细胞生物学课件.

教学内容：一、细胞的结构与功能细胞的统一性和多样性；真核细胞的结构（主要细胞器、细胞骨架）二、细胞的生活和调控细胞的增殖、分化、衰老和死亡；细胞信号转导三、基因组的维持真核基因组的结构、染色质结构及其调控；DNA的复制、修复和转座四、基因组的表达和调控转录、翻译的机制；原核和真核生物的基因调控；调控RNA五、分子及细胞生物学研究技术基因组的维持真核基因组的结构染色质结构及其调控DNA的复制、修复和转座真核基因组的结构4135DNA的结构与功能核小体基因与基因组核酸（nucleicacid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两类，一类为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一类为核糖核酸（ribonuleicacid,RNA)。DNA存在细胞核和线粒体内，携带和传递遗传信息，决定细胞和个体的基因型（genetype)。RNA存在于细胞质和细胞核内，参入细胞内DNA遗传信息的表达。病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。Section1DNA的结构与功能一、DNA的一级结构4种核苷酸的连接及排列顺序四种脱氧核糖核苷酸分别表示为：dAMP、dGMP、dTMP、dCMPglycosidicbondphosphoesterbondNucleosideDNA是双螺旋的生物大分子。生物信息绝大部分都贮存在DNA分子中。这些信息以核苷酸不同的排列顺序编码在DNA分子上，核苷酸排列顺序变了，它的生物学含义也就不同了。DNA的一级结构就是指核苷酸在DNA分子中的排列顺序。因此测定DNA的碱基排列顺序是分子生物学的基本课题之一。1.DNA一级结构中贮存的生物遗传信息DNA分子的多样性•碱基的排列顺序，而构成了DNA分子的多样性•100bpDNA分子可能排列方式就是4100•DNA中的碱基排列顺序是DNA分子的重要属性4种dNTP以3’、5’磷酸二酯键相连构成一个没有分枝的线性大分子。（与蛋白质比触觉不灵）。它们的两个末端分别称5’末端（游离磷酸基）和3’末端（游离羟基）。2、DNA一级结构的基本特点二、DNA的二级结构1）主链脱氧核糖和磷酸基相互连接构成DNA的主链。从化学键的方向来看，双螺旋中两条多核苷酸链是反向平行的。二条主链处于螺旋的外侧，碱基处于螺旋的内部，由于糖和磷酸根的化学性质，主链是亲水的。两条链形成右手螺旋，有共同的螺旋轴，螺旋的直径是20A。1.双螺旋的基本特征SchematicmodelSpace-fillingmodel•右手双螺旋构象是DNA最为常见的结构-B型DNA。•DNA二级结构可分为两大类：一类是右手螺旋，如：B-DNA、CDNA、D-DNA、E-DNA、A-DNA；另一类是局部的左手螺旋，即Z-DNA。Watson和Crick于1953年根据DNA纤维X射线晶体衍射图，提出了DNA为右手双螺旋结构的科学假设ABZ在A-T丰富的区段，DNA常呈现B-DNA。在转录状态，DNA与RNA的杂合链呈现A-DNA。虽然B-DNA是最常见的构象，但是A-DNA和Z-DNA似乎具有不同的生物活性。PropellerTwistBuckleTextbookRealLife2）碱基对·这两种碱基对（A/T,G/C）有一个重要的特征，就是它们具有二次旋转对称性，即一对碱基对旋转180O,并不影响双螺旋的对称性，因此双螺旋结构只限定了配对的方式，并不限定碱基的顺序。碱基环是一个共轭环，本身构成一个平面分子。在双螺旋中这个平面垂直于螺旋轴，相邻的两个碱基上下间隔3.4A,每十对碱基组成一节螺旋，因此双螺旋的螺距是34A。一条链中每个相邻的碱基方向相差360。碱基之间的疏水作用可导致碱基堆集，这个引力同碱基对之间氢键一起稳定了双螺旋结构。沿螺旋轴方向观察，配对的碱基并不充满双螺旋的空间。由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的表面形成二个凹下去的槽，一个槽大些，一个槽小些分别称为大沟和小沟。双螺旋表面的沟对DNA和蛋白质的相互识别是很重要的，因为在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋的表面，是脱氧核糖和磷酸重复结构，没有信息可言。3）大沟和小沟•决定DNA双螺旋结构状态的因素主要有以下几点：氢键碱基堆积力带负电荷的磷酸基的静电斥力碱基分子内能•DNA三股螺旋构型称为H-DNA，是在DNA双螺旋结构基碱上形成的。•它是双螺旋DNA分子中一条链的某一节段，通过链的折叠与同一分子中DNA结合而形成。•三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶，其中两条链为正常双螺旋，第三条链位于双螺旋的大沟中。•H-DNA可在转录水平上阻止基因的转录，这就是反基因策略，或称反基因技术。2.三股螺旋DNA（H-DNA）当DNA双链中含有H—回文序列时，即某区段DNA两条链分别为HPu和HPy，并且各自为回文结构时，任一条回文结构的5’和3’部分都可以形成分了子内三股螺旋结构及剩余的半条回文结构游离单链。真核生物基因组中存在大量可形成H-DNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它们位于：调控区DNA复制起点或终点染色体重组位点，提示它们可能与基因表达调控DNA复制及染色体的重组有关。DNA的三级结构指双螺旋链的扭曲。超螺旋是DNA三级结构的一种形式，DNA在核小体中的扭曲方式也是一种超螺旋结构。超螺旋的生物学意义可能是：1.使DNA分子体积变小，对其在细胞的包装过程有利。2.影响双螺旋的解链过程,从而影响DNA分子与其它分子(如酶、蛋白质、核酸)之间的相互作用。三、DNA的三级结构线状DNA形成的超螺旋环状DNA形成的超螺旋拓扑异构酶or溴化乙锭拓扑异构酶or溴化乙锭DNA扭曲与双螺旋相同（拧紧）DNA扭曲与双螺旋相反（松开）负超螺旋松弛DNA正超螺旋在不同类型的拓扑异构酶作用下，DNA的可以在超螺旋和松弛DNA形式之间转变。拓扑异构酶可以催化DNA产生瞬时单链或双链的断裂，从而改变连环数（使环状DNA两条链完全分开时，一条链必须穿过另一条链的次数），使超螺旋DNA解旋。在原核和真核生物中都存在去除超螺旋的拓扑异构酶I和II。拓扑异构酶（Topoisomerases）拓扑异构酶I:通过一步改变DNA的连环数，不需要ATP。使DNA暂时产生单链缺口，让未被切割的一条单链在切口结合之前穿过这一切口。拓扑异构酶II：通过两步改变DNA的连环数，需要ATP提供能量。在DNA上产生瞬时的双链缺口，并在缺口闭合以前使一小段未被切割的双链DNA穿越这一缺口。DNA的拓扑异构体可以通过电泳分离长度相同而连环数不同的共价闭合环状DNA分子叫做DNA的拓扑异构体。通过琼脂糖凝胶电泳可以将它们彼此分开。松弛或有缺口的环状线状超螺旋溴乙锭（EB）可以嵌入核酸分子的碱基对平面之间，在紫外光照射下发出橙黄色的荧光，常作为染料检测核酸的存在。1.信息量大，可以缩微；2.表面互补，电荷互补，双螺旋结构说明了精确复制机理；3.核糖的2’脱氧，在水溶液中稳定性好；4.可以突变，以求进化（突变对个体是不幸的，进化对群体是有利的）；5.有T无U，基因组得以增大，而无C脱氨基成U带来的潜在危险。（尿嘧啶DNA糖苷酶可以灵敏识别DNA中的U而随时将其剔除）。四、DNA作为遗传物质的主要优点五、DNA的变性、复性和分子杂交1、DNA的变性（denaturation）DNA溶液温度在高于生理温度或者pH较高时，互补的两条链就可以分开，这一过程叫做Denaturation(变性)。DNA变性：紫外吸收增加；DNA的热变性称为DNA的“融解”，50%DNA分子解链的温度称为融点Tm表示；不同种类DNA有不同的Tm值；Tm随（G+C）%含量呈线性增加。2、DNA的复性•DNA回复成双链结构，称为复性（renaturation）•热变性经冷却后即可复性，称为退火(annealing)来源不同的两条DNA链经变性后，通过缓慢降温形成的人工杂交的DNA分子的过程。互补的DNA和RNA链也可以形成杂交分子。杂交是分子杂交技术的基础，包括Southern杂交、Northern杂交、DNA芯片等。3、DNA分子杂交(Hybridization)Section2核小体核小体是染色质包装的基本结构单位一、主要实验证据Isolatedfrominterphasenucleus:30nmthickChromatinunpacked,showthenuclesome（１）铺展染色质的电镜观察(2)用非特异性微球菌核酸酶消化染色质,部分酶解片段检测结果由X-射线晶体衍射(2.8A)所揭示的核小体三维结构（引自K.Luger等，1997）（３）应用X射线衍射、中子散射和电镜三维重建技术研究染色质结晶颗粒（４）SV40微小染色体分析与电镜观察二、核小体结构要点(1)每个核小体单位包括200bp左右的DNA超螺旋和一个组蛋白八聚体及一个分子H1。(2)组蛋白八聚体构成核小体的盘状核心结构。(3)146bp的DNA分子超螺旋盘绕组蛋白八聚体1.75圈,组蛋白H1在核心颗粒外结合额外20bpDNA，锁住核小体DNA的进出端，起稳定核小体的作用。包括组蛋白H1和166bpDNA的核小体结构又称染色质小体。(4)两个相邻核小体之间以连接DNA相连，典型长度60bp，不同物种变化值为0～80bp。(5)组蛋白与DNA之间的相互作用主要是结构性的，基本不依赖于核苷酸的特异序列，实验表明，核小体具有自组装（self-assemble）的性质。(6)核小体沿DNA的定位受不同因素的影响，进而通过核小体相位改变影响基因表达。核小体的性质及结构要点示意图（引自B.Alberts等）在用微球菌核酸酶降解染色质时，反应早期可得到166bp的片段，但不稳定；进一步降解则得到146bp片段，比较稳定。推测可能原因是失去H1后，DNA两端各有10bp的DNA，易被核酸酶作用而降解。ChromatinPackingChromatinPackingSection3基因与基因组•基因：表达一种蛋白质或功能RNA的基本单位。•基因组：是指某种生物所包含的全套基因。人类基因组的C值在3＊109bp；病毒含103~105bp；细菌含105~107bp；基因与蛋白质1000bp(1kb)编码一个蛋白质；病毒含4~5个基因；大肠杆菌含3000~4000个基因；人类应有200~300万个基因（3＊109bp)，实际只有10万个左右；病毒的基因数要比计算所得的大，因为有基因重叠现象。•结构简练，DNA分子的绝大部分用来编码蛋白质，不转录部分所占比例较小。•存在转录单元，功能相关的RNA和蛋白质基因往往形成功能单位或转录单元，一起转录成多顺反子的mRNA。•在一些细菌和病毒中有重叠基因，同一段的DNA能携带两种不同蛋白质的编码信息。原核生物基因组•最大的特点是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隔开。真核生物基因组基因组庞大存在大量重复序列基因组序列90%以上的部分是非编码序列转录产物是单顺反子真核基因一般都含有内含子存在大量的顺式元件存在大量的DNA多态性具有端粒结构真核生物基因组的结构特点：染色质结构及其调控染色质DNA与蛋白质染色质组装的模型常染色质和异染色质染色质结构与基因活化染色体◆染色质（chromatin）:在核内可以被碱性染料强烈着色的物质。指间期细胞核内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构,是间期细胞遗传物质存在的形式。DNA、组蛋白是染色质的稳定成分。◆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。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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。Section1染色质DNA与蛋白质一、染色质DNA在真核细胞中，每条未复制的染色体包含一条DNA分子，一个生物贮存在单倍染色体组中的总遗传信息，称为该