本结构单位基本结构单位 *足量的微球菌核酸酶处
16、理染色质可得到足量的微球菌核酸酶处理染色质可得到 146bpDNA 146bpDNA 组蛋白组蛋白 八聚体八聚体核小体的核小体的核核 心颗粒心颗粒 直径约直径约10nm10nm 1 1、核小体的组成、核小体的组成 组蛋白八聚体组蛋白八聚体146bp146bp的的核心核心DNADNA146bp146bp的核心的核心DNADNA在组蛋白八聚体上盘绕在组蛋白八聚体上盘绕1.81.8圈圈Mononucleosomes typically have 200 bp DNA.End-trimming reduces the length of DNA first to 165 bp,and then gen
17、erates core particles with 146 bp.微球菌酶处理微球菌酶处理所得核小体所得核小体DNADNA长长度的变化度的变化Chromatosome166 bp,2 superhelical turnHistone H1 *组蛋白组蛋白H1H1把核小体把核小体 “封锁封锁”起来起来其中,其中,166bp核小体核小体DAN的堆积比为的堆积比为1056nm线性长度线性长度5.6nm螺线管螺线管连接连接 DNADNA 100 bp平均平均 55 bpNucleosomeHistone H1Nucleosome repeat:Core+linker DNA200 bp 2 2、染色
18、体结构的形成、染色体结构的形成 (1 1)首先若干个核小体形成念珠状结构首先若干个核小体形成念珠状结构 The 10 nm fiber is a continuous strong of nucleosomes.每个核小体单位包括:200bp左右的DNA、一个组蛋白八聚体、一分子H1 高度有序高度有序 左手螺旋左手螺旋 每圈包括六个核小体每圈包括六个核小体 30 nm fiber(直径直径30nm)Solenoid(螺线管)螺线管)(2 2)30nm30nm纤丝纤丝的构成的构成 染色质结构的第二层次染色质结构的第二层次a a、组成、组成Nuclear matrix(核基质核基质),protei
19、n complex30 nm fiber300 nmb b、体内存在状态、体内存在状态从从DNA到染到染色体的过程色体的过程Compaction ratio=8000Centromere着丝粒着丝粒Telomere有丝分裂中期的染有丝分裂中期的染色体色体姊妹染色单体姊妹染色单体Nuclear matrix核基质核基质30nm 纤丝环纤丝环Chromatid 染色染色单体单体 3 3、着丝粒(、着丝粒(centromerecentromere 或中心粒或中心粒)和端粒和端粒(telomere)(telomere)(1)着丝粒)着丝粒(centromere)Yeast centromere富含富含
20、AT,两侧有高度重复的两侧有高度重复的卫星卫星DNA,属异染色质区属异染色质区 a、真核染色体线性、真核染色体线性DNA末端的特殊末端的特殊DNA序列序列 b、有数百个拷贝的、有数百个拷贝的短的正向重复序列短的正向重复序列,且总是且总是3端富含端富含G 如:人体内如:人体内 5-TTAGGG-3 c、复制靠端粒酶(、复制靠端粒酶(telomerase 核蛋白核蛋白)来完成来完成,不同于正,不同于正常常DNA的复制的复制 d、端粒、端粒DNA形成形成特殊的二级结构特殊的二级结构(G四联体形成四链结构)四联体形成四链结构)以使染色体末端免遭降解以使染色体末端免遭降解(2)端粒端粒(Telomere
21、)第四节第四节 真核生物的基因真核生物的基因Genome&genes(基因组和基因的关系)基因组和基因的关系)Genome:all DNA sequences in a cellGenes:编码某一蛋白质或编码某一蛋白质或RNA的一段的一段DNA序序列(列(a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA)C-value is the quantity of DNA in the genome(per haploid set of chromosomes).C-value paradox(C值矛盾值矛盾)refers
22、to the lack of a correlation between genome size and genetic complexity一、相关概念一、相关概念 基因组(基因组(genome):是指细胞或生物体的全套遗传物:是指细胞或生物体的全套遗传物 质,即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体质,即生物体维持配子或配子体正常功能的全套染色体 所含的全部基因(所含的全部基因(DNA)。)。all DNA sequences in a cell 比如比如人人基因组的全长为大约基因组的全长为大约3 X 103 X 109 9对对碱基,编码碱基,编码 3-43-4万个基因万个基因基因(基
23、因(Genes):):编码某一蛋白质或编码某一蛋白质或RNA的一段的一段DNA序序 列。(列。(a stretch of continuous DNA sequence encoding a protein or RNA)基因组和基因基因组和基因C值(值(C-value):一种生物体的单倍体基因组:一种生物体的单倍体基因组DNA的总量。的总量。the quantity of DNA in the genome(per haploid set of chromosomes).C值反常理论(值反常理论(C-value paradox)支支原原体体细细菌菌酵酵母母霉霉菌菌蠕蠕虫虫昆昆虫虫鸟鸟类类两两
24、栖栖类类哺哺 乳乳类类1010109108107106从编码每类生物所从编码每类生物所需要的需要的DNADNA的量的的量的最低值最低值看,生物细看,生物细胞中的胞中的C C值具有从值具有从低等生物到高等生低等生物到高等生物逐渐增加的趋势物逐渐增加的趋势植物植物鸟类鸟类哺乳动物哺乳动物爬行动物爬行动物两栖动物两栖动物硬骨鱼硬骨鱼软骨鱼软骨鱼棘皮动物棘皮动物甲壳动物甲壳动物昆虫昆虫软体动物软体动物蠕虫蠕虫霉菌霉菌藻类藻类真菌真菌格兰氏阳性菌格兰氏阳性菌格兰氏阴性菌格兰氏阴性菌支原体支原体阴影部分为一个门内阴影部分为一个门内C-值的范围值的范围 低等动物的低等动物的C值大于高等动物值大于高等动物 如
25、:两栖类的如:两栖类的C值大于哺乳类值大于哺乳类 肺鱼的肺鱼的C值比哺乳动物大值比哺乳动物大1015倍倍同一门中的动物同一门中的动物C值变化很大值变化很大如:两栖类中的如:两栖类中的C值变化很大,可相差值变化很大,可相差100倍倍家蝇的比果蝇的大家蝇的比果蝇的大6倍倍C值反常(值反常(C-value paradox):基因组的大小与基因组的:基因组的大小与基因组的复杂性之间缺乏一定的联系复杂性之间缺乏一定的联系。(the lack of a correlation between genome size and genome complexity)许多的许多的DNA序列不编码蛋白质序列不编码蛋
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