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1、DNA和染色体 第一节 DNA结构第二节 DNA的变性 复性和COt曲线第三节 原核生物染色体及基因组结构特点第四节 真核生物染色体及基因组结构特点 核酸的化学组成 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基 戊糖 嘧啶Pyrimidines 嘌呤Purines 一 含氮碱基 核苷 核苷酸 碱基Nitrogenousbases 基本碱基结构和命名 嘌呤 嘧啶 Adenine A Guanine G Cytosine C Uracil U Thymine T 核苷 nucleotide 嘧啶的1位N原子 嘌呤的9位N原子 核糖是戊糖RNA 核糖核苷DNA 脱氧核糖核苷 1 9 核苷酸 nucleotidea
2、cid 核苷的磷酸酯脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸 Deoxynucleotides 其中 和 和 之间是高能磷酸键 dNTP Ribonucleotides 核糖核苷三磷酸缩写为NTP 核苷酸的结构和命名 腺嘌呤核苷酸 AMP Adenosinemonophosphate 脱氧腺嘌呤核苷酸 dAMP Deoxyadenosinemonophosphate H OH 常见 脱氧 核苷酸的结构和命名 鸟嘌呤核苷酸 GMP 尿嘧啶核苷酸 UMP 胞嘧啶核苷酸 CMP 腺嘌呤核苷酸 AMP 脱氧腺嘌呤核苷酸 dAMP 脱氧鸟嘌呤核苷酸 dGMP 脱氧胞嘧啶核苷酸 dCMP 脱氧胸腺嘧啶核苷酸 dTMP 二
3、 DNA分子的一级结构 DNAsequence 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 DNA RNA的一级结构 DNA一级结构 3 DNA一级结构的特点 a 脱氧核糖是其显著特点 DNA极其稳定的根本原因 DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定只是碱基存在构像的变化 酮式 烯醇式 酮式 烯醇式 b RNA在高pH时则稳定性很差 由于2 OH导致的水解 c 主链是亲水的 侧链 碱基 是疏水的主链脱氧核糖的羟基能与水形成氢键 而磷酸基团在生理条件下
4、离解为负离子 这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象 4 一级结构的概念指DNA分子中的核苷酸排列顺序不同生物借此贮存遗传信息决定DNA的二级结构和高级结构 DNA的二级结构 提出1953 Watson Crick 右手B DNADoublehelixModel 双螺旋的主链 PhosphodiesterBackbone C G T A 碱基互补 直径20 双螺旋模型 P34 螺距为34 任一条链绕轴一周所升降的距离 每圈有10个核苷酸 碱基 有大沟和小沟配对碱基并不充满双螺旋空间 且碱基对占据的空间不对称 两个碱基之间的垂直距离是3 4 螺旋转角是36度 MajorGroove Minor
5、Groove 10 4bp turn 大 小沟的差异 大沟中碱基差异容易识别 往往是蛋白质因子结合特异DNA序列的位点 小沟相对体现的信息较少 二 影响双螺旋结构稳定性的因素 l氢键 Hydrogenbond4 6kc mol 弱键 可加热解链 氢键堆积 有序排列 线性 方向 l磷酸酯键 phosphoesterbond80 90kc mol 强键 需酶促解链 维持稳定性的因素 DNA双螺旋结构的呼吸作用 DNA双螺旋机构中 配对碱基之间的氢键处于连续不断的断裂和再生的动态平衡中 l碱基堆积力 非特异性结合力 1kc mol 0 6kc mol n 范德华力 Vandewaalsforce 1
6、 7A 嘌呤环与嘧啶环作用半径 0 34nm 碱基对间距 疏水作用力 Hydrophobicinteraction 不溶于水的非极性分子在水中相互联合 成串结合的趋势力 其中并无键的生成 即熵值 Entrophy S上升 热力学上的稳定态 成为碱基间的部分堆积力 磷酸骨架 氨基 酮基周围水分子间的有序排列 非极性分子间 嘌呤和嘧啶碱基 的相互成串结合熵值上升 Sgoingup l磷酸基团间的静电斥力 碱基内能增加 温度 使氢键因碱基排列有序状态的破坏而减弱 不稳定因素 l0 2mol LNa 生理盐条件 消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力 三 双螺旋结构的基本形式 P36 B DNA资料来自
7、相对湿度为92 所得到的DNA钠盐纤维 此外人们还发现了A C D E等右手双螺旋和左手双螺旋Z构象等形式 DNA结构的多态性 几种不同的DNA双螺旋结构以及同一种双螺旋结构内参数存在差异的现象 原因 多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键磷酸二酯键的两个P O键 糖苷键 戊糖环各个键 三种DNA双螺旋构象比较 A DNA Z DNA B DNA ABZ 外型粗短适中细长 螺旋方向右手右手左手 螺旋直径2 55nm2 37nm1 84nm 碱基直升0 23nm0 34nm0 38nm 碱基夹角32 7034 6060 00 每圈碱基数1110 412 轴心与碱基对关系 2 46nm3 32nm4
8、 56nm 碱基倾角1901090 糖苷键构象反式反式C T反式 G顺式 大沟很窄很深很宽较深平坦 小沟很宽 浅窄 深较窄很深 A B Z A B Z 大沟宽 小沟窄 小沟窄 大沟变深 小沟宽深 大沟不存在 小沟窄而深 A DNA双螺旋 RNA DNA 转录 RNA RNARNA的核糖2 OH的存在 使之不能适应B构象 否则将与相邻的磷酸 核糖和碱基上的若干原子靠的太近而造成不安定状态 超螺旋 三级结构 和拓扑异构 一 超螺旋 superhelixorsupercoil 最早在SV40和多瘤病毒中发现 超螺旋是所有线性或环形DNA共有的重要特征 DNA的三级结构指双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠
9、所形成的特定构象 包括不同二级结构单元间的相互作用 单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征 螺旋和超螺旋电话线 螺旋 超螺旋 DNA超螺旋结构的形成 1 超螺旋结构的方向性 正超螺旋 左手 positivesupercoiled 导致左手超螺旋 负超螺旋 NegativeSupercoiled 导致右手超螺旋 所有生物的DNA几乎有5 为NegativeSuperhelix 二 超螺旋状态的描述 P38 1 可用数学公式描述 Vinograd方程式 L T W L连接数 Linkingnumber 双链DNA的交叉数 不发生链断裂时 L为定值 T盘绕数 Twistingnumber
10、 双链DNA的缠绕数 初级螺旋圈数 W超螺旋数 Writhingnumber 直观上为双螺旋在空间的转动数 W 负值 negativesuperhelix W 正值 positivesuperhelix DNA超螺旋的形成 超螺旋的拓扑学公式 L T W或 超螺旋数 W 改变的结果之一是产生超螺旋或是在B DNA中保留一单链区域 但须能量的供给B DNA是力学上稳定的结构 10bp helix DNA在水溶液中 构型偏B型状态 DNA以10 5bp helix为最稳定构型 大于10 5bp helix向正超螺旋发展 紧缩态 小于10 5bp helix向负超螺旋发展 松弛态 天然的DNA都是负
11、超螺旋但一些生命活动过程中存在正超螺旋 B DNA的变化情况 2 体外可产生正超螺旋溴化乙锭 EthidiumbromideEB SV40的CCC分子 a EB的插入只改变盘绕数T 使其降低但L值不变 W L TL值不变T值降低W 正值产生正超螺旋 由上看出 超螺旋概念的要点 初级螺旋处于松缠或紧缠状态 与松弛形式相比具有额外的自由能 DNA超螺旋结构形成的意义 使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中 推动DNA结构的转化以满足功能上的需要 如超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性 利于复制和转录 三 拓扑异构酶 拓扑异构体 只在连接数上有差别的同种DNA分子称为这种DNA的拓扑异构
12、体 拓扑异构酶 topoisomerase 催化DNA由一种拓扑异构体转变成另一种拓扑异构体的酶类 拓扑异构酶的类别和特性 被切割的DNA链1122 对ATP的需求否否是是 依赖于DNA的ATP酶否否是是 产生负超螺旋否否是否 松弛负超螺旋是是否是 松弛正超螺旋否是是是 原核生物两类拓扑异构酶 除连环数 L 不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体 topoisomerase DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构 拓扑异构酶I通过使DNA的一条链发生断裂和再连接 能使超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA 每催化一次可消除一个负超螺旋 即L增加 反应无需供给能量 拓扑异构酶I
13、I则刚好相反 可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA 每催化一次 L减少 可引入负超螺旋 拓扑异构酶II亦称旋转酶 它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接 当它引入超螺旋时需要ATP提供能量 细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制 使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平 改变超螺旋的方式 结合到一条链上形成复合物 切断一条链形成酶和DNA的复合体 一条链穿越 重新连接 L 2 L 3 1 拓扑异构酶 topoisomeraseI 结果 连接数增加一个 L 1 2 拓扑异构酶 TopII旋转酶 gyrase Top 亚类之一引入负超螺旋 作用于双链涉及双链的断裂和连接即L 3 拓扑异构酶的生物学
14、功能 b 防止细胞DNA的过度超螺旋多种拓扑异构酶的作用严格控制体内负超螺旋维持在5 水平 种拓扑异构酶的单向突变对细胞来说是致命的因而一般两种拓扑异构酶的突变水平相当 a 恢复由一些细胞过程产生的超螺旋如 复制叉前面正超螺旋的消除转录酶前正超螺旋的消除 后面负超螺旋的产生 拓扑异构酶的反应本质 先切断DNA的磷酸二酯键 改变DNA的连接数 L 后再连接之 兼具DNA内切酶和DNA连接酶的功能 但不能连接事先已经存在的断裂DNA 拓扑异构酶的断裂反应和连接反应是相偶联的 DNA的变性 复性与Cot曲线 一 DNA分子的变性 1 变性 denaturation或融解melting DNA双螺旋区
15、的氢键断裂 使双螺旋的两条链完全分开变成单链 这一链分离的过程叫做变性 条件 加热 高pH 有机溶剂 尿素 酰胺 低盐浓度等 熔液黏度降低 沉降速度加大 浮力密度上升 此外吸收值升高 A260nm 即增色效应指在DNA变性的过程中 它在260nm的吸收值先是缓慢上升 达到某一温度时及骤然上升 天然DNA和变性DNA的吸收值相差可达34 第三节核酸的理化性质 核酸的最大吸收波长260nm 260nm 一 核酸的紫外吸收 吸收 光吸收基团 碱基原因 碱基有共轭大 键 用途 定性检测核酸 变性DNA 正常DNA 特点 1 紫外吸收增加增色效应 DNA变性过程中 其紫外吸收增加的现象 变性后的特点 2
16、 粘度下降 变性因素 强酸碱 有机溶剂 高温等等 50 Tm 热变性和变性曲线 Tm 变性温度 熔点 解链温度 DNA双螺旋结构一半解为单链时的温度 不同DNA的Tm值不同 一般在82 95 之间 曲线说明DNA变性是爆发式 50 Tm Tm Tm PolyA T 影响因素 1 G C含量 DNA polyG C 2 DNA的复杂程度 均一性 均一性好 则熔解温度范围窄3 介质的离子强度 离子强度高 则Tm值高 1 185 熔解曲线与Tm值 2 常用的变性方法 热变性 碱变性 应用广泛 特别是用于变性动力学研究 缺点 高温引起磷酸二酯键的断裂 得到长短不一的单链 pH 11 3时 全部氢键被淘汰 无热变性的缺点 为制备单链DNA的首选方法 保存单链DNA的条件保持pH大于11 3盐浓度低于0 01mol L D SDNA S SDNA Denaturation Renaturation 复性过程依赖于单链分子间的随机碰撞 二 DNA分子的复性 annealorrenaturation 概念 变性DNA在适当条件下 两条彼此分开的链又可以重新地合成双螺旋结构的过程 退火 1 影响DNA复
