遗传物质遗传物质——DNA与RNA1、二级结构的其他形式2、真核生物染色体端粒DNA结构3 、DNA的超螺旋结构(三级结构)第四组问题？二级结构的其他形式• 1 单链核酸形成的二级结构• 2 反向重复与二级结构• 3 三螺旋DNA• 4 DNA的四链结构1 单链核酸形成的二级结构• 单链核酸的某段碱基可以与另一独立的单链分 子的碱基配对，形成双螺旋，可以是DNA-DNA 、RNA-RNA，也有DNA-RNA—分子杂交发夹结构：• 同一个单链RNA/DNA的一段碱基序列附 近存在着和它互补的碱基序列时，这个单 链自身回折产生一个反平行的双螺旋结构 单链RNA形成发夹结构发夹结构由碱基配对的双螺旋区—茎 和末端不配对的环构成互补序列间间隔较短或无间隔互补序列间间隔较长2 反向重复与二级结构 • 反向重复 ：双链DNA中的一段序列按确定 的方向，读双链中的每条链的序列都相同 ， • 反向重复中的序列又称回文序列单链形成发夹结构形成十字结构要更耗能，所以在体外反向 重复结构存在多，而体内无该结构反 向 重 复 与 十 字 结 构作用：1）较短的回文序列可能是作为一种信号如：限制性内切酶的识别位点 一些调控蛋白的识别位点 例如限制性内切酶 EcoRⅠ的识别位点 5‘－－GAATTC－－3’3‘－－CTTAAG－－5’2）转录作用的终止与回文结构也有关系。
1953 年 Watson & Crick 双螺旋 DNA构型证明沿大沟存在多余的氢键作为给体与受体潜在的专一与DNA (蛋白质) 结合的能力形成三链 DNA 可能性 3 三螺旋DNA• 1957年 Felsenfield 发现：当双螺旋DNA中 的一条链为全嘌呤链，另外一条链为全嘧 啶链时，会出现核酸三链结构poly(U) + poly(U) + poly(A) 三螺旋RNA 双螺旋 DNA的概念• 三链DNA是由三条核苷酸链按一定的规律 绕成的螺旋状结构结构单元：三碱基体， 结合方式：碱基间形成氢键；三螺旋双螺旋基本类型：• 嘧啶-嘌呤-嘧啶型（YR*Y）：第三条嘧啶链以平 行于双螺旋中嘌呤链的方向，缠绕到双螺旋的大 沟上，与嘌呤链结合• 如TA*T和CG*C；• 其中C必须质子化才能稳定三螺旋的结构，其碱 基氢键构造是霍氏（K.Hoogsteen）首先提出， 称为Hoogsteen霍氏氢键• 嘌呤-嘌呤-嘧啶（ YR*R）：第三条嘌呤链反平 行于双螺旋嘌呤链的方向缠绕到双螺旋的大沟上 ，与嘌呤链结合；• 如CG*G、TA*A、TA*T、CG*A四种。
三链 DNA可能的功能 a) 可阻止调节蛋白与 DNA结合, 关闭基因转录过程b) b) 与基因重组, 交换有关 c) 加入第三条DNA 作为分子剪刀, 定点切割DNA 分子 d) 加入反义的第三条链终止基因的表达 4 DNA4 DNA的四链结构的四链结构 DNA3’-末端较长的富含G序列能够形成回折 结构（下图a和b），通过碱基间的非标准配对 形成G的四链DNA（下图c和d）在这样的结构中，G形成一种四联体，相互间 通过霍氏氢键霍氏氢键方式结合GGGGpp 在在G-G-四链体结构中：四链体结构中：G-G-四联体以螺旋方式堆积而成以螺旋方式堆积而成 ，四个鸟嘌呤构成，四个鸟嘌呤构成G-G-四方体平面，其中每个鸟嘌四方体平面，其中每个鸟嘌 呤都作为碱基对氢键的供体和受体呤都作为碱基对氢键的供体和受体p 结构单元：鸟嘌呤四联体GGGG类型:5‘3‘TTTGGGGGGGGGGGG GGGGGGTTTTTTGGGGTTTGGGGTTTGGGGTTT真核生物染色体端粒DNA结构可能的功能 A 稳定真核生物染色体结构，抑制端粒酶的活 性；B 保证DNA末端准确复制 C 与DNA分子的组装有关 D 与染色体的减数分裂和有丝分裂有关DNA的超螺旋结构(三级结构)1 超螺旋pp绝大多数原核生物及病毒的完整绝大多数原核生物及病毒的完整DNADNA分子分子 都是共价封闭环分子。
这种双螺旋环状分都是共价封闭环分子这种双螺旋环状分 子再度螺旋化成为超螺旋，子再度螺旋化成为超螺旋，pp真核生物线状真核生物线状DNADNA与蛋白质结合以环状的与蛋白质结合以环状的 形成存在形成存在因此• 超螺旋结构是DNA三级结构的主要形式• 超螺旋是有方向的，有正超螺旋和负超螺 旋两种真核生物染色体 线形分子DNA 组蛋白多级螺旋多个类似环型的 结构超螺旋的成因Ø共价封闭环状DNA或者与蛋白质结合的 DNA中，双链不能自由转动，额外的张力 不能释放，导致DNA扭曲来缓解张力，最 终形成超螺旋超螺旋结构的方向性ØDNA分子无论是闭合还是开放结构，只 要缺乏超螺旋结构，称为松旋结构Ø负超螺旋：形成超螺旋时，旋转方向与 DNA双螺旋方向相反，使得DNA分子内 张力减少，使得解旋Ø正超螺旋: 刚好相反，形成超螺旋的旋转 方向与DNA螺旋方向相同，加大了DNA 分子内部张力，使得紧旋松驰结构 负超螺旋 解链结构天然的DNA都呈负超螺旋，但在体外一些片状的染料分子，也能改变片状的染料分子，也能改变DNADNA的拓扑状态，嵌入相邻碱基之间影响碱基的拓扑状态，嵌入相邻碱基之间影响碱基堆集作力。
最明显得例子就是堆集作力最明显得例子就是溴化乙锭，溴化乙锭，可得正超螺旋• 超螺旋DNA分子的结构紧密，有较大的沉降 常数，有较大的电泳迁移率这是实验室中 分离纯化并鉴定超螺旋DNA的重要依据1）超螺旋是能量的储存形式：2）负超螺旋可以控制DNA结构变化的平衡 ，完成松弛DNA不能完成的结构转化；如负超螺旋推动完成DNA双链分离2 超螺旋影响双螺旋的结构3 拓扑异构酶• 所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构 酶产生的• DNA拓扑酶催化同一DNA分子不同超螺 旋状态之间的转变，催化一个DNA单链或双螺旋链穿过另外一个单双链DNA拓扑异构酶催化反应的本质：• 先切断DNA的磷酸二酯键，改变DNA 的链环数之后再连接之，兼具DNA内切 酶和DNA连接酶的功能拓扑异构酶的生物学功能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a、恢复由一些细胞过程产生的超螺旋如：复制叉前面正超的消除转录酶前正超的消除，后面负超的产生类型1）Ⅰ型拓扑异构酶( TopⅠ) ：2）II型拓扑异构酶(Top II )1）拓扑异构酶I (TopoⅠ)：• 作用特点：Ø作用于单链DNAØ不需要ATP和任何等辅助因子。
Ø对环状单链、双链DNA有打结或解结作用 ，以及使环状单链DNA形成环状双链DNA 拓扑异构酶I 的作用2） 拓扑异构酶Ⅱ（ TopoⅡ ）：• 也叫DNA旋转酶(DNA gyrase) • 作用特点：Ø作用双链DNA，Ø需要ATP水解为ADP以供能量Ø能够环连或解环连，以及打结或解结拓扑异构酶II的作用。