染色體的結(jié)構(gòu).ppt

染色體的結(jié)構(gòu) 偃師高中劉紅霞 染色體名稱的由來(lái) 染色體 chromosome 之所以稱為染色體 是因?yàn)樗鼙粔A性染料染色 而細(xì)胞的其他組成分都不能被堿性染料染色的緣故 前面我們介紹過(guò) 染色體是遺傳物質(zhì)的載體 我們也已經(jīng)知道 DNA 或RNA 是生物共同的遺傳物質(zhì) 那么DNA 或RNA 又是如何組成染色體的呢 下面我們對(duì)染色體的結(jié)構(gòu)作一介紹 原核生物的染色體 與真核生物相比 原核生物的染色體要簡(jiǎn)單的多 其染色體通常只有一個(gè)核酸分子 DNA或RNA 其遺傳信息的含量也比真核生物少得多 病毒染色體只含一條DNA或者RNA分子 可以是單鏈也可以是雙鏈 大多呈環(huán)狀 少數(shù)呈線性分子 細(xì)菌染色體均為環(huán)狀雙鏈DNA分子 雖然病毒和細(xì)菌的染色體比真核生物小的多 但其伸展長(zhǎng)度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自身細(xì)胞的最大長(zhǎng)度 例如 噬菌體DNA伸展長(zhǎng)度為17 m 而染色體存在的噬菌體頭部直徑只有0 1 m 大腸桿菌 Escherichiacoli 的DNA分子伸展長(zhǎng)度有1200 m 而細(xì)菌直徑只有1 2 m 圖3 11 這樣長(zhǎng)的DNA是如何裝載到病毒或者細(xì)菌里去的呢 很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái) 人們一直認(rèn)為原核生物的染色體就是裸露的DNA或RNA分子 但是 近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn) 實(shí)際情況并非如此 原核生物的染色體并不是像過(guò)去人們認(rèn)為的那樣是 露裸 的DNA分子 其DNA分子同樣與蛋白質(zhì)和RNA等其他分子結(jié)合在一起 例如 大腸桿菌DNA與幾種DNA結(jié)合蛋白 DNA bindingprotein 相結(jié)合 這些DNA結(jié)合蛋白很小 但在細(xì)胞內(nèi)數(shù)量很多 他們含有較高比例帶正電荷的氨基酸 可以與DNA分子上帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)相結(jié)合 其特性與真核生物染色體中的組蛋白 histone 相類似 大腸桿菌的染色體DNA除與蛋白質(zhì)結(jié)合外 還結(jié)合有RNA 它的染色體是由50 100個(gè)獨(dú)立的負(fù)超螺旋組成的環(huán)狀結(jié)構(gòu) 圖3 12 RNA和蛋白質(zhì)結(jié)合在上面 以保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu) 染色體在細(xì)胞分裂的間期表現(xiàn)為染色質(zhì) chromatin 的狀態(tài) 呈纖細(xì)的絲狀結(jié)構(gòu) 故亦成為染色質(zhì)線 chromatinfiber 在真核生物中 它是脫氧核糖核酸 DNA 和蛋白質(zhì)及少量核糖核酸 RNA 組成的復(fù)合物 其中DNA的含量約占染色質(zhì)重量的30 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)包括組蛋白和非組蛋白二類 組蛋白是與DNA結(jié)合的堿性蛋白 有H1 H2A H2B H3和H4五種 其在細(xì)胞中的比例大致是1 2 2 2 2 它們是除精子等少數(shù)細(xì)胞外 為所有生物和細(xì)胞所共有 它與DNA的含量比率大致相等 是很穩(wěn)定的 在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)上具有決定性作用 而非組蛋白在不同細(xì)胞間變化很大 在決定染色體結(jié)構(gòu)中的作用可能不是很大 它們可能與基因的調(diào)控有關(guān) 近來(lái)研究發(fā)現(xiàn) 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體 nucleosome 在核小體與核小體之間由連接DNA linkerDNA 和一個(gè)小分子的組蛋白H1相連 每個(gè)核小體的核心是由H2A H2B H3和H4四種組蛋白各以兩個(gè)分子組成的八聚體 其形狀近似于扁球體 圖3 13 nucleosoms DNA雙螺旋就盤(pán)繞在這八個(gè)組蛋白分子的表面 連接絲是兩個(gè)核小體之間的雙鏈DNA 由它把兩個(gè)相鄰的核小體串聯(lián)起來(lái) 組蛋白H1結(jié)合于連接絲和核小體的接合部位 如果H1被除去 核小體的基本結(jié)構(gòu)并不會(huì)因此而改變 據(jù)測(cè)定 在大部分細(xì)胞中 一個(gè)核小體及其連接絲約含有180 200個(gè)堿基對(duì) basepair bp 的DNA 其中約146bp盤(pán)繞在核小體表面1 75圈 其余堿基則為連接絲 其長(zhǎng)度變化較大 從8bp到114bp不等 根據(jù)染色反應(yīng) 間期細(xì)胞核中的染色質(zhì)可以分為兩種 異染色質(zhì) heterochromatin 和常染色質(zhì) euchromatin 異染色質(zhì)是染色質(zhì)中染色較深的區(qū)段 常染色質(zhì)是染色較淺的區(qū)段 異染色質(zhì)和常染色質(zhì)在化學(xué)組成上并沒(méi)有什么區(qū)別 而只是螺旋化程度不同 在細(xì)胞分裂間期 異染色質(zhì)區(qū)的染色質(zhì)仍然是高度螺旋化而緊密卷縮的 相對(duì)而言 在單位空間內(nèi)DNA的濃度很高 故染色很深 而常染色質(zhì)區(qū)的染色質(zhì)因?yàn)槊撀菪仕缮顟B(tài) 相對(duì)而言 在單位體積內(nèi)DNA的濃度很低 故染色很淺 異染色質(zhì)又可分為組成型異染色質(zhì) constitutiveheterochromatin 和兼性異染色質(zhì) facultativeheterochromatin 組成型異染色質(zhì)主要是高度重復(fù)的DNA序列 大多分布在染色體的特殊區(qū)域 如著絲點(diǎn) 端粒部位等 一般來(lái)說(shuō)這些區(qū)域只與染色體結(jié)構(gòu)有關(guān) 而不含有結(jié)構(gòu)基因 兼性異染色質(zhì)可以存在于任何部位 它可以在某類細(xì)胞內(nèi)表達(dá) 而在另一細(xì)胞內(nèi)完全不表達(dá) 哺乳動(dòng)物的X染色體就是兼性異染色質(zhì) 對(duì)某個(gè)雌性動(dòng)物來(lái)說(shuō) 其中一條X染色體表現(xiàn)為異染色質(zhì)而完全不表達(dá)其功能 而另一條則表現(xiàn)為功能活躍的常染色質(zhì) 染色體的結(jié)構(gòu)模型 在細(xì)胞有絲分裂的中期 利用光學(xué)顯微鏡可以觀察到 染色體的結(jié)構(gòu)是由兩條染色單體 chrmatid 組成的 每條染色單體包括一條染色線 chromonema 以及位于線上的許多染色很深的顆粒狀染色粒 chromomere 染色粒的大小不同 在染色線上有一定的排列順序 一般認(rèn)為它們是由于染色線反復(fù)盤(pán)繞卷縮形成的 現(xiàn)已證實(shí)每個(gè)染色體所含的染色線是單線的 即一個(gè)染色體所包含的兩條染色單體都分別是單線的 換言之 每條染色單體是一個(gè)DNA分子與蛋白質(zhì)結(jié)合形成的染色線 當(dāng)完全伸展時(shí) 其直徑不過(guò)10nm 而其長(zhǎng)度可達(dá)幾毫米 甚至幾厘米 當(dāng)它盤(pán)繞卷曲時(shí) 可以收縮得很短 于是表現(xiàn)出染色體所特有的形態(tài)特征 如人的最長(zhǎng)的一條染色體 在分裂間期其分子伸展時(shí)長(zhǎng)達(dá)85mm 但在中期 卻卷曲成為直徑為0 5 m 長(zhǎng)度只有10 m的染色體 其長(zhǎng)度只有完全伸展時(shí)的1 10000還不到 在細(xì)胞分裂過(guò)程中染色質(zhì)線到底是怎樣卷縮成具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體的呢 現(xiàn)在認(rèn)為至少存在三個(gè)層次的卷縮 一般稱為染色體的四級(jí)結(jié)構(gòu) 圖3 14 第一個(gè)層次是DNA分子超螺旋化形成核小體 形成直徑約為10nm是間期染色質(zhì)線 在此過(guò)程中組蛋白H2A H2B H3和H4參與作用 第二個(gè)層次是核小體長(zhǎng)鏈進(jìn)一步螺旋化形成直徑約為30nm的超微螺旋 稱為螺線管 solenoid 在此過(guò)程中組蛋白H1參與作用 第三個(gè)層次是螺線管進(jìn)一步卷曲成為一定形態(tài)的染色體 但有關(guān)三個(gè)層次卷縮的機(jī)理至今尚不清楚 因?yàn)榉至堰^(guò)程中的染色體本身就是細(xì)胞分裂間期染色質(zhì)的卷曲壓縮 所以染色體也會(huì)像染色質(zhì)一樣出現(xiàn)異染色質(zhì)區(qū)和常染色質(zhì)區(qū) 不同生物的染色體 同一細(xì)胞內(nèi)的各個(gè)染色體異染色質(zhì)區(qū)的分布是不同的 例如茅膏菜 Drosersa 的異染色質(zhì)位于染色體的末端 蠶豆 番茄 月見(jiàn)草和果蠅等分布于著絲點(diǎn)附近 在玉米中可能在著絲點(diǎn)的兩邊或一邊 例如 玉米第7染色體的長(zhǎng)臂上靠近著絲粒處就有一處明顯膨大的異染色質(zhì)區(qū) 在動(dòng)物的性染色體上 Y染色體的異染色質(zhì)顯然比X染色體為多 著絲粒的結(jié)構(gòu)特征 染色體在有絲分裂過(guò)程中由于紡錘絲的牽引而分向兩極 著絲粒就是細(xì)胞分裂過(guò)程中染色體與紡錘絲 spindlefiber 結(jié)合的區(qū)域 因此 著絲粒在細(xì)胞分裂過(guò)程中對(duì)于母細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)能否均衡地分配到子細(xì)胞去是至關(guān)重要的 缺少著絲粒的染色體片斷 就不能和紡錘絲相連 在細(xì)胞分裂過(guò)程中經(jīng)常容易丟失 著絲粒區(qū)域的DNA序列具有明顯的特征 近來(lái)對(duì)釀酒酵母 Saccharomycescerevisiae 染色體著絲粒區(qū)域的研究發(fā)現(xiàn) 該區(qū)域在不同染色體間可以相互替換 也就是說(shuō)將一條染色體的著絲粒區(qū)域與另外一條互換 對(duì)染色體的結(jié)構(gòu)和功能沒(méi)有明顯的影響 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn) 該區(qū)域由110 120bp的DNA鏈組成 可分為三個(gè)部分 兩端為保守的邊界序列 中間為90bp左右富含A T A T 90 的中間序列 邊界序列中DNA的堿基序列非常保守 可能是紡錘絲結(jié)合的識(shí)別位點(diǎn) 而中間序列的堿基序列變化較大 因此認(rèn)為其長(zhǎng)度及其富含A T的特性 可能比其具體的堿基序列更為重要 端體 端體 telomere 也就是染色體的末端 也稱為端粒 端粒具有特殊的結(jié)構(gòu) 主要有三方面的功能 防止染色體末端被DNA酶酶切 防止染色體末端與其它DNA分子結(jié)合 使染色體末端在DNA復(fù)制過(guò)程中保持完整 對(duì)不同物種染色體末端的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn) 所有染色體的末端都存在著串聯(lián)的重復(fù)序列 盡管不同物種的重復(fù)序列有所不同 但均可用下列通式表示