第二章 基因结构与功能

第一节
DNA的结构特征与分子形式
• C. DNA作为遗传信息的载体，一是编码氨基酸转录并翻 译为蛋白质；二是基因表达的调控，即，DNA的精细结构 －密码结构域，通过被结合蛋白识别，调节和控制基因的 表达。因此，非编码DNA区段的作用及其功能，将成为分 子生物学的一个重要的领域.
第一节
DNA的结构特征与分子形式
A260
0.02
0.1
1.0
mol/LKCl
温度/0C
DNA变性（加热或极端pH）
DNA的复性
• 变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重 新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性 后，一系列物理、化学性质将得到恢复。
• 将热变性的DNA骤然冷却至低温时，DNA不可能复性。但 是将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性，这一过程也叫 退火（annealing)。分子量越大复性越难。浓度越大， 复性越容易。DNA的复性也与它本身的组成和结构有关：
microRNA
Spliceosome
Ribosome
DNA的变性（denaturation）
DNA的变性是指DNA在加热和变性剂的作用下，堆积力受到破 坏而形成的近似于无规则线团构型的DNA过程 核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链结构的过程。 核酸的变性并不涉及磷酸二酯键的断裂，而是双链变单链的解 链过程，所以它的一级结构(碱基顺序)保持不变。 温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的 变性。
C0t1/2
第一节
DNA的结构特征与分子形式
2 非常见DNA 的分子形式
• Holliday结构： • 两个DNA双螺旋分子进行交叉重组，则将形成一个“四螺 旋”作为中间物。这样的中间物的存在是R.Holliady在六 十年代首先提出来的，称为Holliday结构，或交叉结构。 • Holliday结构的另一个重要性质是能够发生立体异构现象。 这种异构转变在体内是经常发生的，它可以导致两条子链 发生双重交换，或所有四条链发生单交换。
第一节
• • • • •
DNA的结构特征与分子形式
• 1） DNA的双螺旋结构
脱氧核糖以磷酸二酯键构成螺旋的骨架 两条主链反向平行 螺旋主链的外侧为核酸＋磷酸，内侧 为碱基AGCT按照Chargaff当量配对 螺距，大沟，小沟
第一节
DNA的结构特征与分子形式
2）三种类型的DNA
第一节
DNA的结构特征与分子形式
第一节
DNA的结构特征与分子形式
3） DNA拓扑异构酶的作用机制
生物体的DNA 通过拓扑异构酶I和II的相互作用，使得超螺旋达 到一个平衡稳定的状态。
A) 拓扑异构酶I作用的碱基序列特异性并不高，但是切点一定 在C的下游方向的4个碱基； B) DNA单链切断以后，拓扑异构酶I连接与切口的5‘端，并贮存 水解磷酸二酯键的能量； C) 促进两条单链的复性，解除复性时的链环数负值； D) 产生三叶结构分子和环链体分子。
DNA的热变性和解链温度（Tm）
• 用加热的方法使DNA变性叫做热变性 • DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度区间内完成。因 此，通常将DNA的变性达到50%时，即增色效应达到一半时的 温度称为DNA的解链温度（melting temperature,Tm）,Tm也称 熔解温度或DNA的熔点。 一般DNA的Tm值在70-85C之间
TA排列的氢键分布
GC排列的氢键分布
第一节
DNA的结构特征与分子形式
Minor groove and Major groove are H+ ions accepter or donator
大沟: G-C A-T 小沟： G-C A-T
a-a-d d-a-a a-d-a a-d-a a-a
A:acepter d:donater
DNA的结构特征与分子形式
1 常见DNA 的分子形式
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DNA的结构特征与分子形式
2 非常见DNA 的分子形式
• DNA的非常见序列是以特定的DNA序列为基础，例如，交替 的嘧啶、嘌呤重复序列能够形成Z-DNA；反向重复序列能够 形成十字形结构或者单泡状结构；反向重复序列的的同型嘧 啶－嘌呤可以形成三链结构；转录过程可以形成R-DNA；线 粒体复制的时候形成D－环型DNA。
Z-DNA
3.32-3.4 2.0-2.37 2.46-2.53 2.55 1.8-1.84 4.56
B-DNA：在相对湿度为92%时的DNA钠盐。接近DNA在细胞中的构象。 A-DNA：在相对湿度为75%以下时的DNA纤维。 Z-DNA：左手螺旋（A.Rich的工作）
第一节
DNA的结构特征与分子形式
第一节
DNA的结构特征与分子形式
一、 DNA的结构特征
• • • • 多核苷酸链是核酸结构的基础， 多个核苷酸通过3‘，5’－磷酸 二酯键连接而成的线型大分子， 核苷酸是多核苷酸链的结构单位
• 核酸有三部分组成： • 核糖、磷酸和碱基
第一节
DNA的结构特征与分子形式
一、 DNA的结构特征
1 DNA结构的多样性 DNA的双螺线结构：不规整的，动态的变化中，其构象参数是 随着核苷酸序列的不同而变化，DNA的多样性结构还会相互转 变，DNA结构的多样性决定生命的复杂性。 DNA通常也具有三级结构： 一级结构——核苷酸序列； 二级结构——双螺旋构型和构象； 三级结构——双螺旋结构的折叠，以及空间的构象。
第一节
DNA的结构特征与分子形式
2
非常见DNA 的分子形式
含有（TC)n和（AG)n的同型嘧啶或者是同型嘌呤易形成镜 像重复序列，该序列在低pH的条件下能够形成分子内的三 链DNA，它是由双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折并 嵌入剩下的双链DNA 的大沟之中形成的。 在三链的DNA中，原来的两股链的走向是反向平行的，其 碱基通过Watson-Crick方式配对，位于大沟中的多聚嘧啶 链则与双链DNA中的多聚嘌呤链平行走向，碱基按照 Hoogsteen方式配对并且形成TAT，CGC三联体，这种配 对方式中的胞嘧啶残基必须先于H+结合进行质子化才能与 鸟嘌呤配对。
1）三链DNA（H-DNA）：
第一节
DNA的结构特征与分子形式
三链DNA（H-DNA）：
第一节
DNA的结构特征与分子形式
三链DNA（H-DNA）：
第一节
DNA的结构特征与分子形式
2） 四链DNA－端粒DNA的结构
• 端粒的生物学功能是保持染色体的稳定，子代DNA的复制 使得DNA的5’端逐步缩短。端粒DNA 主要有一段结构简单 和串联重复的序列构成，脊椎动物通常为AGGGTT，原生 生物通常为GGGGTT（TT），面包酵母G1-3T和G1-8A,特 点是富含G，长度可以达到几百或几千。 • 端粒DNA 的 3‘末端12－16个碱基对能够形成回折结构，长 的富含G的序列能够形成G的四链DNA
• ssDNAK2 NhomakorabeadsDNA
复性动力学曲线
K1
• 复性反应的速度用C0t1/2表示。C0为变性DNA复性时的浓度， t为时间，以秒表示。 • C0t1/2=1/k2
• 起始浓度和反应时间的乘积的大小与复性程度有关，其中 复性反应速度常数 k2与DNA序列的复杂程度有关，DNA序 列越复杂， k2就越小，复性反应速度就越慢。
第二章 基因结构与功能
第一节 第二节 第三节 第四节 DNA的结构特征与分子形式 DNA、核小体与染色体 基因的结构与特征 基因家族和基因簇
第一节
DNA的结构特征与分子形式
• 一、 DNA的结构特征
• 1 DNA结构的多样性 • 2 DNA的三级结构－超螺旋与拓扑异构现象
• 二、DNA的分子形式
• 1 常见的分子形式 • 2 非常见的分子形式
第一节
DNA的结构特征与分子形式
二、 DNA 的分子形式
1 常见DNA 的分子形式
• I形DNA：具有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分 子；沉降系数1.41;
• I0形DNA：没有正超螺旋或者负超螺旋的双链闭合环状分 子；沉降系数1. 14;
• II形DNA：在一条链或者两条链上有切刻的双链环状分子； 沉降系数1. 14; • III形DNA：线性的双螺旋DNA分子,沉降系数1. 10;
Conformational Parameters of DNA Secondary Structure DNA二级结构的构象参数 类 型 B-DNA 碱基倾角 碱基间距 （nm） 6 20 9 0.34 0.23 0.38 每圈碱基数 螺 距 (nm) 10 11 12 螺旋直径 （nm）
A-DNA
三、DNA精细结构特点
• 1） X射线衍射证明 双螺旋的结构及其参数是不固定的， 而且在一定的范围内进行调整和改变，形成具有DNA 局 部构象的双螺旋：
• 2） DNA 的局部构象：包括，螺旋扭转，碱基平 面扭转，平面弯曲，平面滑动等形式
• 双螺旋的结构是通过碱基的 堆积及其氢键的相互作用而 形成稳定的结构 • 双环结构的嘌呤会因为增大 碱基的堆积作用而使得碱基 的功能基团之间发生挤压， 这种挤压随序列不同而变化。
• •
•
• RNA本身只有局部的双螺旋区，所以变性行为所引起的性质 变化没有DNA那样明显。
• 利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况。DNA在完 全变性后，紫外吸收(260 nm)值增加25－40%.而RNA变性后， 约增加1.1%。
• 增色效应：变性后DNA对260nm紫外光的吸收率（A260）比变 性前明显增加的现象。
2 DNA的三级结构－超螺旋与拓扑异构现象
1) 定义： DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲 和折叠所形成的特定构象。包括不同二级结构单元间、单 链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。 超螺旋是DNA三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺 旋的螺旋。