分子生物学（贾海燕）第四章.docxVIP

第四章　核酸的结构和性质一、核酸的分子组成碱基（Base）戊糖：核苷（nucleoside）核苷 = 碱基+戊糖核苷酸（nucleotide）由一个或多个磷酸分子与核苷共价结合而成。在5’位上，最多可连接三个磷酸基团，分别为NMP、NDP、NTP和dNMP、dNDP、dNTP。NTP和dNTP是组成核酸大分子的基本元件，但DNA和RNA链中的重复单位是单磷酸(脱氧)核苷。多聚核苷酸的形成一个核苷酸的α磷酸基团和相邻戊糖的3’位上的羟基形成共价键，即3’,5’-磷酸二酯键，单个核苷酸的依次加入形成线性的核酸大分子。DNA是由脱氧核糖核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的生物大分子。DNA与RNA的异同点相同点结构的基本单位相同，5’→3’方向，线性分子。不同点a. 在DNA中，戊糖是脱氧核糖；在RNA中戊糖是核糖。b. T → Uc. RNA主要是单链形式；DNA主要是双链形式。二、DNA的一级结构DNA的一级结构指由数量很多的4种基本核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接的直线或环形分子。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称碱基序列。DNA：四种脱氧核苷酸按一定顺序以磷酸二酯键相连形成聚脱氧核苷酸链。DNA的书写顺序是：5’→3’。三、DNA的二级结构——双螺旋结构Watson and Crick (1953) 提出的DNA双螺旋结构模型：DNA分子通常以右手双螺旋形式存在，两条核苷酸链反向平行，且互为互补链。戊糖－磷酸骨架在分子的外铡，在分子表面形成大沟和小沟，碱基堆积于螺旋内部。碱基间通过氢键相互连接，A和T以2个氢键配对，G和C以3个氢键配对。螺旋中相邻碱基间相隔0.34nm，每10个碱基对螺旋上升一圈，螺距为3.4nm，直径为2nm。Chargaff（加卡夫）法则：所有DNA中，A与T的摩尔含量相等（A=T），G与C的摩尔含量相等（G=C）, 即嘌呤的总含量与嘧啶的总含量相等（A+G=T+C）。DNA的碱基组成具有种属的特异性，但没有组织和器官的特异性。生长和发育阶段，营养状态和环境的改变都不影响DNA的碱基组成。DNA双螺旋结构的稳定力：?碱基间形成的氢键?相邻碱基间的疏水堆积力?碱基相互作用的范德华力尽管氢键使得双链中的碱基间的配对具有特异性（只有互补的两条链之间才能形成DNA双链），但其对于双螺旋的总体上的稳定性并无太大贡献。核酸分子的稳定性的根源在于碱基对之间的疏水堆积力。作为芳香族化合物，碱基的平面使其不能在自由溶液中与水分子形成氢键，即它们是疏水的。疏水效应使双链DNA成为能量上最为稳定的结构。尽管这种堆积作用在RNA中也存在，但其在双链DNA中达到了最大化。DNA双螺旋结构的类型:三种形态的DNA：A-DNA, B-DNA, Z-DNA两类：右手螺旋和左手螺旋四、DNA的三级结构DNA 超螺旋DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋DNA不仅存在于环状DNA中，也存在于线性DNA分子中。正超螺旋：DNA旋转的方向与双螺旋方向相同。具正超螺旋的DNA处于过旋状态。(左手超螺旋)负超螺旋：DNA旋转的方向与双螺旋方向相反。具负超螺旋的DNA处于欠旋状态。(右手超螺旋)正超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋，在外力往紧缠的方向捻转时，会产生一个左旋的超螺旋，以解除外力捻转造成的胁迫。这样形成的螺旋为正超螺旋 (左手超螺旋) 。负超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋在外力向松缠的方向捻转时，产生一个右旋的超螺旋以解除外力捻转造成的胁迫。这样形成的超螺旋为负超螺旋(右手超螺旋) 。L(连接数)=T (盘绕数)+W (扭曲数、超螺旋数)超螺旋的拓扑学连接数Lk (Linking number)： DNA分子两条链间交叉的数目。刚刚从细胞内分离出来的DNA分子通常是负的超螺旋，约6圈负超螺旋/100圈双螺旋（1000 bp）。负超螺旋DNA具有比松弛的DNA更高的能量。这一能量会使DNA螺旋更易于局部解旋。因此，负超螺旋有利于一些需要螺旋解旋的细胞过程，如转录起始或复制。盘绕数 Tw (Twisting number)：双螺旋本身的螺旋数。扭曲数（超螺旋数）Wr (Writhing number)：围绕超螺旋轴扭曲的圈数。连接数=盘绕数+扭曲数；ΔLk= ΔTw+ ΔWr拓扑异构体：具有相同连接数但空间结构相异的双链DNA分子。除非DNA的一条或两条链发生断裂，否则连接数保持不变。当连接数不变时，DNA分子的构型可以发生改变。主要通过盘绕数和扭曲数的变化来实现。超螺旋的转变嵌入剂如溴化乙锭（EB）影响DNA双螺旋内部缠绕：盘绕数减少，扭曲数增加，而连接数不变。拓扑异构酶：能调控DNA分子超螺旋水平的酶。拓扑异构酶有两种类型：拓扑异构酶I在一条链的磷酸骨架上产生断裂，每次断裂使Lk变化±1，一条链穿过缺口。利用