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1、第二章 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的构象。DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。双螺旋结构是DNA的两条链围着同一中心轴旋绕而成的空间结构。DNA的双螺旋模型是由Watson和Crick两位科学家于1953年提出的。,三、DNA的二级结构,(二)双螺旋结构模型提出的依据,三、DNA的二级结构,1、DNA的X-射线衍射图(Franklin and Wilkins)(1)衍射斑点呈交叉状分布；(2)衍射点之间的距离与层次表明有0.34nm和3.4nm的周期性；(3)图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状。,(二)双螺旋结构模
2、型提出的依据,三、DNA的二级结构,2、DNA的碱基组成分析（Chargaff定则）,Chargaff规则的内容.所有DNA：A=T、G=C，即A+G=T+C.DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同种的DNA碱基组成不一样.对同一生物物种，DNA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Chargaff规则的意义 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DNA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酸链围绕同一中心轴构成右手双螺旋结构。,由糖-磷酸通过3,5
3、磷酸二酯键相互连接构成的主链处于螺旋外侧。,(三)双螺旋结构模型的基本特征,1 主链,中心轴,(三)双螺旋结构模型的基本特征,A=T,（碱基互补具有极其重要的生物学意义，是DNA复制、转录、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 nm,36,3.4nm,2nm,10 nt,碱基堆积距离0.34nm。每对脱氧核苷酸残基沿纵轴旋转36所以每10个碱基对形成一个螺旋，螺距3.4nm。双螺旋直径为2nm。,双螺旋表面形成两种凹槽：较浅的叫小沟，另一条叫大沟。,大沟(2.2 nm)：宽 深,小沟(1.2 nm)：窄 深,4 大沟和小沟,G,C,A,T,(
4、四)维持双螺旋结构稳定性的力,三、DNA的二级结构,互补碱基之间的氢键,碱基堆集力：碱基堆集成非极性的核心区域，相互间产生疏水作用和范德华力,离子键：,磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键。带正电荷的蛋白质可与带负电荷的DNA结合。,(五)DNA双螺旋结构的形式,三、DNA的二级结构,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，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，靠近的一个碱基总是顺时针方向扭转。这样形成的角度就是螺旋浆扭角。,螺旋桨扭转（Propeller twist）,螺旋桨扭转（Pro
5、peller twist）,螺旋桨扭转（Propeller twist）,1.B-DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA相对湿度92%DNA钠盐（较低）,(五)DNA双螺旋结构的形式,三、DNA的二级结构,1.B-DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA,碱基螺旋桨扭角 16,2.A-DNA：相对湿度75%DNA钠盐（较高）,(五)DNA双螺旋结构的形式,三、DNA的二级结构,2.A-DNA：,碱基螺旋桨扭角 18,3.Z-DNA：相对湿度43%DNA钠盐（高）含有鸟嘌呤，嘌呤与嘧啶交替出现5-甲基胞嘧啶可诱使B-DNA转化为Z-DNA,(五)DNA双螺旋结构的形式,三、
6、DNA的二级结构,A-DNA,B-DNA,Z-DNA,3.Z-DNA,碱基螺旋桨扭角 0,各种DNA双螺旋结构参数,碱基螺旋桨扭角 18 16 0,A-DNA,B-DNA,Z-DNA,Z-DNA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Z-DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA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SV40增强子区中就有此结构，又如鼠类微小病毒DNS复制区起始点附近有GC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
7、)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)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 DNA分子的高级结构,1 单链核苷酸形成的二级结构,发夹结构（Hairpin structure),2 反向重复序列与二级结构,2.1 定义,反向重复序列（inverted repeat)：
8、又称回文序列，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同的。,反向重复序列占人基因组的5,5GGTACC 3,3CCATGG 5,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DNA,3.1 结构特点：一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟相结合第三股链的碱基与Watson-Crick碱基对中的嘌呤形成Hoogsteen配对第三股链与寡嘌呤核苷酸为同向平行,3.1.1一条
9、同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟相结合,大沟,3.1.2第三股链的碱基与Watson-Crick碱基对中的嘌呤形成Hoogsteen配对,第三股螺旋=寡嘌呤核苷酸 A、T 与A=T中的A，G、C与G=C中的GC必须质子化，以提供与G的N7结合的氢键供体，C与G形成两个氢键,3 三股螺旋DNA,3.1 结构特点：一条同型的寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟相结合第三股链的碱基与Watson-Crick碱基对中的嘌呤形成Hoogsteen配对第三股链与寡嘌呤核苷酸为同向平行,3.2 三股DNA形成的条件：1.DNA双螺旋：寡嘧啶核苷酸=寡嘌呤核苷酸2.第三股螺旋
10、=寡嘌呤核苷酸 A、T 与A=T中的A，G、C与G=C中的G3.C必须质子化，以提供与G的N7结合的氢键供体，C与G形成两个氢键,3 三股螺旋DNA,AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG,存在于同一股上的某些DNA区段的反向重复序列。此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DNA,4.1 定义,4 DNA超螺旋结构,如果固定DNA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DNA分子，DNA分子两条链不能自由转动，额外的张力不能释放，D
11、NA分子就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋（supercoil).,Covalently closed circular DNA,cccDNA,4.2 种类,4 DNA超螺旋结构,负超螺旋：当DNA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。（使DNA解螺旋以减少张力,称为松旋效应）正超螺旋：当DNA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。（造成双螺旋的过旋而增加张力,称为紧旋效应）,4.3 特征数,4 DNA超螺旋结构,4.3.1 连环数或连接数（linking number)双螺旋DNA中两条链相互交叉的次数。L or Lk,4.3.2 扭转数（tw
12、isting number)双螺旋DNA中一条链绕另一条链的扭转数，即DNA分子中Watson-Crick螺旋数。T or Tw,4.3.3 缠绕数（writhing number)双螺旋DNA中螺旋轴的自我交叉数，即超螺旋数目。W or Wr,L=T+W,L/L0=(L-L0)/L0=(32-36)/36=-4/36=-0.11,L-L0=L 连环差(linking difference),L/L0=()比连环差（specific linking difference)超螺旋密度（T=0）,4.3.4 连环差和比连环差,L/L0=(L-L0)/L0=(32-36)/36=-4/36=-0.11,4.4 自然界中的超螺旋,4.5 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 增加了DNA的稳定性 可能与复制和转录的调控有关,课堂总结,一、DNA的二级结构,二、DNA的三级结构,
