第二章 2DNA的结构

戊糖的构象
A DNA
B DNA
A
B
Z
Base Inclination Handedness
A
B
Z
一些DNA序列的不寻常结构 四、一些 序列的不寻常结构
1、反向重复序列与二级结构 、 反 向 重 复 序 列 （ inverted sequence or repeats IR） IR） 又称回文序列（ 廻文） 又称回文序列 （ 廻文 ） ： 指两段同样的核苷酸序列 同时存 在于一个 分子中， 分子中，但具有相反的方向 有时也有不完全相同的情况 RNA和DNA中都 RNA 和 DNA 中都 inverted repeatitive
☆ 疏水作用力 (Hydrophobic interaction) (磷酸骨架 氨基 酮基周围水分子间的有序排列 ) 磷酸骨架, 氨基, 磷酸骨架 不溶于水的非极性分子在水中相互联合, 成串结合的趋势力. 不溶于水的非极性分子在水中相互联合 成串结合的趋势力 上升-----热力学上的稳定态 即熵 值(Entrophy)∆S上升 上升 热力学上的稳定态 非极性分子间（嘌呤和嘧啶碱基）的相互成串结合 非极性分子间（嘌呤和嘧啶碱基） 上升(∆S going up) 熵值 上升 成为碱基间的部分堆积力
大，小 沟
Phosphodiester Backbone
碱基互补
C-G
T-A
*
双螺旋模型参数
直径20Å · 直径 螺距为34Å（任一条链 · 螺距为 （ 绕轴一周所升降的距离） 绕轴一周所升降的距离） 每圈有10 10个核苷酸 · 每圈有10个核苷酸 （碱基） 碱基） 两个碱基之间的垂直 距离是3.4 。 距离是3.4Å。螺旋转 3.4 角是36度 角是 度 · 有大沟和小沟 配对碱基并不充满双 螺旋空间， 螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称
Ribonucleotides
二、DNA分子的一级结构 分子的一级结构 (DNA sequence) 1、 多聚核苷酸链 主链是核糖和磷酸 侧链为碱基 ,5’磷酸二酯键 由3’,5 磷酸二酯键连接 ,5 磷酸二酯键连接 链的方向： 2、 链的方向：同一个磷酸 基 的3’酯键到5’酯键的 酯键到5 酯键的 酯键到 方向 5’-UCAGGCUA-3’ (5’→3’) (5 ) = UCAGGCUA 默认书写顺序5‘→3’ 默认书写顺序
所以又称－－调控序列 所以又称－－调控序列 －－
二、 RNA也可作为遗传物质 也可作为遗传物质 * RNA病毒 病毒 传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组 传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳） 、蛋白质外壳） Tobacco Mosaic Virus (TMV) * 类病毒（viroid）: 使高等植物产生疾病的传染性因子 类病毒（ ） 只由RNA组成 组成 只由 三、 是否存在核酸以外的遗传物质 Prion (proteinaccous 的风波 infections particle) 引起
3’ 5’
3、
DNA一级结构的特点 DNA一级结构的特点 a、脱氧核糖是其显著特点 －－－－DNA DNA极其稳定的根本原因 －－－－DNA极其稳定的根本原因 DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定 DNA在高pH值时磷酸酯键非常稳定 在高pH 只是碱基存在构像的变化变化 酮式 烯醇式 酮式
烯醇式
在高pH pH时则稳定性很差 RNA 在高pH时则稳定性很差 由于2 －OH导致的水解 由于2‘－OH导致的水解
其余80 ％ 以上的DNA 起什么作用目前还无法精确解释， DNA起什么作用目前还无法精确解释 其余 80％ 以上的 DNA 起什么作用目前还无法精确解释 ， 但可以 80 肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息 肯定其中大部分DNA序列是编码基因选择性表达的遗传信息 DNA 表现在： 表现在： 细胞周期的不同时相中 个体发育不同阶段 不同的器官和组织 不同的外界环境下各种基因的表达与否以及 量的差异
* 提出
1953.
Watsosn & Crick
右手 B- DNA Double helix Model
*
双螺旋的主链
• 性Leabharlann 每一单链具有 5‘ 3’极 极
两条单链极性 相反 反向平行 • 两条单链间以氢 键 连接 • 以中心为轴，向 右 直径2nm 2nm） 盘 旋 （直径2nm） • 双 存 在 螺 旋 中
第二章 PartII DNA的结构 的结构
第一节 遗传物质的本质 第二节 核酸的化学组成 第三节 DNA的二级结构 的二级结构 第四节 DNA的物理化学性质 的物理化学性质 第五节 超螺旋和拓扑异构
第一节 遗传物质的本质
一、DNA携带两类不同的遗传信息 携带两类不同的遗传信息 1、 遗传物质必须具有的特性 a、贮存并表达遗传信息 DNA的特征 的特征
碱
OH
2’, 3’-环式单核苷酸 环式单核苷酸 自由的 5’-OH
b、磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环，碱基是 磷酸呈四面体构型，脱氧核糖呈折叠的五元环， 平 面的
C、主链是亲水的，侧链（碱基）是疏水的 主链是亲水的，侧链（碱基） 主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键， 主链的脱氧核糖的羟基能与水形成氢键，而磷酸 基团在 生理条件下离解为负离子 4、 这些特点保证了多核苷酸链可形成稳定的构象 一级结构的概念 指DNA分子中的核苷酸排列顺序 DNA分子中的核苷酸排列顺序 不同生物借此贮存遗传信息 决定DNA的二级结构和高级结构 决定DNA的二级结构和高级结构 DNA
二、 影响双螺旋结构稳定性的因素
* 维持稳定性的因素 氢键 (Hydrogen bond 4~6 kc / mol) 弱键, 弱键 可加热解链 氢键堆积, 有序排列(线性 方向) 线性, 氢键堆积 有序排列 线性 方向 磷酸酯键 (phosphoester bond 80~90 kc / mol) 强键, 强键 需酶促解链 0.2 mol / L Na+ 生理盐条件 消除DNA单链上磷酸基团间的静电斥力 单链上磷酸基团间的静电斥力 消除
C
反向重复序列间间隔较短或无间隔
反向重复序列间间隔较长
课内容回顾: 课内容回顾:
碱基、核苷、 1、 碱基、核苷、核苷酸的化学组成 2、核酸的一级结构 书写方向 3、Watson ＆ Crick 的Double 参数 大小沟 二级结构的多态性 4、影响二级结构的作用力：稳定因素 影响二级结构的作用力： 不稳定因素 5、DNA序列的不寻常结构：反向重复序列 DNA序列的不寻常结构： 序列的不寻常结构
2、 DNA携带两种遗传信息 、 携带两种遗传信息 a、编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、rRNA) 编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、 RNA的信息 tRNA 64个三联体密码子 64个三联体密码子 三个终止密码子
编码氨基酸的61个密码子由简并性、 编码氨基酸的61个密码子由简并性、通用性 61个密码子由简并性 b、编码基因选择性表达的信息 * 原核生物的结构基因占Genome的比例很大 原核生物的结构基因占Genome的比例很大 Genome Φx174phage 174phage 比例达96％ 比例达96％ 96 * 真核生物的结构基因占Genome的比例很小 真核生物的结构基因占Genome的比例很小 Genome 哺乳动物中结构基因只占10％ 15％ 哺乳动物中结构基因只占10％～15％ 10 5386bp 5386bp 结构基因用去5169bp 结构基因用去5169bp 5169
非特异性结合力) 碱基堆积力 (非特异性结合力 非特异性结合力 范德华力（ ☆ 范德华力（Van de waals force） ） (1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径 作用半径) °
3.4A° (0.34 nm/碱基对间距 碱基对间距) 碱基对间距 ( 1 kc / mol —0.6kc / mol ) ×n
析DNA 1950 b、 1 c、 1952
发现了核苷酸和核苷酸之间由磷酸二酯键 A+T ≠ G + C 联接 1952 d、 M.H.F.Wilkins & Rosalind Franklin 得到了高度定向的DNA纤维的X 得到了高度定向的DNA纤维的X-射线照片 DNA纤维的 发现原子长轴存在0 34和 发现原子长轴存在0.34和3.4nm两种周期性 nm两种周期性 此外， 此外 ， 之前的密度测定表明螺旋由两条多核苷酸链 组成，且直径恒定（ nm)。 组成，且直径恒定（2nm)。
各异的碱基序列储存大量的 遗 传信息 1kb DNA序列 序列 41000 种遗传信息 碱基互补是其复制、转 碱基互补是其复制、 录表达遗传信息的基础 生理状态下物理、 生理状态下物理、化学性质 稳定 有突变和修复能力， 有突变和修复能力，可稳定遗 传是生物进化的基础
b、能把信息传递给子代 c、物理和化学性质稳定 d、具有遗传变化的能力
*
不稳定因素 磷酸基团间的静电斥力 碱基内能增加(温度 使氢键因碱基排列有序状态的破坏 温度), 碱基内能增加 温度 使氢键因碱基排列有序状态的破坏 而减弱
三、双螺旋结构的基本形式
· B-DNA 资料来自相对湿度为92％所得到的DNA钠盐纤维 资料来自相对湿度为92％所得到的DNA钠盐纤维 92 DNA · 此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋 此外人们还发现了A Z构象等形式 DNA结构的多态性 几种不同的DNA 结构的多态性： DNA双螺旋结构以及同 DNA结构的多态性：几种不同的DNA双螺旋结构以及同 一种双螺旋结构内 参数存在差异的现象 原因： 原因：多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键 磷酸二酯键的两个P 糖苷键、 磷酸二酯键的两个P-O键、糖苷键、戊糖环各 个键
第二节 DNA的二级结构 的二级结构
双螺旋模型的提出（ 一、 DNA双螺旋模型的提出（double helix model） 双螺旋模型的提出 ） * 依据 1938. a、 1938. W. T. Astbury Chargaff Alexander Todd 首次用X 首次用X－射线分 A + G / T + C =