高中生物競賽課件DNA的結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)單位一級結(jié)構(gòu)指核苷酸的排列順序，由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，也稱堿基序列核酸的一級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)單位一級結(jié)構(gòu)指核苷酸的排列順序，由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，也稱堿基序列核酸的一級結(jié)構(gòu)核酸的一級結(jié)構(gòu)DNA和RNA都是沒有分支的多核苷酸長鏈，核苷酸通過磷酸二酯鍵連接DNA是脫氧核苷酸3'-羥基和相鄰脫氧核苷酸5'-磷酸通過3',5'-磷酸二酯鍵相連而成的線形或環(huán)形多聚體蛇毒磷酸二酯酶水解3'-OH形成的磷酸酯鍵得：5'-核苷酸牛胰磷酸二酯酶水解5'-OH形成的磷酸酯鍵得：3'核苷酸相間排列的戊糖和磷酸構(gòu)成核酸分子的主鏈，代表其特性的堿基可以看成是有次序地連接在主鏈上的“側(cè)鏈基團(tuán)”同一條鏈中所有核苷酸間的磷酸二酯鍵的走向(3'→5')RNA和DNA鏈都有特殊的方向性，每條線形核酸鏈都有一個5'端(磷酸基團(tuán))和一個3'端(-OH)，鏈方向5'→3'核酸的一級結(jié)構(gòu)核酸的一級結(jié)構(gòu)方框：堿基豎線：戊糖橫線：羥基斜線：磷酸二酯鍵豎線式書

寫核酸的一級結(jié)構(gòu)書

寫5'pApCpG-OH3'文字式5'pACG-OH3'ACG表示核酸酶的水解部位時，常用這種簡寫式：pApCp↓G表示水解后C的3'-羥基連有磷酸基，G的5'-羥基是游離的pApC↓pG則表示水解后C的3'-羥基是游離的，G的5'-羥基連有磷酸基核酸的二級結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)依據(jù)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型DNA雙鏈的螺旋形空間結(jié)構(gòu)稱DNA的二級結(jié)構(gòu)核酸的二級結(jié)構(gòu)1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)依據(jù)Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來源的DNA纖維具有相似的X射線衍射圖譜，而且沿長軸有0.34nm和3.4nm兩個重要的周期性變化，說明DNA可能有共同的空間結(jié)構(gòu)一、X射線衍射數(shù)據(jù)X射線衍射數(shù)據(jù)說明：DNA含有兩條或兩條以上具有螺旋結(jié)構(gòu)的多核苷酸鏈DNA晶體衍射圖片“照片51號”核酸的二級結(jié)構(gòu)1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)依據(jù)Erwin.Chargaff等應(yīng)用層析法對多種生物DNA的堿基組成進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：二、關(guān)于堿基成對的證據(jù)①在所有的生物DNA中，A=T，G=C或A+G=T+C，這就是DNA堿基的當(dāng)量定律，即Chargaff規(guī)則②不同生物種屬的DNA堿基組成不同(種屬特異性)；③同一個體不同器官、不同組織的DNA具有相同的堿基組成；(RNA具有組織特異性)核酸的二級結(jié)構(gòu)1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)依據(jù)Erwin.Chargaff等應(yīng)用層析法對多種生物DNA的堿基組成進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：二、關(guān)于堿基成對的證據(jù)后來證明：A和T之間可生成2個氫鍵，C和G之間可生成3個氫鍵核酸的二級結(jié)構(gòu)1、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的實(shí)驗(yàn)依據(jù)

若將小牛胸腺DNA制成pH為7的溶液，分別用鹽酸滴定到pH為2，用NaOH滴定到pH為12，發(fā)現(xiàn)在pH4~11之間，堿基的可解離基團(tuán)不可滴定，一個合理的解釋是DNA形成雙鏈，有關(guān)基團(tuán)參與了氫鍵的形成三、DNA的滴定曲線1962年獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)①由兩條反平行多核苷酸鏈構(gòu)成，一條鏈5'端與另一鏈3'端相對，兩條鏈的糖-磷酸交替排列形成的主鏈沿共同的螺旋軸扭曲成右手螺旋核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)②磷酸與脫氧核糖彼此通過3',5'-磷酸二酯鍵相連接，構(gòu)成DNA分子的骨架③磷酸與脫氧核糖在雙螺旋外側(cè)；嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)④兩條核苷酸鏈依靠堿基間的氫鍵結(jié)合：A與T配對形成2個氫鍵G與C配對形成3個氫鍵DNA分子的大小常用堿基對數(shù)(bp)表示，而單鏈分子的大小則常用核苷酸數(shù)(nt)來表示A(N6)--T(O4)A(N1)--T(N3)G(N2)--C(O2)G(N1)--C(N3)G(O6)--C(N4)堿基之間的互補(bǔ)關(guān)系稱堿基配對(basepairing)根據(jù)堿基配對的原則，在一條鏈的堿基序列已確定后，另一條鏈必然有相對應(yīng)的堿基序列。如果DNA的兩條鏈分開，任何一條鏈都能夠按堿基配對規(guī)律合成與之互補(bǔ)的另一條鏈。即由個親代DNA分子合成兩個與親代DNA完全相同的子代分子(半保留復(fù)制)核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)⑤成對堿基大致處于同一平面，該平面與螺旋軸基本垂直⑥糖環(huán)平面與螺旋軸基本平行，磷酸基連在糖環(huán)的外側(cè)⑦螺圈之間主要靠堿基平面間的堆積力維持，即堿基堆積力(basestackingforce)核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)⑧雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有10個堿基對，相鄰堿基平面之間會繞著雙螺旋的螺旋軸旋轉(zhuǎn)36°，堿基堆積距離0.34nm，雙螺旋平均直徑2nm實(shí)際為10.4核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)⑨相鄰堿基平面之間有36°的錯位，不利于形成堿基堆積力(范德華力+疏水作用)→構(gòu)成堿基對的兩個堿基平面之間形成螺旋槳式扭曲→相鄰堿基平面之間的重疊面增加→提高分子的堿基堆積力核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)大，小溝可以特異性地與蛋白質(zhì)相互作用大溝小溝⑩堿基向一側(cè)突出，上下堆積，窄角一側(cè)形成小溝，廣角一側(cè)形成大溝。DNA雙螺旋的表面可看到一條連續(xù)的大溝和一條連續(xù)的小溝核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)?大多數(shù)天然DNA屬雙鏈DNA(dsDNA)，某些病毒DNA為單鏈DNA(ssDNA)?雙鏈DNA分子主鏈上的化學(xué)鍵受堿基配對等因素影響，旋轉(zhuǎn)受限，使DNA分子比較剛硬，呈比較伸展的結(jié)構(gòu)。但一些化學(xué)鍵可在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使DNA分子有一定柔韌性。相鄰堿基平面之間的旋轉(zhuǎn)角度可在28°~42?之間變動(R.Dickerson研究人工合成的12bpDNA)。雙螺旋結(jié)構(gòu)可以發(fā)生一定的變化而形成不同的類型(A-DNA,Z-DNA)核酸的二級結(jié)構(gòu)2、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素①堿基堆積力形成疏水環(huán)境(主要因素)②堿基配對的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定③磷酸基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負(fù)電荷間的斥力，有助于DNA穩(wěn)定核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型A-DNAWatson和Crick依據(jù)相對濕度92%的DNA鈉鹽所得到的X射線衍射圖提出的雙螺旋結(jié)構(gòu)稱B-DNA，細(xì)胞內(nèi)的DNA與B-DNA非常相似相對濕度為75%的DNA鈉鹽結(jié)構(gòu)有所不同，稱A-DNAA-DNA與RNA分子、DNA-RNA雜交分子構(gòu)象接近，轉(zhuǎn)錄時可能發(fā)生B→A的轉(zhuǎn)變核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型A-DNA的特點(diǎn)右手螺旋螺距2.46

nm，每轉(zhuǎn)一圈含11個堿基對，螺旋直徑2.6

nm，堿基對間垂直距離0.26

nm堿基以反式構(gòu)型存在，糖環(huán)為C-3'內(nèi)式構(gòu)象(B-DNA為C-2'內(nèi)式)，導(dǎo)致堿基平面傾斜了20?分子表面的大溝變得狹而深，小溝變得寬而淺核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型Z-DNA1979年Rich等將人工合成的DNA片段d(CpGpCpGpCpGp)制成晶體進(jìn)行X射線衍射分析，證明此片段糖-磷酸主鏈形成鋸齒形的左手螺旋，命名為Z-DNA螺距4.56nm，每轉(zhuǎn)一圈含12個堿基對，螺旋直徑1.8nm，堿基對間垂直距離0.37nm螺旋的表面只有小溝沒有大溝核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型Z-DNA作用：富含CG的區(qū)域，容易發(fā)生甲基化(表達(dá)抑制)和去甲基化，與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)嘌呤核苷酸的糖環(huán)為C-3'內(nèi)式構(gòu)象；嘧啶核苷酸的糖環(huán)為C-2'內(nèi)式構(gòu)象嘌呤堿基為順式構(gòu)象；嘧啶堿基為反式構(gòu)象核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型大溝深而窄小溝寬而淺大溝寬小溝窄只有小溝只有小溝Page58表3-1核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型大溝深而窄小溝寬而淺大溝寬小溝窄只有小溝只有小溝Page58表3-1核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型回文序列(palindromesequence)一條鏈堿基序列的正讀與另一條鏈堿基序列的反讀是相同的容易形成發(fā)夾或十字結(jié)構(gòu)一條鏈堿基序列的正讀與另一條鏈堿基序列的反讀是相同的容易形成發(fā)夾或十字結(jié)構(gòu)核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型回文序列作用：轉(zhuǎn)錄終止RNA的多聚U與DNA的多聚A的堿基對具有相對較弱的相互作用→RNA從模板脫離莖環(huán)結(jié)構(gòu)促進(jìn)RNA聚合酶從模板脫離核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型鏡像重復(fù)(mirrorrepeat)可能形成3螺旋結(jié)構(gòu)通常是一條同型寡核苷酸(或?yàn)楣燕奏ず塑账幔驗(yàn)楣燕堰屎塑账?與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合第三股的堿基可與Waston-Crick堿基對中的嘌呤堿形成Hoogsteen配對，與寡嘌呤核苷酸之間為同向平行三聯(lián)堿基配對T?A*TT?A*AC?G*C+

C?G*G?代表Waston-Crick配對，*代表Hoogsteen配對質(zhì)子化核酸的二級結(jié)構(gòu)C?G*C+

C?G*GT?A*TT?A*A772個氫鍵2個氫鍵核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型鏡像重復(fù)(mirrorrepeat)可能形成3螺旋結(jié)構(gòu)通常是一條同型寡核苷酸(即或?yàn)楣燕奏ず塑账幔驗(yàn)楣燕堰屎塑账?與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合3螺旋結(jié)構(gòu)作用體外：阻止DNA體外合成體內(nèi)：DNA三股螺旋結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組的起始位點(diǎn)或調(diào)節(jié)位點(diǎn)(如啟動子區(qū))第三股鏈的存在可能使一些調(diào)控蛋白或RNA聚合酶難以與該區(qū)段結(jié)合，從而阻遏有關(guān)遺傳信息的表達(dá)核酸的二級結(jié)構(gòu)3、DNA二級結(jié)構(gòu)的其他類型4鏈結(jié)構(gòu)(tetrasomystructure)富含鳥嘌呤的區(qū)域，通過回折可形成四股螺旋，可以看成由G-四聯(lián)體片層以螺旋方式堆積而成DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA的三級結(jié)構(gòu)是指DNA分子在雙螺旋的基礎(chǔ)上通過扭曲和折疊形成的特定構(gòu)象超螺旋(superhelix)是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式DNA的高級結(jié)構(gòu)細(xì)菌的染色體DNA雙鏈環(huán)形DNA真核生物染色體的結(jié)構(gòu)環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)某些病毒的DNA細(xì)菌質(zhì)粒真核生物的線粒體和葉綠體的DNADNA的高級結(jié)構(gòu)1、環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)共價閉環(huán)DNAcccDNA開環(huán)DNAocDNA線形DNA超螺旋DNA的高級結(jié)構(gòu)1、環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)DNA的高級結(jié)構(gòu)1、環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)正超螺旋負(fù)超螺旋纏繞過度纏繞不足生物體內(nèi)的主要存在形式利于DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用超螺旋類型SupercoiledDNAformedduringreplicationcccDNAtranscriptionDNAreplicationunwoundregionpositivesupercoil隨著DNA的復(fù)制，原有的負(fù)超螺旋被“消耗”，未復(fù)制區(qū)域逐漸形成正超螺旋DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶II處理超螺旋DNA的高級結(jié)構(gòu)1、環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋狀態(tài)的定量描述(1)連環(huán)數(shù)(L)：DNA中一條鏈繞另一條鏈的總次數(shù)。對于一個cccDNA來說，只要其主鏈的共價鍵不發(fā)生斷裂，連環(huán)數(shù)不變。L值是不變的整數(shù)(2)扭轉(zhuǎn)數(shù)(T)：雙螺旋的圈數(shù)(3)纏繞數(shù)(W)：超螺旋數(shù)(雙螺旋的軸環(huán)繞超螺旋軸的次數(shù))。負(fù)超螺旋的W值為負(fù)數(shù)，正超螺旋的W值則為正數(shù)L=T+W當(dāng)L<T時，即DNA相互纏繞不足時，產(chǎn)生負(fù)超螺旋；當(dāng)L>T時，即DNA雙鏈盤繞過度時，產(chǎn)生正超螺旋；L=T時，不產(chǎn)生超螺旋，此時DNA處于松弛態(tài)。連環(huán)數(shù)(L)扭轉(zhuǎn)數(shù)(T)(不變)纏繞數(shù)(W)DNA的高級結(jié)構(gòu)2、真核生物染色體的結(jié)構(gòu)(DNA+蛋白質(zhì))真核細(xì)胞的染色質(zhì)和一些病毒的DNA是雙螺旋線形分子，與組蛋白結(jié)合，兩端不能自由轉(zhuǎn)動雙螺旋DNA分子先盤繞組蛋白形成核小體，核小體再由DNA鏈連在一起構(gòu)成念珠狀結(jié)構(gòu)；DNA的高級結(jié)構(gòu)2、真核生物染色體的結(jié)構(gòu)(DNA+蛋白質(zhì))核小體核心顆粒的直徑為10nm，DNA分子在組蛋白核心外面纏繞約1.75圈(約146bp)構(gòu)成的；

核小體核心顆粒含組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩分子，連接核小體核心顆粒的DNA片段結(jié)合組蛋白H111nmDNA的高級結(jié)構(gòu)2、真核生物染色體的結(jié)構(gòu)(DNA+蛋白質(zhì))核小體核心顆粒的直徑為10nm，DNA分子在組蛋白核心外面纏繞約1.75圈(約146bp)構(gòu)成的；

核小體核心顆粒含組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩分子，連接核小體核心顆粒的DNA片段結(jié)合組蛋白H111nm富含堿性氨基酸，可被乙?；?、甲基化等修飾，影響與DNA的親和性，控制染色質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)和活性組蛋白屬于一類較小的堿性蛋白。富含堿性氨基酸(Lys和Arg)，生理pH下帶正電荷，可與帶負(fù)電荷的DNA通過靜電引力結(jié)合各種組蛋白在進(jìn)化的保守性不同，最高的是H4，其次是H3，再其次是H2A和H2B。變化最大的是H1DNA的高級結(jié)構(gòu)2、真核生物染色體的結(jié)構(gòu)(DNA+蛋白質(zhì))LehningerPrinciplesofBiochemistry.W.H.Freeman.6th(2013)組蛋白N末端的化學(xué)修飾DNA的高級結(jié)構(gòu)2、真核生物染色體的結(jié)構(gòu)(DNA+蛋白質(zhì))念珠狀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步盤繞成30nm的螺線管形，后者形成大的突環(huán)，經(jīng)進(jìn)一步折疊形成微帶，最后折疊形成染色體，使DNA的長度壓縮約10000倍染色體和染色質(zhì)是細(xì)胞不同分裂時期，遺傳物質(zhì)不同的存在形式，間期(染色質(zhì))，分裂期(染色體)DNA的高級