第二章核酸的结构和功能3

第一节DNA结构

1核酸的化学组成与共价结构2双螺旋模型的特征

3双螺旋结构的其他形式4DNA二级结构的其它形式目前一页\总数三十二页\编于七点核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）

核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）

1核酸的化学组成与共价结构◆组成◆类型目前二页\总数三十二页\编于七点1核酸的化学组成与共价结构◆碱基目前三页\总数三十二页\编于七点1核酸的化学组成与共价结构◆戊糖目前四页\总数三十二页\编于七点◆核苷（nucleoside)：由D－核糖或D－2脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核苷有5种。

◆核苷酸(nucleotide)：核苷酸与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。◆

3’,5’－磷酸二酯键：核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸，相邻二个核苷酸之间的连接键即：3’，5’－磷酸二酯键。

1核酸的化学组成与共价结构目前五页\总数三十二页\编于七点1核酸的化学组成与共价结构

◆

DNA分子的一级结构①

多聚核苷酸链

主链是核糖和磷酸侧链为碱基

由3’,5’磷酸二酯键连接

②链的方向：同一个磷酸基的3’酯键到5’酯键的方向(5’→3’)5’-UCAGGCUA-3’=UCAGGCUA

默认书写顺序5‘→3’

3’5’5’目前六页\总数三十二页\编于七点2双螺旋模型的特征1953.Watson&Crick

Watson（沃森）和Crick（克里克）建立的双螺旋模型

Chatgaff（查塔姆）对DNA碱基组成的研究结果

Wilkins（威尔金斯）及其同事Franklin（富兰克林）等用X射线衍射方法获得的DNA结构资料

目前七页\总数三十二页\编于七点双螺旋DNA的结构特点：右手反平行双螺旋主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧，核糖平面与旋转轴接近平行两条链间存在碱基互补螺旋的每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，螺距为3.4nm，直径为2nm大沟（majorgroove，2.2nm）和小沟（minorgroove，1.2nm）2双螺旋模型的特征目前八页\总数三十二页\编于七点模型中的碱基配对有何重要性？①A-T,G-C配对可形成很好的线性氢键；②A-T对和G-C对的几何形状一样，使双链距离相近，使双螺旋保持均一；③碱基对处在同一平面内。不论核苷酸的顺序如何，都不影响双螺旋的结构；④为DNA半保留复制奠定了基础。2双螺旋模型的特征目前九页\总数三十二页\编于七点影响双螺旋结构稳定性的因素

碱基堆积的棒状实体

●氢键

(Hydrogenbond4~6kc/mol)弱键,可加热解链氢键堆积,有序排列(线性,方向)

目前十页\总数三十二页\编于七点●碱基堆积力

(非特异性结合力)

磷酸骨架,氨基,酮基周围水分子间的有序排列

嘌呤环与嘧啶环作用半径疏水作用力

(Hydrophobicinteraction)

3.4A°(0.34nm/碱基对间距)目前十一页\总数三十二页\编于七点●带负电荷的磷酸基的静电斥力每一个核苷酸的磷酸基上都带有一个负电荷。如果这些负电荷没有被中和，双链之间的这种强有力的静电排斥作用将驱使两条链分开

目前十二页\总数三十二页\编于七点●碱基分子的内能

当由于温度等因素使碱基分子内能增加时．碱基的定向排列遭受破坏，从而削弱碱基的氢键结合力和碱基的堆集力，会使DNA双螺旋结构受到破坏。目前十三页\总数三十二页\编于七点

综上所述在决定DNA双螺旋结构状态的四点因素中，前二者(互补碱基的氢键结合力和相邻碱基的堆集力)有利于DNA维持双螺旋构型，而后二者(磷酸基的静电斥力和碱基分子的内能)则不利于DNA维持双螺旋构型。一种DNA分子的结构状态将是达四种因素竞争的结果。

目前十四页\总数三十二页\编于七点

◆DNA的构象现已知有A，B，C，D，E，T，Z7种。引起DNA双链构象改变有以下因素：

（1）核苷酸顺序；（2）碱基组成；（3）盐的种类；（4）相对湿度。3双螺旋结构的其他形式目前十五页\总数三十二页\编于七点B-DNA：生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；

A-DNA：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；

Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈12个碱基对，左手螺旋。

DNA钠盐在相对湿度92％或活细胞生理状态下，以及A－T较丰富的大多数自然DNA。DNA－RNA杂交分子或RNA双链在高盐的条件下，嘌呤-嘧啶相间排列，在活细胞中如果胞嘧啶被甲基化的（m5C）目前十六页\总数三十二页\编于七点

Z－DNA的生物学意义：应当指出Z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因调节有关。

目前十七页\总数三十二页\编于七点第二节DNA分子的高级结构单链核酸形成的发夹结构回文序列形成的十字形结构三股螺旋DNADNA的四链结构DNA的超螺旋结构目前十八页\总数三十二页\编于七点

当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折配对产生一个反向平行的双螺旋结构，称为发夹（hairpin）。由茎（配对区）和环（非配对区）组成。

●单链核酸形成的发夹结构目前十九页\总数三十二页\编于七点

回文序列：又称反向重复序列，指DNA片段上的一段具有二重旋转对称性的反向互补序列。在双链DNA中，如果两条互补链分开，每条链上的互补序列都有机会发生碱基配对而形成一个发夹。两个相对的发夹结构形成了一个十字形结构，对应于4个双螺旋区域的交叉点。原来的双螺旋位于十字形结构的两侧。●回文序列形成的十字形结构目前二十页\总数三十二页\编于七点

1957，Felsenfeld发现三链核酸结构（triplex)，1963，Hoogsteen，提出DNA三螺旋结构，Hoogsteen模型中，第三个碱基以A或T与A＝T中的A配对，G或C与G三C中的G配对，只形成2个氢键，三股螺旋中第三股链可以来自分子间或分子内。当DNA一条链或其中一段为全嘌呤，另一条链或其中对应的一段为全嘧啶，责可回折产生H－DNA，这种重复序列又称H回文序列。

●三股螺旋DNA目前二十一页\总数三十二页\编于七点●四股螺旋DNA

(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)

1958.Poly(G)X-rayphotograph

碱基形成环状氢键连接结构TetrableHelixDNA均有形成四股螺旋DNA的可能

5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’Poly(G),4(dG)染色体端粒高度重复的DNA序列着丝点附近的高度重复序列

形成条件－－串联重复的鸟苷酸已有实验结果表明－－真核细胞端粒中存在四链结构

目前二十二页\总数三十二页\编于七点结构特点LinkedbyHoogsteenBondingGGGG目前二十三页\总数三十二页\编于七点

⊙DNA的超螺旋结构超螺旋是DNA三级结构的主要形式，双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成。●DNA的超螺旋结构目前二十四页\总数三十二页\编于七点超螺旋是有方向的，有正超螺旋和负超螺旋两种

目前二十五页\总数三十二页\编于七点超螺旋结构的方向性B-DNA紧缠overwinding(右旋)

正超螺旋（positivesupercoiled）导致左手超螺旋以一根绳子做实验：原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变目前二十六页\总数三十二页\编于七点B-DNA松缠unwinding(左旋)

负超螺旋（NegativeSupercoiled）导致右手超螺旋在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的协变目前二十七页\总数三十二页\编于七点⊙

DNA超螺旋的产生

☆DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的

拓扑异构酶I识别负超螺旋DNA，引入正超螺旋拓扑异构酶II主要功能为引入负超螺旋

，在DNA复制中起十分重要的作用

生物体通过拓扑异构酶1和II的相反作用而使负超螺旋达到一个稳定状态。

DNA拓扑异构酶催化反应本质是先切断DNA的磷酸二脂键，改变DNA的链环数之后再连接之，兼具DNA内切酶和DNA连接酶的功能．然而它们并不能连接事先已经存在的断裂DNA，也就是说，其断裂反应与连接反应是相互耦联的。目前二十八页\总数三十二页\编于七点⊙超螺旋的意义原核生物、线粒体、叶绿体、质粒的DNA存在方式，使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部解链形成呼吸泡，利于复制和转录目前二十九页\总数三十二页\编于七点第三节真核生物染色体的组装模型

▲染色质染色体☆在细胞分裂间期，基因组以染色质形式存在

☆在细胞分裂期，基因组以染色体形式存在

常染色质DNA的压缩比为1000-2000，主要为单拷贝基因和中等重复序列，是基因的活跃表达区域。异染色质DNA折叠压缩程度比较高，以凝集状态存在，对碱性染料着色较深，分为永久性的异染色质和功能性异染色质目前三十页\总数三十二页\编于七点▲染色体的化学组成

☆

DNA主要化学