第二章

核酸的結構和功能

第一節DNA的二級結構

核酸的化學組成與共價結構雙螺旋模型的特征

雙螺旋結構的其他形式DNA二級結構的其它形式

第二節DNA的高級結構DNA的超螺旋結構

真核生物染色體的組裝模型第一節DNA的二級結構堿基核酸的化學組成與共價結構戊糖核酸的化學組成與共價結構核苷（nucleoside)：由D－核糖或D－2脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。核酸中的主要核苷有八種。

核苷酸(nucleotide)：核苷酸與磷酸殘基構成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的結構單元。

3’,5’－磷酸二酯鍵：核酸是由眾多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸，相鄰二個核苷酸之間的連接鍵即：3’，5’－磷酸二酯鍵。

核酸的化學組成與共價結構雙螺旋模型的特征1953.Watson&Crick

Watson（沃森）和Crick（克里克）建立的雙螺旋模型

Chatgaff（查塔姆）對DNA堿基組成的研究結果

Wilkins（威爾金斯）及其同事Franklin（富蘭克林）等用X射線衍射方法獲得的DNA結構資料雙螺旋DNA的結構特點：右手反平行雙螺旋主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側，核糖平面與旋轉軸接近平行兩條鏈間存在堿基互補螺旋的每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，螺距為3.4nm，直徑為2nm大溝（majorgroove，2.2nm）和小溝（minorgroove，1.2nm）模型中的堿基配對有何重要性？①A-T,G-C配對可形成很好的線性氫鍵；②A-T對和G-C對的幾何形狀一樣，使雙鏈距離相近，使雙螺旋保持均一；③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；④為DNA半保留復制奠定了基礎。l

堿基堆積力(非特異性結合力)3.4A°☆磷酸骨架,氨基,酮基周圍水分子間的有序排列

☆

嘌呤環與嘧啶環作用半徑(0.34nm/堿基對間距)☆疏水作用力(Hydrophobicinteraction)

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帶負電荷的磷酸基的靜電斥力☆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，雙鏈之間的這種強有力的靜電排斥作用將驅使兩條鏈分開

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堿基分子的內能

☆當由于溫度等因素使堿基分子內能增加時．堿基的定向排列遭受破壞，從而削弱堿基的氫鍵結合力和堿基的堆集力，會使DNA雙螺旋結構受到破壞。

DNA的構象現已知有A，B，C，D，E，T，Z7種。引起DNA雙鏈構象改變有以下因素：

（1）核苷酸順序；（2）堿基組成；（3）鹽的種類；（4）相對濕度。雙螺旋結構的其他形式B-DNA：生理狀態下，每螺圈10.4個堿基對，右手螺旋；

A-DNA：高鹽濃度下，每螺圈11個堿基對，右手螺旋；

Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出現，每螺圈12個堿基對，左手螺旋。

DNA鈉鹽在相對濕度92％或活細胞生理狀態下，以及A－T較豐富的大多數自然DNA。DNA－RNA雜交分子或RNA雙鏈在高鹽的條件下，嘌呤-嘧啶相間排列，在活細胞中如果胞嘧啶被甲基化的（m5C）

Z－DNA的生物學意義：應當指出Z－DNA的形成通常在熱力學上是不利的。因為Z－DNA中帶負電荷的磷酸根距離太近了，這會產物靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩定區的存在就成為潛在的解鏈位點。DNA解螺旋卻是DNA復制和轉錄等過程中必要的環節，因此認為這一結構位點與基因調節有關。

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反向平行的雙螺旋結構，稱為發夾（hairpin）。由莖（配對區）和環（非配對區）組成。

單鏈核酸形成的發夾結構

回文序列：又稱反向重復序列，指DNA片段上的一段具有二重旋轉對稱性的反向互補序列。在雙鏈DNA中，如果兩條互補鏈分開，每條鏈上的互補序列都有機會發生堿基配對而形成一個發夾。兩個相對的發夾結構形成了一個十字形結構，對應于4個雙螺旋區域的交叉點。原來的雙螺旋位于十字形結構的兩側。回文序列形成的十字形結構1957，Felsenfeld發現三鏈核酸結構（triplex)，1963，Hoogsteen，提出DNA三螺旋結構，Hoogsteen模型中，第三個堿基以A或T與A＝T中的A配對，G或C與G三C中的G配對，只形成2個氫鍵，三股螺旋中第三股鏈可以來自分子間或分子內。當DNA一條鏈或其中一段為全嘌呤，另一條鏈或其中對應的一段為全嘧啶，責可回折產生H－DNA，這種重復序列又稱H回文序列。三股螺旋DNA結構特點LinkedbyHoogsteenBondingGGGG可能的功能

A、穩定真核生物染色體結構

B、保證DNA末端準確復制C、與DNA分子的組裝有關

D、與染色體的meiosis&mitosis有關

超螺旋是有方向的，有正超螺旋和負超螺旋兩種超螺旋結構的方向性B-DNA緊纏overwinding(右旋)

正超螺旋（positivesupercoiled）導致左手超螺旋以一根繩子做實驗：原來的繩子的兩股以右旋方向纏繞；在繩子的一端向緊纏方向捻轉，再將繩子的兩端連接起來，則產生一個左旋的超螺旋以解除外加捻轉的協變B-DNA松纏unwinding(左旋)

負超螺旋（NegativeSupercoiled）導致右手超螺旋在繩子的一端向松纏方向捻轉，再將繩子的兩端連接起來，則產生一個右旋的超螺旋以解除外加捻轉的協變DNA超螺旋的產生

☆DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構酶產生的

拓撲異構酶I識別負超螺旋DNA，引入正超螺旋拓撲異構酶II主要功能為引入負超螺旋

，在DNA復制中起十分重要的作用生物體通過拓撲異構酶1和II的相反作用而使負超螺旋達到一個穩定狀態。

DNA拓撲異構酶催化反應本質是先切斷DNA的磷酸二脂鍵，改變DNA的鏈環數之后再連接之，兼具DNA內切酶和DNA連接酶的功能．然而它們并不能連接事先已經存在的斷裂DNA，也就是說，其斷裂反應與連接反應是相互耦聯的。原核生物、線粒體、葉綠體、質粒的DNA存在方式，使DNA形成高度致密狀態從而得以裝入核中；DNA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呼吸泡，利于復制和轉錄超螺旋的意義真核生物染色體的組裝模型

☆在細胞分離間期，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

常染色質DNA的壓縮比為1000-2000，主要為單拷貝基因和中等重復序列，是基因的活躍表達區域。異染色質DNA折疊壓縮程度比較高，以凝集狀態存在，對堿性染料著色較深，分為永久性的異染色質和功能性異染色質染色體的化學組成

☆DNA主要化學成分,也是遺傳信息的載體☆RNARNA含量很少,還不到DNA量的10%☆蛋白質

組蛋白所有真核生物染色體中均含有這五種組蛋白。組蛋白的含量與DNA含量之比約為1:1，組蛋白對染色體中DNA的包裝有十分重要的作用

非組蛋白

一大類種類繁雜的各種蛋白質的總稱，與基因表達及染色體高級結構的維持有關。

核小體——染色體的結構基本單位核小體的結構

☆組蛋白核心八聚體（H2A．H2N．H3．H4各兩分子）?！?/p>

DNA

左手螺旋纏繞在核心顆粒表面，每圈80bp，共1.75圈，約146bp；相鄰核心顆粒之間為一段60bp的連接線DNA?！罱M蛋白H1鎖合兩端。染色體的包裝DNA核小體鏈

纖絲

突環螺旋圈染色體

DNA（2nm）

核小體鏈（11nm，每個核小體200bp）

纖絲（30nm，每圈