当前课程知识点：现代生物学导论 > 第六讲 遗传的分子基础 > 6.2 DNA结构和染色体结构 > 6.2 DNA结构和染色体结构
当科学家们知道了DNA是遗传物质后，他们非常想知道DNA的结构
有两点原因
第一个是根据遗传物质的特点，即遗传物质必须要能够复制自己
而复制自己的模板就是自身的结构
第二个是从蛋白质的研究中得到的启发
因为可以从蛋白质的结构推导出蛋白质的功能
科学家们希望能够找出DNA结构和功能的关系
当时研究大分子结构使用的是X-射线晶体学
这是一门利用X-射线来研究晶体中原子排列的学科
它的原理就是，像图上展示的一样，把X-射线打到晶体上产生衍射
并且记录衍射的数据，然后对数据进行分析，晶体结构解析
来检测大分子的结构
那么大家看到的这个图就是非常有名的当时X-射线衍射的DNA的图形
是由著名的科学家Rosalind Franklin拍摄的
DNA的结构是由James Watson和Francis Crick
在这个数据的基础上推导出来的
那么大家可以看到，我们这里也放了一个DNA双螺旋结构的模型
那么在图中呢大家可以看到这个是他们在1953年发表在Nature上的著名的文章
这篇文章揭示了DNA结构
下面呢我们就来具体介绍一下DNA的结构
先来说说DNA的基本组成单位：核苷酸
核苷酸主要由3部分组成：含氮碱基、脱氧核糖和磷酸
DNA分子一共有4种含氮碱基：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶
我们分别用不同的字母来代表，分别是A，G，C，T
第二部分是脱氧核糖，这里注意和RNA的区别
RNA是核糖，那么DNA是脱氧核糖
因为2号碳原子那里是没有氧原子的
我们下面就要谈到一个核糖上这个碳原子标记的方式
我们一般标记脱氧核糖上的碳原子是按照顺时针来标记的
所以这里分别是1号，2号，3号，4号和5号碳原子
所以3号碳原子指的是这里，5号碳原子指的是这里
那么核苷酸的第三基本组成部分就是磷酸基团
DNA分子的一级结构就是多聚核苷酸的长链
每个核苷酸之间是通过一种共价键——磷酸二酯键相互结合而成的
DNA分子的二级结构是两条多聚核苷酸长链以碱基配对的形式形成氢键相互结合
这里要注意的是两条DNA链是以反向平行的方式相互结合的
一条链呢是5'到3'，而另外一条链是3'到5'
那么这个5'到3'，3'到5'到底是什么意思呢
就要从我们刚才说的脱氧核糖上碳原子的标记说起
我们刚才说到是以顺时针的方式标记
所以这里呢是3'碳原子，这里呢是5'碳原子
由此推导，DNA分子在这里呢是3'端，而在这里是5'端
也就是3'羟基端，5'磷酸端
这条链呢就是3'到5'，而另外一条链呢就是5'到3'
另外，两条单链是通过含氮碱基之间的氢键联系到一起的
碱基间配对是按照A和T配对，C和G配对的规则来进行的
这种配对呢也叫做Watson-Crick配对
因为是他们根据Chargaff法则之一推导出来的
这个法则就是：DNA中的碱基A的含量永远等于T的含量
碱基C的含量永远等于G的含量
DNA的骨架是共价键，而联系两条链的是非共价键
那么这样有什么重要的生物学意义呢
两条链在生理温度下非常容易被分开，使得DNA的转录和复制非常容易进行
那么下面呢请同学们思考一下，结合热力学第二定律
请大家想一想：为什么DNA双螺旋的形成会导致系统的熵值增加
好，下面我们来讨论染色体的结构
一个细胞内，注意，是一个细胞内
所有的DNA分子头尾相接，那么总长度大概是有2米之长
那么这么长的DNA分子是如何组装起来并储存在细胞核当中的呢
首先双链DNA分子要缠绕组蛋白
一般是缠绕8个组蛋白形成一个DNA蛋白质的复合体——核小体
那么多个核小体经过组装成线状结构的染色质
注意：染色质包括DNA，蛋白质和一小部分RNA
染色质再经过进一步的紧缩和缠绕形成染色体
注意的是染色体并不是任何时候都存在于细胞中的
通常只有在细胞分裂时才能在显微镜下观察到
这里需要注意
大家看到的这个染色体和前面我们观察到的染色体核型有什么不同呢
大家看到的这个是染色体核型
那么另外一边呢，我们看到这个染色体是呈“X”形的
这两个为什么会有不同呢
大家注意到这里的这种“X”形染色体代表着
这个染色体马上就要进行细胞分裂了
好，下面我们再讲一讲什么是基因组
在生物学中，一个生物体的基因组是指
包含在该生物的DNA（对于部分病毒是RNA）中的全部遗传信息
基因组包括基因和非编码DNA
更精确地讲，一个生物体的基因组是指一套染色体中完整的DNA序列
例如，生物个体体细胞中的二倍体是由两套染色体组成的
其中一套DNA序列就是一个基因组
基因组一词可以指整套核DNA
也可以用于包含自己DNA序列的细胞器基因组
比如线粒体基因组或者是叶绿体基因组
当我们说一个有性生殖物种的基因组正在测序的时候
通常是指测定一套常染色体和两种性染色体的序列
这样来代表可能的两种性别
好，最后呢我们再说一下染色体和基因组的关系
我们从细胞的角度来看
对于真核细胞来说，染色体存在于细胞核中
这些染色体就是DNA分子被分解成的不同部分
因为我们人体内有23对染色体
下面呢，我们打一个比方
我们都知道大百科全书呢是一共有32卷
如果我们把这32卷都合成一本书的话
这本书将是非常的厚，非常难以翻阅的
所以呢，拆成32卷便于我们进行翻阅和查找资料
同理，把一个细胞中的DNA分割成不同的部分
那么进行复制和转录的时候，就会容易很多
所以在这里，染色体呢就是一个基因组被分成的众多部分之一
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
