高中生物竞赛课件DNA的结构.pptx

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1、结构单位一级结构指核苷酸的排列顺序，由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称碱基序列核酸的一级结构结构单位一级结构指核苷酸的排列顺序，由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称碱基序列核酸的一级结构核酸的一级结构DNA和RNA都是没有分支的多核苷酸长链，核苷酸通过磷酸二酯键连接DNA是脱氧核苷酸3-羟基和相邻脱氧核苷酸5-磷酸通过3,5-磷酸二酯键相连而成的线形或环形多聚体蛇毒磷酸二酯酶水解3-OH形成的磷酸酯键得：5-核苷酸牛胰磷酸二酯酶水解5-OH形成的磷酸酯键得：3核苷酸p相间排列的戊糖和磷酸构成核酸分子的主链，代表其特性的碱基可以看成是有次序地连接在主链上的“侧链基团”p同一条链中所有核苷酸

2、间的磷酸二酯键的走向(35)pRNA和DNA链都有特殊的方向性，每条线形核酸链都有一个5端(磷酸基团)和一个3端(-OH)，链方向53核酸的一级结构核酸的一级结构方框：碱基竖线：戊糖横线：羟基斜线：磷酸二酯键竖线式书 写核酸的一级结构书 写5 pApCpG-OH 3文字式5 pACG-OH 3ACG表示核酸酶的水解部位时，常用这种简写式：ppApCpG表示水解后C的3-羟基连有磷酸基，G的5-羟基是游离的ppApCpG则表示水解后C的3-羟基是游离的，G的5-羟基连有磷酸基核酸的二级结构I.DNA双螺旋结构模型的实验依据II.DNA双螺旋结构模型的要点III.DNA二级结构的其他类型DNA双链

3、的螺旋形空间结构称DNA的二级结构核酸的二级结构1、DNA双螺旋结构模型的实验依据Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱，而且沿长轴有0.34nm和3.4nm两个重要的周期性变化，说明DNA可能有共同的空间结构一、X射线衍射数据X射线衍射数据说明：DNA含有两条或两条以上具有螺旋结构的多核苷酸链DNA晶体衍射图片“照片51号”核酸的二级结构1、DNA双螺旋结构模型的实验依据Erwin.Chargaff等应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行分析发现：二、关于碱基成对的证据在所有的生物DNA中，A=T，G=C或A+G=T+C，这就是DNA碱基的当量定律

4、，即Chargaff规则不同生物种属的DNA碱基组成不同(种属特异性)；同一个体不同器官、不 同 组 织 的DNA具有相同的碱基组成；(RNA具有组织特异性)核酸的二级结构1、DNA双螺旋结构模型的实验依据Erwin.Chargaff等应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行分析发现：二、关于碱基成对的证据后来证明：A和T之间可生成2个氢键，C和G之间可生成3个氢键核酸的二级结构1、DNA双螺旋结构模型的实验依据 若将小牛胸腺DNA制成pH为7的溶液，分别用盐酸滴定到pH为2，用NaOH滴定到pH为12，发现在pH411之间，碱基的可解离基团不可滴定，一个合理的解释是DNA形成双链，有关基团参

5、与了氢键的形成三、DNA的滴定曲线1962年获诺贝尔生理学或医学奖核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点由两条反平行多核苷酸链构成，一条链5端与另一链3端相对，两条链的糖-磷酸交替排列形成的主链沿共同的螺旋轴扭曲成右手螺旋核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点磷酸与脱氧核糖彼此通过3,5-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧；嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点两条核苷酸链依靠碱基间的氢键结合：A与T配对形成2个氢键G与C配对形成3个氢键DNA分子的大小常用碱基对数(bp)表示，而单链分子的大小则常用核苷酸数(nt)来

6、表示A(N6)-T(O4)A(N1)-T(N3)G(N2)-C(O2)G(N1)-C(N3)G(O6)-C(N4)碱基之间的互补关系称碱基配对(base pairing)根据碱基配对的原则，在一条链的碱基序列已确定后，另一条链必然有相对应的碱基序列。如果DNA的两条链分开，任何一条链都能够按碱基配对规律合成与之互补的另一条链。即由个亲代DNA分子合成两个与亲代DNA完全相同的子代分子(半保留复制)核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点成对碱基大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直糖环平面与螺旋轴基本平行，磷酸基连在糖环的外侧螺圈之间主要靠碱基

7、平面间的堆积力维持，即碱基堆积力(base stacking force)核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点双螺旋每转一周有10个碱基对，相邻碱基平面之间会绕着双螺旋的螺旋轴旋转36，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm实际为10.4核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点相邻碱基平面之间有36的错位，不利于形成碱基堆积力(范德华力+疏水作用)构成碱基对的两个碱基平面之间形成螺旋桨式扭曲相邻碱基平面之间的重叠面增加提高分子的碱基堆积力核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点大，小沟可以特异性地与蛋白质相互作用大沟小沟碱基向一侧突出，上下堆积，窄角一侧形成小沟，广角一

8、侧形成大沟。DNA双螺旋的表面可看到一条连续的大沟和一条连续的小沟核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点大多数天然DNA属双链DNA(dsDNA)，某些病毒DNA为单链DNA(ssDNA)双链DNA分子主链上的化学键受碱基配对等因素影响，旋转受限，使DNA分子比较刚硬，呈比较伸展的结构。但一些化学键可在一定范围内旋转，使DNA分子有一定柔韧性。相邻碱基平面之间的 旋 转 角 度 可 在 2842之 间 变 动(R.Dickerson研究人工合成的12bp DNA)。双螺旋结构可以发生一定的变化而形成不同的类型(A-DNA,Z-DNA)核酸的二级结构2、DNA双螺旋结构模型的要点稳定双螺旋

9、结构的因素碱基堆积力形成疏水环境(主要因素)碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型A-DNApWatson 和Crick依据相对湿度92%的DNA钠盐所得到的X射线衍射图提出的双螺旋结构称B-DNA，细胞内的DNA与B-DNA非常相似p相对湿度为75%的DNA钠盐结构有所不同，称A-DNAA-DNA与RNA分子、DNA-RNA杂交分子构象接近，转录时可能发生BA的转变核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型A-DNA的特点p右手螺旋p螺距2.

10、46 nm，每转一圈含11个碱基对，螺旋直径2.6 nm，碱基对间垂直距离0.26 nmp碱基以反式构型存在，糖环为C-3内式构象(B-DNA为C-2内式)，导致碱基平面倾斜了20p分子表面的大沟变得狭而深，小沟变得宽而浅核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型Z-DNA1979年Rich等将人工合成的DNA片段d(CpGpCpGpCpGp)制成晶体进行X射线衍射分析，证明此片段糖-磷酸主链形成锯齿形的左手螺旋，命名为Z-DNA螺距4.56 nm，每转一圈含12个碱基对，螺旋直径1.8 nm，碱基对间垂直距离0.37 nm螺旋的表面只有小沟没有大沟核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型Z

11、-DNA作用：富含CG的区域，容易发生甲基化(表达抑制)和去甲基化，与基因表达调控有关嘌呤核苷酸的糖环为C-3内式构象；嘧啶核苷酸的糖环为C-2内式构象嘌呤碱基为顺式构象；嘧啶碱基为反式构象核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型大沟深而窄小沟宽而浅大沟宽小沟窄只有小沟只有小沟Page 58 表表3-1核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型大沟深而窄小沟宽而浅大沟宽小沟窄只有小沟只有小沟Page 58 表表3-1核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型回文序列(palindrome sequence)p一条链碱基序列的正读与另一条链碱基序列的反读是相同的p容易形成发夹或十字结构p一条链

12、碱基序列的正读与另一条链碱基序列的反读是相同的p容易形成发夹或十字结构核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型回文序列作用：转录终止RNA的多聚U与DNA的多聚A的碱基对具有相对较弱的相互作用RNA从模板脱离茎环结构促进RNA聚合酶从模板脱离核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型镜像重复(mirror repeat)p可能形成3螺旋结构p通常是一条同型寡核苷酸(或为寡嘧啶核苷酸，或为寡嘌呤核苷酸)与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合第三股的碱基可与Waston-Crick碱基对中的嘌呤碱形成Hoogsteen配对，与寡嘌呤核苷酸之间为同向平行三联碱基配对TA*TTA*ACG*C+

13、CG*G代表Waston-Crick配对，*代表Hoogsteen配对质子化核酸的二级结构C G*C+C G*GT A*TT A*A772个氢键2个氢键核酸的二级结构3、DNA二级结构的其他类型镜像重复(mirror repeat)p可能形成3螺旋结构p通常是一条同型寡核苷酸(即或为寡嘧啶核苷酸，或为寡嘌呤核苷酸)与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合3螺旋结构作用体外：阻止DNA体外合成体内：pDNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点或调节位点(如启动子区)p第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达核酸的二级结构3、D

14、NA二级结构的其他类型4链结构(tetrasomy structure)p富含鸟嘌呤的区域，通过回折可形成四股螺旋，可以看成由G-四联体片层以螺旋方式堆积而成DNA的高级结构pDNA的三级结构是指DNA分子在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的特定构象p超螺旋(superhelix)是DNA三级结构的主要形式DNA的高级结构细菌的染色体DNA双链环形DNA真核生物染色体的结构环状DNA的超螺旋结构某些病毒的DNA细菌质粒真核生物的线粒体和叶绿体的DNADNA的高级结构1、环状DNA的超螺旋结构共价闭环DNAcccDNA开环DNAocDNA线形DNA超螺旋DNA的高级结构1、环状DNA的超螺旋结构

15、DNA的高级结构1、环状DNA的超螺旋结构正超螺旋负超螺旋缠绕过度缠绕不足生物体内的主要存在形式利于DNA复制和转录DNA拓扑异构酶的作用超螺旋类型Supercoiled DNA formed during replicationcccDNAtranscriptionDNA replicationunwound regionpositive supercoil随着DNA的复制，原有的负超螺旋被“消耗”，未复制区域逐渐形成正超螺旋DNA 拓扑异构酶II处理超螺旋DNA的高级结构1、环状DNA的超螺旋结构超螺旋状态的定量描述(1)连环数(L)：DNA中一条链绕另一条链的总次数。对于一个cccDNA

16、来说，只要其主链的共价键不发生断裂，连环数不变。L值是不变的整数(2)扭转数(T)：双螺旋的圈数(3)缠绕数(W)：超螺旋数(双螺旋的轴环绕超螺旋轴的次数)。负超螺旋的W值为负数，正超螺旋的W值则为正数L=T+W当LT时，即DNA双链盘绕过度时，产生正超螺旋；L=T时，不产生超螺旋，此时DNA处于松弛态。连环数(L)扭转数(T)(不变)缠绕数(W)DNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)p真核细胞的染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子，与组蛋白结合，两端不能自由转动p双螺旋DNA分子先盘绕组蛋白形成核小体，核小体再由DNA链连在一起构成念珠状结构；DNA的高级结构2、真核

17、生物染色体的结构(DNA+蛋白质)p核小体核心颗粒的直径为10nm，DNA分子在组蛋白核心外面缠绕约1.75圈(约146bp)构成的；核小体核心颗粒含组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子，连接核 小 体 核 心 颗 粒 的DNA片段结合组蛋白H111nmDNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)p核小体核心颗粒的直径为10nm，DNA分子在组蛋白核心外面缠绕约1.75圈(约146bp)构成的；核小体核心颗粒含组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子，连接核小体核心颗粒的DNA片段结合组蛋白H111nm富含碱性氨基酸，可被乙酰化、甲基化等修饰，影响与DNA的亲和性，控制染色质

18、的高级结构和活性p组蛋白属于一类较小的碱性蛋白。富含碱性氨基酸(Lys和Arg)，生理pH下带正电荷，可与带负电荷的DNA通过静电引力结合p各种组蛋白在进化的保守性不同，最高的是H4，其次是H3，再其次是H2A和H2B。变化最大的是H1DNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)Lehninger Principles of Biochemistry.W.H.Freeman.6th(2013)组蛋白N末端的化学修饰DNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)念珠状结构进一步盘绕成30nm的螺线管形，后者形成大的突环，经进一步折叠形成微带，最后折叠形成染色体，使DNA

19、的长度压缩约10000倍染色体和染色质是细胞不同分裂时期，遗传物质不同的存在形式，间期(染色质)，分裂期(染色体)DNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)DNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)间期细胞核中的遗传物质有两种结构：p常染色质：压缩程度较低(10002000)，转录活性较高p异染色质：压缩程度较高(碱性染料着色深)，转录活性较低DNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)异染色质：压缩程度较高(碱性染料着色深)，转录活性较低永久性的异染色质功能性异染色质着丝粒、端粒、次缢痕以及染色体的某些节段大多由短的高度重复DNA序列所组成染色质

20、区域随细胞分化而进一步折叠压缩，以封闭基因活性(X染色体失活)性分化的剂量补偿效应分裂间期细胞核电镜图常 染 色 质异 染 色 质核仁DNA的高级结构2、真核生物染色体的结构(DNA+蛋白质)p染色体含有多种非组蛋白，主要与特异的DNA序列结合，可被称作序列特异性DNA结合蛋白(SDBP)，包括:高迁移率蛋白(HMG)-真核细胞基因调控的动力体现者，继组蛋白之后含量最为丰富的蛋白转录因子DNA聚合酶和RNA聚合酶参与基因表达调控的蛋白质、染色体骨架蛋白.p非组蛋白在不同细胞中的种类和数量不同，代谢周转快，主要参与DNA复制和基因表达的调控Light digestion with nucleaseMore extensive nuclease digestionBiochemistry.Concepts and Connections.Pearson.2nd(2019)