第二章核酸的結構和功能3

第一節(jié)DNA結構

1核酸的化學組成與共價結構2雙螺旋模型的特征

3雙螺旋結構的其他形式4DNA二級結構的其它形式本文檔共32頁；當前第1頁；編輯于星期六\10點50分核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）

核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）

1核酸的化學組成與共價結構◆組成◆類型本文檔共32頁；當前第2頁；編輯于星期六\10點50分1核酸的化學組成與共價結構◆堿基本文檔共32頁；當前第3頁；編輯于星期六\10點50分1核酸的化學組成與共價結構◆戊糖本文檔共32頁；當前第4頁；編輯于星期六\10點50分◆核苷（nucleoside)：由D－核糖或D－2脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。核酸中的主要核苷有5種。

◆核苷酸(nucleotide)：核苷酸與磷酸殘基構成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的結構單元。◆

3’,5’－磷酸二酯鍵：核酸是由眾多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸，相鄰二個核苷酸之間的連接鍵即：3’，5’－磷酸二酯鍵。

1核酸的化學組成與共價結構本文檔共32頁；當前第5頁；編輯于星期六\10點50分1核酸的化學組成與共價結構

◆

DNA分子的一級結構①

多聚核苷酸鏈

主鏈是核糖和磷酸側鏈為堿基

由3’,5’磷酸二酯鍵連接

②鏈的方向：同一個磷酸基的3’酯鍵到5’酯鍵的方向(5’→3’)5’-UCAGGCUA-3’=UCAGGCUA

默認書寫順序5‘→3’

3’5’5’本文檔共32頁；當前第6頁；編輯于星期六\10點50分2雙螺旋模型的特征1953.Watson&Crick

Watson（沃森）和Crick（克里克）建立的雙螺旋模型

Chatgaff（查塔姆）對DNA堿基組成的研究結果

Wilkins（威爾金斯）及其同事Franklin（富蘭克林）等用X射線衍射方法獲得的DNA結構資料

本文檔共32頁；當前第7頁；編輯于星期六\10點50分雙螺旋DNA的結構特點：右手反平行雙螺旋主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側，核糖平面與旋轉軸接近平行兩條鏈間存在堿基互補螺旋的每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，螺距為3.4nm，直徑為2nm大溝（majorgroove，2.2nm）和小溝（minorgroove，1.2nm）2雙螺旋模型的特征本文檔共32頁；當前第8頁；編輯于星期六\10點50分模型中的堿基配對有何重要性？①A-T,G-C配對可形成很好的線性氫鍵；②A-T對和G-C對的幾何形狀一樣，使雙鏈距離相近，使雙螺旋保持均一；③堿基對處在同一平面內。不論核苷酸的順序如何，都不影響雙螺旋的結構；④為DNA半保留復制奠定了基礎。2雙螺旋模型的特征本文檔共32頁；當前第9頁；編輯于星期六\10點50分影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的因素

堿基堆積的棒狀實體

●氫鍵

(Hydrogenbond4~6kc/mol)弱鍵,可加熱解鏈氫鍵堆積,有序排列(線性,方向)

本文檔共32頁；當前第10頁；編輯于星期六\10點50分●堿基堆積力

(非特異性結合力)

磷酸骨架,氨基,酮基周圍水分子間的有序排列

嘌呤環(huán)與嘧啶環(huán)作用半徑疏水作用力

(Hydrophobicinteraction)

3.4A°(0.34nm/堿基對間距)本文檔共32頁；當前第11頁；編輯于星期六\10點50分●帶負電荷的磷酸基的靜電斥力每一個核苷酸的磷酸基上都帶有一個負電荷。如果這些負電荷沒有被中和，雙鏈之間的這種強有力的靜電排斥作用將驅使兩條鏈分開

本文檔共32頁；當前第12頁；編輯于星期六\10點50分●堿基分子的內能

當由于溫度等因素使堿基分子內能增加時．堿基的定向排列遭受破壞，從而削弱堿基的氫鍵結合力和堿基的堆集力，會使DNA雙螺旋結構受到破壞。本文檔共32頁；當前第13頁；編輯于星期六\10點50分

綜上所述在決定DNA雙螺旋結構狀態(tài)的四點因素中，前二者(互補堿基的氫鍵結合力和相鄰堿基的堆集力)有利于DNA維持雙螺旋構型，而后二者(磷酸基的靜電斥力和堿基分子的內能)則不利于DNA維持雙螺旋構型。一種DNA分子的結構狀態(tài)將是達四種因素競爭的結果。

本文檔共32頁；當前第14頁；編輯于星期六\10點50分

◆DNA的構象現已知有A，B，C，D，E，T，Z7種。引起DNA雙鏈構象改變有以下因素：

（1）核苷酸順序；（2）堿基組成；（3）鹽的種類；（4）相對濕度。3雙螺旋結構的其他形式本文檔共32頁；當前第15頁；編輯于星期六\10點50分B-DNA：生理狀態(tài)下，每螺圈10.4個堿基對，右手螺旋；

A-DNA：高鹽濃度下，每螺圈11個堿基對，右手螺旋；

Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出現，每螺圈12個堿基對，左手螺旋。

DNA鈉鹽在相對濕度92％或活細胞生理狀態(tài)下，以及A－T較豐富的大多數自然DNA。DNA－RNA雜交分子或RNA雙鏈在高鹽的條件下，嘌呤-嘧啶相間排列，在活細胞中如果胞嘧啶被甲基化的（m5C）本文檔共32頁；當前第16頁；編輯于星期六\10點50分

Z－DNA的生物學意義：應當指出Z－DNA的形成通常在熱力學上是不利的。因為Z－DNA中帶負電荷的磷酸根距離太近了，這會產物靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點。DNA解螺旋卻是DNA復制和轉錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此認為這一結構位點與基因調節(jié)有關。

本文檔共32頁；當前第17頁；編輯于星期六\10點50分第二節(jié)DNA分子的高級結構單鏈核酸形成的發(fā)夾結構回文序列形成的十字形結構三股螺旋DNADNA的四鏈結構DNA的超螺旋結構本文檔共32頁；當前第18頁；編輯于星期六\10點50分

當同一個核酸分子中一段堿基序列附近緊接著一段它的互補序列時，核酸鏈有可能自身回折配對產生一個反向平行的雙螺旋結構，稱為發(fā)夾（hairpin）。由莖（配對區(qū)）和環(huán)（非配對區(qū)）組成。

●單鏈核酸形成的發(fā)夾結構本文檔共32頁；當前第19頁；編輯于星期六\10點50分

回文序列：又稱反向重復序列，指DNA片段上的一段具有二重旋轉對稱性的反向互補序列。在雙鏈DNA中，如果兩條互補鏈分開，每條鏈上的互補序列都有機會發(fā)生堿基配對而形成一個發(fā)夾。兩個相對的發(fā)夾結構形成了一個十字形結構，對應于4個雙螺旋區(qū)域的交叉點。原來的雙螺旋位于十字形結構的兩側?！窕匚男蛄行纬傻氖中谓Y構本文檔共32頁；當前第20頁；編輯于星期六\10點50分

1957，Felsenfeld發(fā)現三鏈核酸結構（triplex)，1963，Hoogsteen，提出DNA三螺旋結構，Hoogsteen模型中，第三個堿基以A或T與A＝T中的A配對，G或C與G三C中的G配對，只形成2個氫鍵，三股螺旋中第三股鏈可以來自分子間或分子內。當DNA一條鏈或其中一段為全嘌呤，另一條鏈或其中對應的一段為全嘧啶，責可回折產生H－DNA，這種重復序列又稱H回文序列。

●三股螺旋DNA本文檔共32頁；當前第21頁；編輯于星期六\10點50分●四股螺旋DNA

(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)

1958.Poly(G)X-rayphotograph

堿基形成環(huán)狀氫鍵連接結構TetrableHelixDNA均有形成四股螺旋DNA的可能

5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’Poly(G),4(dG)染色體端粒高度重復的DNA序列著絲點附近的高度重復序列

形成條件－－串聯重復的鳥苷酸已有實驗結果表明－－真核細胞端粒中存在四鏈結構

本文檔共32頁；當前第22頁；編輯于星期六\10點50分結構特點LinkedbyHoogsteenBondingGGGG本文檔共32頁；當前第23頁；編輯于星期六\10點50分

⊙DNA的超螺旋結構超螺旋是DNA三級結構的主要形式，雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞則形成。●DNA的超螺旋結構本文檔共32頁；當前第24頁；編輯于星期六\10點50分超螺旋是有方向的，有正超螺旋和負超螺旋兩種

本文檔共32頁；當前第25頁；編輯于星期六\10點50分超螺旋結構的方向性B-DNA緊纏overwinding(右旋)

正超螺旋（positivesupercoiled）導致左手超螺旋以一根繩子做實驗：原來的繩子的兩股以右旋方向纏繞；在繩子的一端向緊纏方向捻轉，再將繩子的兩端連接起來，則產生一個左旋的超螺旋以解除外加捻轉的協變本文檔共32頁；當前第26頁；編輯于星期六\10點50分B-DNA松纏unwinding(左旋)

負超螺旋（NegativeSupercoiled）導致右手超螺旋在繩子的一端向松纏方向捻轉，再將繩子的兩端連接起來，則產生一個右旋的超螺旋以解除外加捻轉的協變本文檔共32頁；當前第27頁；編輯于星期六\10點50分⊙

DNA超螺旋的產生

☆DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構酶產生的

拓撲異構酶I識別負超螺旋DNA，引入正超螺旋拓撲異構酶II主要功能為引入負超螺旋

，在DNA復制中起十分重要的作用

生物體通過拓撲異構酶1和II的相反作用而使負超螺旋達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。

DNA拓撲異構酶催化反應本質是先切斷DNA的磷酸二脂鍵，改變DNA的鏈環(huán)數之后再連接之，兼具DNA內切酶和DNA連接酶的功能．然而它們并不能連接事先已經存在的斷裂DNA，也就是說，其斷裂反應與連接反應是相互耦聯的。本文檔共32頁；當前第28頁；編輯于星期六\10點50分⊙超螺旋的意義原核生物、線粒體、葉綠體、質粒的DNA存在方式，使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；DNA結構的轉化以滿足功能上的需要。如負超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導致局部解鏈形成呼吸泡，利于復制和轉錄本文檔共32頁；當前第29頁；編輯于星期六\10點50分第三節(jié)真核生物染色體的組裝模型

▲染色質染色體☆在細胞分裂間期，基因組以染色質形式存在

☆在細胞分裂期，基因組以染色體形式存在

常染色質DNA的壓縮比為1000-2000，主要為單拷貝基因和中等重復序列，是基因的活躍表達區(qū)域。異染色質DNA折疊壓縮程度比較高，以凝集狀態(tài)存在，對堿性染料著色較深，分為永久性的異染色質和功能性異染色質本文檔共32頁；當前第30頁；編輯于星期六\10點50分▲染色體的化學組成

☆

DNA主要化學成分,