第二核酸的結構和功能

1、第二章 核酸的結構和功能 第二節(jié)第二節(jié) DNA高級結構高級結構第三節(jié)第三節(jié) 真核生物染色體的組裝模型真核生物染色體的組裝模型 3 雙螺旋結構的其他形式雙螺旋結構的其他形式 4 DNA二級結構的其它形式二級結構的其它形式脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA） 核糖核酸核糖核酸（ribonucleicacid,RNA） 核苷核苷（nucleoside)：由由D核糖或核糖或D2脫氧核脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。核酸中的主要核酸中的主要核苷有核苷有5種。種。 核苷酸核苷酸(nucleotide)：核苷酸

2、與磷酸殘基構成核苷酸與磷酸殘基構成的化合物，即核苷的磷的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分酸酯。核苷酸是核酸分子的結構單元。子的結構單元。 3,5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵：核酸是由眾多核苷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：間的連接鍵即：3，5磷酸二酯鍵。磷酸二酯鍵。 1 核酸的化學組成與共價結構核酸的化學組成與共價結構1 核酸的化學組成與共價結構核酸的化學組成與共價結構 DNA分子的一級結構分子的一級結構 多聚核苷酸鏈多聚核苷酸鏈 主鏈是核糖和磷酸主鏈是核糖和磷酸 側鏈為堿基側鏈為堿基 由由3,5磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵連

3、接連接 鏈的方向：同一個磷酸基鏈的方向：同一個磷酸基 的的3酯鍵到酯鍵到5酯鍵的方向酯鍵的方向 (53) 5-UCAGGCUA-3 = UCAGGCUA 默認書寫順序默認書寫順序53 3551953. Watson & Crick1953. Watson & Crick Watson（沃森）（沃森） 和和 Crick（克（克里克）建立的雙螺旋模型里克）建立的雙螺旋模型 Chatgaff （查塔姆）對（查塔姆）對DNA堿堿基組成的研究結果基組成的研究結果 Wilkins（威爾金斯）及其同事（威爾金斯）及其同事Franklin（富蘭克林）等用（富蘭克林）等用X射線衍射方射線衍射方法

4、獲得的法獲得的DNA結構資料結構資料 雙螺旋雙螺旋DNA的結構特點：的結構特點：l右手反平行雙螺旋右手反平行雙螺旋l主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側，核糖平面與旋轉軸主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側，核糖平面與旋轉軸接近平行接近平行l(wèi)兩條鏈間存在堿基互補兩條鏈間存在堿基互補l螺旋的螺旋的每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34 nm，每每10個核苷酸形成一個螺旋，個核苷酸形成一個螺旋，螺距為螺距為3.4nm，直徑為，直徑為2nml大溝大溝（major groove，2.2nm）和小溝和小溝（minor groove，1.2nm）模型中的堿基配對有何重要性？模型中

5、的堿基配對有何重要性？A-T,G-C配對可形成很好的線性氫鍵；配對可形成很好的線性氫鍵；A-T對和對和G-C對的幾何形狀一樣，使雙鏈距離相近，使對的幾何形狀一樣，使雙鏈距離相近，使雙螺旋保持均一；雙螺旋保持均一；堿基對處在同一平面內。不論核苷酸的順序如何，都不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；影響雙螺旋的結構；為為DNA半保留復制奠定了基礎。半保留復制奠定了基礎。影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的因素影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的因素 堿基堆積的棒狀實體堿基堆積的棒狀實體 氫鍵氫鍵 (Hydrogen bond 46 kc(Hydrogen bond 46 kc / mol) /

6、mol)弱鍵弱鍵, , 可加熱解鏈可加熱解鏈氫鍵堆積氫鍵堆積, , 有序排列有序排列( (線性線性, ,方向方向) 堿基堆積力堿基堆積力 ( (非特異性結合力非特異性結合力) ) 磷酸骨架磷酸骨架, , 氨基氨基, , 酮基周圍水分子間的有序排列酮基周圍水分子間的有序排列 嘌呤環(huán)與嘧啶環(huán)作用半徑嘌呤環(huán)與嘧啶環(huán)作用半徑 疏水作用力疏水作用力 (Hydrophobic interaction) 3.4A(0.34 nm/堿基對間距堿基對間距) 每一個核苷酸的磷酸基上都帶有一個負電荷。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，雙鏈之間的這如果這些負電荷沒有被中和，雙鏈之間的

7、這種強有力的靜電排斥作用將驅使兩條鏈分開種強有力的靜電排斥作用將驅使兩條鏈分開 堿基分子的內能堿基分子的內能 DNA的構象現(xiàn)已知有的構象現(xiàn)已知有A，B，C，D，E，T，Z 7種。引起種。引起DNA雙鏈構象改變有以下因素：雙鏈構象改變有以下因素： （1）核苷酸順序；）核苷酸順序； （2）堿基組成；）堿基組成； （3）鹽的種類；）鹽的種類； （4）相對濕度。）相對濕度。3 雙螺旋結構的其他形式雙螺旋結構的其他形式B-DNA：生理狀態(tài)下，每螺圈：生理狀態(tài)下，每螺圈10.4個堿基對，右手螺旋；個堿基對，右手螺旋；A-DNA：高鹽濃度下，每螺圈：高鹽濃度下，每螺圈11個堿基對，右手螺旋；個堿基對，右手螺

8、旋；Z-DNA：序列富含：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)，每螺圈，嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)，每螺圈12個個堿基對，左手螺旋堿基對，左手螺旋 DNA鈉鹽在相對濕度鈉鹽在相對濕度92或活或活細胞生理狀態(tài)下，以及細胞生理狀態(tài)下，以及AT較較豐富的大多數(shù)自然豐富的大多數(shù)自然DNA。DNARNA雜交雜交分子或分子或RNA雙鏈雙鏈在高鹽的條件下，嘌呤在高鹽的條件下，嘌呤-嘧啶嘧啶相間排列，在活細胞中如果相間排列，在活細胞中如果胞嘧啶被甲基化的（胞嘧啶被甲基化的（m5C） ZDNA的生物學意義：的生物學意義： 應當指出應當指出ZDNA的形成通常在熱力學上是不利的。因的形成通常在熱力學上是不利的。因為為ZDNA中

9、帶負電荷的磷酸根距離太近了，這會產物靜中帶負電荷的磷酸根距離太近了，這會產物靜電排斥。但是，電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點。的解鏈位點。DNA解螺旋卻是解螺旋卻是DNA復制和轉錄等過程中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。 第二節(jié)第二節(jié) DNA分子的高級結構分子的高級結構l單鏈核酸形成的發(fā)夾結構單鏈核酸形成的發(fā)夾結構 l回文序列形成的十字形結構回文序列形成的十字形結構 l三股螺旋三股螺旋DNA lDNADNA的超螺旋結構的超螺旋結構當同一個核酸分子中一段堿

10、基序列附近緊接著一段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)夾反向平行的雙螺旋結構，稱為發(fā)夾（hairpin）。由莖。由莖（配對區(qū)）（配對區(qū)）和環(huán)和環(huán)（非配對區(qū)）（非配對區(qū)）組成。組成。 單鏈核酸形成的發(fā)夾結構單鏈核酸形成的發(fā)夾結構四股螺旋四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ) 1958. Poly(G) X-ray photograph 堿基形成環(huán)狀氫鍵連接結構堿基形成環(huán)狀氫鍵連接結構Tetrable Helix

11、DNA 均有形成均有形成四股螺旋四股螺旋DNA的可能的可能 5-TTAGGGTTAGGGTTAGGG-33-AATCCCAATCCC-5 Poly (G), 4 (dG) 染色體端粒高度重復的染色體端粒高度重復的 DNA序列序列 著絲點附近的高度重復序列著絲點附近的高度重復序列 形成條件串聯(lián)重復的鳥苷酸形成條件串聯(lián)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已有實驗結果表明真核細胞端粒中存在四鏈結構 結結 構構 特特 點點Linked by Hoogsteen BondingGGGG DNA的超螺旋結構的超螺旋結構 超螺旋是超螺旋是DNA三級結構的主要形式，雙螺旋三級結構的主要形式

12、，雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞則形成。進一步扭曲盤繞則形成。DNA的超螺旋結構的超螺旋結構超螺旋是有方向的，有超螺旋是有方向的，有正超螺旋正超螺旋和和負超螺旋負超螺旋兩種兩種 超螺旋結構的方向性超螺旋結構的方向性B-DNA緊纏緊纏overwindingoverwinding (右旋右旋) 正超螺旋正超螺旋（positive supercoiledpositive supercoiled ）導致左手超螺旋導致左手超螺旋以一根繩子做實驗：以一根繩子做實驗：原來的繩子的兩股以原來的繩子的兩股以右旋方向纏繞；在繩右旋方向纏繞；在繩子的一端向緊纏方向子的一端向緊纏方向捻轉，再將繩子的兩捻轉，再將繩子的兩端

13、連接起來，則產生端連接起來，則產生一個左旋的超螺旋以一個左旋的超螺旋以解除外加捻轉的協(xié)變解除外加捻轉的協(xié)變B-DNA松纏松纏unwindingunwinding (左旋左旋) 負超螺旋負超螺旋（Negative Supercoiled ）導致右手超螺旋導致右手超螺旋在繩子的一端向松纏在繩子的一端向松纏方向捻轉，再將繩子方向捻轉，再將繩子的兩端連接起來，則的兩端連接起來，則產生一個右旋的超螺產生一個右旋的超螺旋以解除外加捻轉的旋以解除外加捻轉的協(xié)變協(xié)變 DNADNA超螺旋的產生超螺旋的產生 DNA超螺旋都是由超螺旋都是由DNA拓撲異構酶產生的拓撲異構酶產生的 l 拓撲異構酶拓撲異構酶I識別負超螺

14、旋識別負超螺旋DNA ，引入正超螺旋，引入正超螺旋l 拓撲異構酶拓撲異構酶II 主要功能為引入負超螺旋主要功能為引入負超螺旋 ，在，在DNA復復制中起十分重要的作用制中起十分重要的作用 生物體通過拓撲異構酶生物體通過拓撲異構酶1和和II的相反作用而使負超螺的相反作用而使負超螺旋達到一個穩(wěn)定狀態(tài)旋達到一個穩(wěn)定狀態(tài)。 DNA拓撲異構酶催化反應本質拓撲異構酶催化反應本質是先是先切斷切斷DNA的磷酸二脂鍵，改變的磷酸二脂鍵，改變DNA的鏈環(huán)數(shù)之后再的鏈環(huán)數(shù)之后再連接連接之，兼具之，兼具DNA內切酶和內切酶和DNA連接酶的功連接酶的功能然而它們并不能連接事先已經存在的斷裂能然而它們并不能連接事先已經存在

15、的斷裂DNA，也就是說，其斷，也就是說，其斷裂反應與連接反應是相互耦聯(lián)的。裂反應與連接反應是相互耦聯(lián)的。 超螺旋的意義超螺旋的意義l 原核生物、線粒體、葉綠體、質粒的原核生物、線粒體、葉綠體、質粒的DNA存在方存在方式，使式，使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；l DNA結構的轉化以滿足功能上的需要。如負超螺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，利于復制和轉錄呼吸泡，利于復制和轉錄第三節(jié)第三節(jié) 真核生物染色體的組裝模型真核生物染色體的組裝模型 染色質染色質

16、 染色體染色體 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在細胞分裂期，基因組以染色體形式存在 l 常染色質常染色質 DNA的壓縮比為的壓縮比為1000-2000 ，主要為單拷貝基因和中等重復序列，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。是基因的活躍表達區(qū)域。 l 異染色質異染色質 DNA折疊壓縮程度比較高，以折疊壓縮程度比較高，以凝集狀態(tài)存在，對堿性染料著色較凝集狀態(tài)存在，對堿性染料著色較深，分為深，分為永久性的異染色質永久性的異染色質和和功能功能性異染色質性異染色質 染色體的化學組成染色體的化學組成 核小體核小體染色體結構的基本單位染色體結構的基本單位核小體的結構核小體的結構 組蛋白核心組蛋白核心l 八聚體（八聚體（H2AH2NH3H4 各兩分子）。各兩分子）。 DNAl 左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共，共1.75圈，約圈，約146bp ；