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1、第二章第二章核酸核酸第三节 DNA的二级结构(一)二级结构的概念 空间结构：多核苷酸链内或链间通过氢键折叠而成空间结构：多核苷酸链内或链间通过氢键折叠而成的构象。的构象。DNADNA的二级结构是指的二级结构是指DNADNA的双螺旋结构。的双螺旋结构。双螺旋结构是双螺旋结构是DNADNA的两条链围着同一中心轴旋绕而的两条链围着同一中心轴旋绕而成的空间结构。成的空间结构。DNADNA的的双双螺螺旋旋模模型型是是由由WatsonWatson和和CrickCrick两两位位科科学学家家于于19531953年提出的。年提出的。三、三、DNADNA的二级结构的二级结构(二)双螺旋结构模型提出的依据三、三、
2、DNADNA的二级结构的二级结构1 1、DNADNA的的X-X-射线衍射图射线衍射图(Franklin and Wilkins)(Franklin and Wilkins)(1)(1)衍射斑点呈交叉状分布；衍射斑点呈交叉状分布；(2)(2)衍射点之间的距离与层次表明有衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm0.34nm和和3.4nm3.4nm的周期性；的周期性；(3)(3)图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状。图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状。(二二)双螺旋结构模型提出的依据双螺旋结构模型提出的依据三、三、DNADNA的二级结构的二级结构2 2、DNADNA的碱基组成分析的碱基组成分析
3、（ChargaffChargaff定则）定则）Chargaff规则的内容规则的内容.所有所有DNA：A=T、G=C，即，即A+G=T+C.DNA的的碱碱基基组组成成具具有有种种的的特特异异性性，即即不不同同种种的的DNA碱碱基基组组成成不不一样一样.对同一生物物种，对同一生物物种，DNA的碱基组成没有组织和器官的特异性的碱基组成没有组织和器官的特异性.DNA的碱基组成不随年龄、营养状况及环境的改变而改变的碱基组成不随年龄、营养状况及环境的改变而改变Chargaff规则的意义规则的意义该规则为后来建立该规则为后来建立DNA双螺旋结构模型奠定的基础，并为阐明双螺旋结构模型奠定的基础，并为阐明DNA
4、的生物学功能提供了重要依据。的生物学功能提供了重要依据。糖环平面与中轴平行；碱基则伸向螺糖环平面与中轴平行；碱基则伸向螺旋内部，碱基平面与中轴垂直。旋内部，碱基平面与中轴垂直。由两条反向平行的脱氧多核苷由两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴构成右手酸链围绕同一中心轴构成右手双螺旋结构。双螺旋结构。由糖由糖-磷酸通过磷酸通过3,53,5磷酸二酯磷酸二酯键相互连接构成的主链处于螺旋键相互连接构成的主链处于螺旋外侧。外侧。(三)双螺旋结构模型的基本特征1 主链5533中心轴(三)双螺旋结构模型的基本特征 A A =T TG CG C（碱基互补具有极其（碱基互补具有极其重要的生物学意义，重要的生
5、物学意义，是是DNADNA复制、转录、复制、转录、反转录的分子基础）反转录的分子基础）2 碱基配对(三)双螺旋结构模型的基本特征3 螺旋参数0.34 nm363.4nm2nm10 nt碱基堆积距离碱基堆积距离0.34nm0.34nm。每对。每对脱氧核苷酸残脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转基沿纵轴旋转3636所以每所以每1010个碱基对形成个碱基对形成一个螺旋，螺一个螺旋，螺距距3.4nm3.4nm。双螺。双螺旋直径为旋直径为2nm2nm。双螺旋表面形成两种凹槽：双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大较浅的叫小沟，另一条叫大沟。沟。大沟大沟(2.2 nm)(2.2 nm)：宽：宽 深深小沟小沟
6、(1.2 nm)(1.2 nm)：窄：窄 深深4 大沟和小沟GCAT(四)维持双螺旋结构稳定性的力三、三、DNADNA的二级结构的二级结构互补碱基之间的氢键互补碱基之间的氢键碱碱基基堆堆集集力力：碱碱基基堆堆集集成成非非极极性性的的核核心心区区域域，相相互互间间产产生生疏疏水水作作用用和和范范德德华华力力 离子键：离子键：磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键。带正电荷的蛋白子之间形成离子键。带正电荷的蛋白质可与带负电荷的质可与带负电荷的DNADNA结合。结合。(五五)DNA双螺旋结构的形式双螺旋结构的形式 三、三、DNADNA的二级结构的二级结构螺旋
7、桨扭转（螺旋桨扭转（Propeller twist）：）：就是一个碱基对中的两个碱基并不处于同一平面中，就是一个碱基对中的两个碱基并不处于同一平面中，而是两个碱基平面相对碱基的长轴各自向着相反的而是两个碱基平面相对碱基的长轴各自向着相反的方向扭转。如果沿着碱基对的长轴看去，靠近的一方向扭转。如果沿着碱基对的长轴看去，靠近的一个碱基总是顺时针方向扭转。个碱基总是顺时针方向扭转。这样形成的角度就是这样形成的角度就是螺旋浆扭角。螺旋浆扭角。螺旋桨扭转（螺旋桨扭转（Propeller twist）螺旋桨扭转（螺旋桨扭转（Propeller twist）螺旋桨扭转（螺旋桨扭转（Propeller twi
8、st）1.B-DNA：典型的：典型的Watson-Crick双螺旋双螺旋DNA 相对湿度相对湿度92%DNA钠盐（较低）钠盐（较低）(五五)DNA双螺旋结构的形式双螺旋结构的形式 三、三、DNADNA的二级结构的二级结构螺旋类型螺旋类型B适中适中螺旋方向螺旋方向右手右手螺旋直径螺旋直径nm2.37碱基堆积距离碱基堆积距离nm0.34碱基夹角碱基夹角34.6每圈碱基数每圈碱基数10.4螺距螺距nm3.32轴心位置轴心位置穿过碱基对穿过碱基对碱基倾角碱基倾角-1糖环折叠糖环折叠C2内式内式糖苷键构象糖苷键构象反式反式大沟大沟很宽、较深很宽、较深小沟小沟狭、较深狭、较深1.B-DNA：典型的：典型的
9、Watson-Crick双螺旋双螺旋DNA碱基螺旋桨扭角碱基螺旋桨扭角 162.A-DNA：相对湿度相对湿度75%DNA钠盐（较高）钠盐（较高）(五五)DNA双螺旋结构的形式双螺旋结构的形式 三、三、DNADNA的二级结构的二级结构螺旋类型螺旋类型A粗短粗短螺旋方向螺旋方向右手右手螺旋直径螺旋直径nm2.55碱基堆积距离碱基堆积距离nm0.23碱基夹角碱基夹角32.7每圈碱基数每圈碱基数11螺距螺距nm2.46轴心位置轴心位置不穿过碱基对不穿过碱基对碱基倾角碱基倾角19糖环折叠糖环折叠C3内式内式糖苷键构象糖苷键构象反式反式大沟大沟很狭、很深很狭、很深小沟小沟很宽、浅很宽、浅2.A-DNA：碱
10、基螺旋桨扭角碱基螺旋桨扭角 183.Z-DNA：相对湿度相对湿度43%lDNA钠盐（高）钠盐（高）l含有鸟嘌呤，嘌呤与嘧啶交替出现含有鸟嘌呤，嘌呤与嘧啶交替出现l5-甲基胞嘧啶可诱使甲基胞嘧啶可诱使B-DNA转化为转化为Z-DNA(五五)DNA双螺旋结构的形式双螺旋结构的形式 三、三、DNADNA的二级结构的二级结构A-DNAB-DNAZ-DNA3.Z-DNA螺旋类型螺旋类型Z细长细长螺旋方向螺旋方向左手左手螺旋直径螺旋直径nm1.84碱基堆积距离碱基堆积距离nm0.38碱基夹角碱基夹角60每圈碱基数每圈碱基数12螺距螺距nm4.56轴心位置轴心位置不穿过碱基对不穿过碱基对碱基倾角碱基倾角-9
11、糖环折叠糖环折叠嘧啶嘧啶C2内式，嘌呤内式，嘌呤C3内式内式糖苷键构象糖苷键构象C反式反式,G顺式顺式大沟大沟平坦平坦小沟小沟较狭、很深较狭、很深碱基螺旋桨扭角碱基螺旋桨扭角 0螺旋类型螺旋类型A粗短粗短B适中适中Z细长细长螺旋方向螺旋方向右手右手右手右手左手左手螺旋直径螺旋直径nm2.552.371.84碱基堆积距离碱基堆积距离nm0.230.340.38碱基夹角碱基夹角32.734.660每圈碱基数每圈碱基数1110.412螺距螺距nm2.463.324.56轴心位置轴心位置不穿过碱基对不穿过碱基对穿过碱基对穿过碱基对不穿过碱基对不穿过碱基对碱基倾角碱基倾角19-1-9糖环折叠糖环折叠C3
12、内式内式C2内式内式嘧啶嘧啶C2内式，嘌呤内式，嘌呤C3内式内式糖苷键构象糖苷键构象反式反式反式反式C、T反式反式,G顺式顺式大沟大沟很狭、很深很狭、很深很宽、很深很宽、很深平坦平坦小沟小沟很宽、浅很宽、浅狭、深狭、深较狭、很深较狭、很深各种各种DNA双螺旋结构参数双螺旋结构参数碱基螺旋桨扭角碱基螺旋桨扭角 18 16 0A-DNAB-DNAZ-DNAZ-DNA有什么生物学意义呢有什么生物学意义呢?Z-DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为的形成通常在热力学上是不利的。因为Z-DNA中带负电荷的中带负电荷的磷酸根磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。距离太近了，这会产生静电排斥。但是，但是，D
13、NA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。位点。DNA解螺旋却是解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构与基因调节有关。比如因此认为这一结构与基因调节有关。比如SV40增强子区增强子区中就有此结构，又如鼠类微小病毒中就有此结构，又如鼠类微小病毒DNS复制区起始点附复制区起始点附近有近有GC交替排列序列。交替排列序列。DNA双螺旋每旋转一周，沿轴上升的高度是多少?(A)5.4nm(B)0.34nm(C)3.4nm(D)0.15nm下列关于双链DNA碱基含量关系，哪个是错误的?(A)A=T G=C(B)
14、A+T=G+C(C)A+G=C+T(D)A+C=G+TB-DNA双螺旋沿轴多少nm旋转一整圈 ，每圈共有多少碱基对中国科学技术大学2001，2002硕士生物化学入学考试试卷人基因组DNA共有3x109个碱基对,拉成一条直线长度为_cm（复旦生物化学98）约102第四节第四节DNA分子的高级结分子的高级结构构1 单链核苷酸形成的二级结构发夹结构发夹结构（Hairpin Hairpin structurestructure)DNARNADNA&RNA2反向重复序列与二级结构反向重复序列与二级结构2.1定义定义反向重复序列（反向重复序列（invertedrepeat)：又称回文序列，指在双链：又称回
15、文序列，指在双链DNA序列中按确定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是相序列中按确定的方向阅读双链中的每一条链的序列都是相同的。同的。反向重复序列占反向重复序列占人基因人基因组的的55GGTACC33CCATGG5NNNGAACGTCCNNNGGACGTTCNNNNNNCTTGCAGGNNNCCTGCAAGNNNCCTGCAAGGGACGTTCNNNCTTGCAGGGAACGTCCNNNNNNNNNNNNNNN反向重复序列反向重复序列下述序列中，在双链状态下属于完全回纹结构的序列是A、AGTCCTGA B、AGTCAGTC C、AGTCGACT D、GACTCTGA E、CTGAGATC北京医
16、科大学1999年招收攻读硕士研究生入学试题 生物化学3 三股螺旋DNA3.1 结构特点：结构特点：一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟相结合苷酸双螺旋的大沟相结合 第三股链的碱基与第三股链的碱基与Watson-Crick碱基对中的嘌碱基对中的嘌呤形成呤形成Hoogsteen配对配对 第三股链与寡嘌呤核苷酸为同向平行第三股链与寡嘌呤核苷酸为同向平行一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核苷酸寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟相结合双螺旋的大沟相结合大大沟沟第三股链的碱基与第三股链的碱基与Watson-Crick
17、碱基对中的嘌碱基对中的嘌呤形成呤形成Hoogsteen配对配对 第三股螺旋第三股螺旋=寡嘌呤核苷酸寡嘌呤核苷酸 A、T 与与A=T中的中的A，G、C与与G=C中的中的GC必须质子化，必须质子化，以提供与以提供与G的的N7结合的氢键供结合的氢键供体，体，C与与G形成两个氢键形成两个氢键3 三股螺旋DNA3.1 结构特点：结构特点：一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟相结合苷酸双螺旋的大沟相结合 第三股链的碱基与第三股链的碱基与Watson-Crick碱基对中的嘌碱基对中的嘌呤形成呤形成Hoogsteen配对配对 第三股链与寡嘌呤核苷酸
18、为同向平行第三股链与寡嘌呤核苷酸为同向平行3.2 三股三股DNA形成的条件：形成的条件：1.DNA双螺旋：寡嘧啶核苷酸双螺旋：寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核苷酸寡嘌呤核苷酸2.第三股螺旋第三股螺旋=寡嘌呤核苷酸寡嘌呤核苷酸 A、T 与与A=T中的中的A，G、C与与G=C中的中的G3.C必须质子化，必须质子化，以提供与以提供与G的的N7结合的氢键供体，结合的氢键供体，C与与G形形成两个氢键成两个氢键3 三股螺旋DNAAATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG 存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。此
19、序列各单股中没有互补序列，不能形成十字型或发夹结构。3.3镜像重复3 三股螺旋DNA4.1 定义定义 4 DNA超螺旋结构超螺旋结构如果固定如果固定DNA分子的两端，或者本身是共价闭合环状分子的两端，或者本身是共价闭合环状DNA或与蛋白质结合的或与蛋白质结合的DNA分子，分子，DNA分子两条链不分子两条链不能自由转动，额外的张力不能释放，能自由转动，额外的张力不能释放，DNA分子就会发分子就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋（supercoil).Covalently closed circular DNA,cccDNA4.2 种类种类 4 D
20、NA超螺旋结构超螺旋结构 负超螺旋：当负超螺旋：当DNA分子沿轴扭转的方向与双螺分子沿轴扭转的方向与双螺旋的方向相反时，所形成的超螺旋。旋的方向相反时，所形成的超螺旋。（使（使DNA解解螺旋以减少张力螺旋以减少张力,称为松旋效应）称为松旋效应）正超螺旋：当正超螺旋：当DNA分子沿轴扭转的方向与双螺分子沿轴扭转的方向与双螺旋的方向相同时，所形成的超螺旋。旋的方向相同时，所形成的超螺旋。（造成双螺（造成双螺旋的过旋而增加张力旋的过旋而增加张力,称为紧旋效应）称为紧旋效应）4.3 特征数特征数 4 DNA超螺旋结构超螺旋结构4.3.1 连环数或连接数（连环数或连接数（linking number)双
21、螺旋双螺旋DNA中两条链相互交叉的次数。中两条链相互交叉的次数。L or Lk4.3.2 扭转数（扭转数（twisting number)双螺旋双螺旋DNA中一条链绕另一条链的扭转数，即中一条链绕另一条链的扭转数，即DNA分分子中子中Watson-Crick螺旋数。螺旋数。T or Tw4.3.3 缠绕数（缠绕数（writhing number)双螺旋双螺旋DNA中螺旋轴的自我交叉数，即超螺旋数目。中螺旋轴的自我交叉数，即超螺旋数目。W or WrL =T +WL/L0 =(L -L0)/L0 =(32 -36)/36 =-4/36 =-0.11L -L0 =L 连环差连环差(linking
22、difference)L/L0 =()比连环差（比连环差（specific linking difference)超螺旋密度超螺旋密度 （T =0）4.3.4 连环差和比连环差连环差和比连环差L/L0 =(L -L0)/L0 =(32 -36)/36 =-4/36 =-0.114.4 自然界中的超自然界中的超螺旋螺旋4.5 超螺旋结构的生物学意义超螺旋结构的生物学意义 DNA被压缩和包装，使其体积大大减小被压缩和包装，使其体积大大减小 增加了增加了DNA的稳定性的稳定性 可能与复制和转录的调控有关可能与复制和转录的调控有关课堂总结课堂总结一、一、DNADNA的二级结构的二级结构二、二、DNADNA的三级结构的三级结构