DNA的空间结构-v6.0

1、第二节第二节 DNA的空间结构和功能的空间结构和功能 Dimensional Structure and Function of DNA 什么是核酸什么是核酸 (nucleic acid) 核酸是以核酸是以核苷核苷酸酸为基本单位，通为基本单位，通过过3,5-磷酸二酯磷酸二酯键键连接而成的生物连接而成的生物信息大分子，是信息大分子，是遗遗传信息的携带和传传信息的携带和传递载体递载体。基本组成单位基本组成单位核苷酸核苷酸5 端端3 端端核苷酸之间以磷核苷酸之间以磷酸二酯键连接形成酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核多核苷酸链，即核酸。酸。5端：磷酸末端端：磷酸末端3端：羟基末端端：羟基末端CGA5 -

2、AGTCCATG-3 AGTCCATG DNA的一级结构的一级结构构成构成DNA分子的分子的脱氧核糖核苷酸的排列脱氧核糖核苷酸的排列顺序顺序，就是，就是DNA分子的一级结构，也称分子的一级结构，也称作作碱基序列碱基序列。本节内容本节内容一、一、DNA的双螺旋结构的双螺旋结构二、二、DNA的超螺旋结构及其在的超螺旋结构及其在染色质中的组装染色质中的组装200 years from now, we will talk about Watson and Crick the same way that people talk about Isaac Newton in terms of Physics

3、. -Robert A.Weinberg 一、一、DNA的双螺旋结构的双螺旋结构1. DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景nDNA是遗传物质是遗传物质1944年，年，O. T. Avery等人发表了等人发表了“脱氧核脱氧核糖型的核酸是糖型的核酸是III型肺型肺炎球菌转化要素的基炎球菌转化要素的基本单位本单位”一文，一文，第一第一次证明了次证明了DNA是遗传是遗传物质物质。 nDNA是遗传物质是遗传物质n确定确定DNA分子的四种碱基：分子的四种碱基：ATGC，关于四种碱基组成的关于四种碱基组成的Chargaff规则规则1. DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景Chargaff

4、 规则规则1. 不同来源的不同来源的DNA中：中：A = T，G = C A G C T2. 各种生物的碱基组成是各种生物的碱基组成是特异而稳定特异而稳定的。的。提示提示A-T、G-C间间互补配对的可能性互补配对的可能性nDNA是遗传物质是遗传物质n确定确定DNA分子的四种碱基：分子的四种碱基：ATGC，关于四种碱基组成的关于四种碱基组成的Chargaff规则规则nDNA分子分子X射线衍射照片射线衍射照片螺旋形；螺旋形；双链分子、三链分子？双链分子、三链分子？1. DNA双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背景 Rosalind FranklinDNA分子分子X射线衍射照片射线衍射照片双链分子

5、，螺旋形，反向双链分子，螺旋形，反向三螺旋结构？三螺旋结构？Linus Pauling 利用立体化学规律搭利用立体化学规律搭建模型的方法建模型的方法Watson-Crick结构模型结构模型2.1 两条两条DNA链链反向平行反向平行，形成，形成右手右手双螺旋双螺旋；2. Watson-Crick结构模型的特点结构模型的特点 结构模型要点结构模型要点11.1.反向平行；反向平行； 右手螺旋右手螺旋2.1 两条两条DNA链链反向平行反向平行，形成，形成右手双右手双螺旋螺旋；2.2 两条链间存在两条链间存在碱基互补碱基互补：A与与T或或G与与C配对形成氢键，称为碱基互补原则配对形成氢键，称为碱基互补原

6、则（A = T，G C ）；）；2. Watson-Crick结构模型的特点结构模型的特点 结构模型要点结构模型要点2 2. 碱基互补，碱基互补， A = T，G C 2.3 三个数字三个数字：螺旋直径为螺旋直径为2nm，形成大，形成大沟沟(major groove)及小沟及小沟(minor groove)相间。相间。10个碱基对个碱基对使螺旋上升一圈，使螺旋上升一圈，螺距螺距3.4nm。 结构模型要点结构模型要点33.三个参数：三个参数：螺旋直径为螺旋直径为2nm，10个碱基对一圈，个碱基对一圈，螺距螺距3.4nm2.3 三个数字三个数字：螺旋直径为螺旋直径为2nm，形成大，形成大沟沟(ma

7、jor groove)及小沟及小沟(minor groove)相间。相间。10个碱基对个碱基对使螺旋上升一圈，使螺旋上升一圈，螺距螺距3.4nm。2.4 螺旋的稳定因素为螺旋的稳定因素为氢键氢键和和碱基堆积力碱基堆积力Watson-Crick结构模型结构模型逆向平行双螺旋；逆向平行双螺旋；互补碱基配氢键；互补碱基配氢键；平行碱基堆积力；平行碱基堆积力；三个数字记心间。三个数字记心间。 记记 忆忆3. DNA双螺旋结构的多样性双螺旋结构的多样性某些某些DNA具有更复杂的螺旋结构具有更复杂的螺旋结构Hoogsteen碱基碱基配对形成三股配对形成三股螺旋螺旋DNA H-DNA的结构的结构 4. DN

8、A双螺旋结构的意义双螺旋结构的意义 u真正确定核酸是遗传的物质基础；真正确定核酸是遗传的物质基础；u提出了碱基配对是核酸复制、遗传提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，开始从分子水信息传递的基本方式，开始从分子水平来认识和解释遗传机制。平来认识和解释遗传机制。4. DNA双螺旋结构的意义双螺旋结构的意义 1962年诺贝尔生理学或医学奖：年诺贝尔生理学或医学奖：弗朗西斯弗朗西斯 克里克、杰姆斯克里克、杰姆斯沃森和沃森和莫里斯莫里斯威尔金斯。威尔金斯。二、二、DNA的超螺旋结构的超螺旋结构超螺旋结构超螺旋结构(superhelix 或或supercoil)DNA双螺旋链再盘双螺旋链再盘

9、绕即形成超螺旋结构绕即形成超螺旋结构 n绝大多数原核生物的绝大多数原核生物的DNA都是共价都是共价封封闭的环状闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕双螺旋。如果再进一步盘绕则形成则形成麻花状麻花状的超螺旋结构。的超螺旋结构。 1. 原核生物原核生物DNA的高级结构的高级结构 设人类细胞基因组约设人类细胞基因组约 30 亿亿 bp ，试计算一个二倍体细胞中试计算一个二倍体细胞中 DNA 的的总长度。总长度。2. DNA在真核细胞核内的折叠在真核细胞核内的折叠 思路：双螺旋结构模型思路：双螺旋结构模型- 10个碱个碱基对一圈，基对一圈，螺距螺距3.4nm；二倍体二倍体n在真核生物中，双螺旋的在真核生物中

10、，双螺旋的DNA分子围绕一分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状串珠状结构，称为核小体结构，称为核小体(nucleosome)。2.1 第一层次折叠第一层次折叠-核小体核小体2.2 第二层次折叠第二层次折叠-核小体卷曲核小体卷曲 30nm纤维结合在核骨架纤维结合在核骨架/染色体骨架上染色体骨架上 2.3 更高层次折叠更高层次折叠DNA的组装的组装小小 结结掌握：掌握：Watson-Crick DNA双螺旋双螺旋模型的结构特点模型的结构特点小小 结结熟悉：核小体；熟悉：核小体；DNA的超螺旋的超螺旋结构及其组装结构及其组装双螺旋双螺旋美美 詹姆斯

11、詹姆斯沃森沃森（James D. Watson）双螺旋模型的创立者双螺旋模型的创立者之一之一在这本书在这本书里亲自讲述发现里亲自讲述发现DNA结构的历程。结构的历程。 典型试题分析典型试题分析nA型题型题 1. 核苷酸中碱基（核苷酸中碱基（N）、）、戊糖（戊糖（R）和磷和磷酸（酸（P）之间的连接关系是：之间的连接关系是：A. N-R-PB. N-P-RC. R-N-PD. P-N-RE. R-P-P-N2. 某某DNA分子中腺嘌呤的含量为分子中腺嘌呤的含量为20%，则胞嘧啶的含量为：则胞嘧啶的含量为：A. 10% B. 15% C. 20D. 25%E. 30%3. 核酸的各基本组成单位之间的主要连核酸的各基本组成单位之间的主要连接键是：接键是：A. 二硫键二硫键B. 糖苷键糖苷键C. 磷酸二酯键磷酸二酯键D. 肽键肽键E. 氢键氢键 4. 下列关于下列关于B-DNA双螺旋结构模型的叙述双螺旋结构模型的叙述中，哪一项是中，哪一项是错误错误的？的？ A.两条链方向相反两条链方向相反 B.两股链通过碱基之间的氢键相连两股链通过碱基之