DNA结构 - 第二章 DNA的结构 - 副本

形成条件－－串联重复的鸟苷酸
• Poly (G)
均有形成
• 染色体端粒高度重复的 DNA序列
四股螺旋DNA
5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’ 的可能
3’---AATCCCAATCCC-5’
已有实验结果表明－－真核细胞端粒中存在四链结构
可能的功能
A、 稳定真核生物染色体结构
5’-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT T 3’-----AATCCCAATCCC GGG A
生物体内仅UAA为最有效的终止密码子
因为： UAA AUU
的Tm值是最低的一个，即使生 理温度下也不稳定
（3） 大片段D.S DNA分子之间比较 片段长短对Tm值的影响较小, 与组成和排列相关
（4） 小于100bp 的 D.S DNA分子比较 片段愈短， 变性愈快，Tm值愈小
（5） 变性液中含有尿素，甲酰胺等 尿素，甲酰胺与碱基间形成氢键
牛朊病毒传染？
每年发生率约百万 分之一
46例
PrP基因种系突变
约50个家族
PrP 基 因 种 系 突 变 9个家族
（D178N和M129）
致死性中枢神经 系统的慢性退化
病理表现：大 脑皮层的神经 原细胞退化、 空泡变性、死 亡、消失，最 终被星状细胞 取代，因而造 成海棉状态
朊病毒带来了诺贝尔生理/医学奖
* 类病毒（viroid）: 使高等植物产生疾病的传染性因子 只由RNA组成, 无蛋白质外壳保护, 游离的共价闭合环
状单链RNA分子
三、 是否存在核酸以外的遗传物质 Prion (proteinaccous infections particle) 朊病毒－－－蛋白质样的感染因子
羊搔痒病 (scripie) 人类库鲁（ kuru） 病 牛海绵状脑炎(疯牛病)…
此外还可有directed repeatitive sequence ---正向重复序列
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
* 较短的回文序列可能是作为一种信号 如：限制性内切酶的识别位点 一些调控蛋白的识别位点
例如限制性内切酶 EcoRⅠ的识别位点 5‘－－GAATTC－－3’ 3‘－－CTTAAG－－5’
第二章 DNA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 第四节 DNA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
1、 遗传物质必须具有的特性
DNA的特征
a、贮存并表达遗传信息 各异的碱基序列储存大量的遗 传信息
均由传染性病原蛋白颗粒引起
统称Prion (朊病毒)
Prion 复制? 转录? 翻译?
人类朊病毒疾病、症状及发病机理
疾病
症状
库 鲁 病 共济失调、继发痴
（Kuru）
呆
医 源 性 克 雅 痴呆，共济失调 氏病(iCJD）
家 族 性 克 同上 雅氏病
零 星 发 生 克 同上 雅氏病
克雅氏病新 共济失调，常伴有 突变体vCJD 痴呆
氢键断裂，使双螺旋的两条链完全分开变成单链，这 一双链分离的过程叫做变性 1、条件：加热, 极端pH,有机溶剂（ 尿素、 酰胺 )，低盐浓度等
2、变性过程的表现 ¤ 是一个爆发式的协同过程，变性作用发生在一个很 窄的温度范围 ¤ 导致一些理化性质发生剧烈变化
表现为： ※ 熔液黏度降低 ※ 沉降速度加大 ※ 浮力密度上升 ※ 此外吸收值升高（A260nm），即增色效应
1997 Stanley B.Prusiner
发现朊病毒是作 为老年性痴呆症 等疾病的病原并 能在寄主细胞中 繁殖传播
第二节 核酸的化学组成
一、 碱基、核苷、核苷酸
☉ 碱基 Nitrogenous bases
嘧啶 Pyrimidines
Uracil (U)
嘌呤 Purines
☉ 核苷（nucleotide） 嘧啶的1位N原子、嘌呤的9位N原子 糖苷键 Glycosidic bond
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
·此外人们还发现了A、C、D、E等右手双螺旋和左手双螺旋 Z构象等形式
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：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-O键、糖苷键、戊糖环各个键
2、三螺旋DNA (Trible Helix DNA, T.S DNA)
（1） 形成条件
一股为嘌呤，另一股为嘧啶的核苷酸双链能够形成三链 如： polyA/polyU polydA/polydT polyd (AG)/polyd(CT)
可能与基因调控区域的功能和染色体重组有关
（2） 组成形式
D.S. DNA + D.S.DNA T.S. DNA + S.S. DNA
指在DNA变性的过程中，他在260nm的吸收值先是缓慢 上升，达到某一温度时及骤然上升
天然DNA和变性DNA的吸收值相差可达34％
当浓度为 50μg/ml时：
dNTPs A260 = 1.60 S.S DNA A260 = 1.37 D.S DNA A260 = 1.0
3、熔解曲线与融解温度(Tm值)
C-G
T-A
* 双螺旋模型参数
· 直径20Å · 螺距为34Å（任一条链
绕轴一周所升降的距离） · 每圈有10个核苷酸
（碱基）
· 两个碱基之间的垂直
距离是3.4Å。螺旋转 角是36度 · 有大沟和小沟 配对碱基并不充满双 螺旋空间，且碱基对 占据的空间不对称
二、 影响双螺旋结构稳定性的因素
* 维持稳定性的因素 l 氢键 (Hydrogen bond 4~6 kc / mol)
1kb DNA序列
41000 种遗传信息
b、能把信息传递给子代 DNA的复制是其表达和 传递遗传信息的基础
c、物理和化学性质稳定 生理状态下物理、化学性质 稳定
d、具有遗传变化的能力 有突变和修复能力，可稳定遗 传是生物进化的基础
* 原核生物的结构基因占Genome的比例很大
Φx174phage 5386bp 结构基因用去5169bp 比例达96％
核糖是戊糖 RNA－核糖核苷 DNA－脱氧核糖核苷
☉ 核苷酸（nucleotide acid）
核苷的磷酸酯 脱氧核糖核苷酸 核糖核苷酸
9
1’
γ βα
其中α和β、β和γ之间是高 能磷酸键
dNTP
核糖核苷三磷酸缩写为NTP
碱基＋戊糖＝核苷
核苷＋磷酸＝核苷酸
二、DNA分子的一级结构 (DNA sequence)
Pyrimidine-Purine Steps Have Little Base Stacking
5’ C
T 5’
3’ A
G
3’
5’ CA 3’ 3’ GT 5’
Purine-Pyrimidine Steps Have Extensive Base Stacking
5’ A C
3’
3’
G
T
5’
5’ AC 3’ 3’ TG 5’
A
B
Z
Base Inclination Handedness
A
B
Z
四、一些DNA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 repeatitive sequence
or inverted repeats IR） 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,有时也有不完全相同的情况 RNA和DNA 中都可能存在
* 真核生物的结构基因占Genome的比例很小
哺乳动物中结构基因只占10％～15％
其余80％以上的DNA起什么作用目前还无 法精确解释，但可以肯定其中大部分DNA 序列是编码基因选择性表达的遗传信息
所以又称－－调控序列
来自百度文库
二、 RNA也可作为遗传物质
* RNA病毒 传染媒介是病毒颗粒（病毒基因组RNA、蛋白质外壳） 如: 烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic Virus ，TMV)
5` GC 3` CG n
136.12 ℃ 5` TA 3`
AT n
36.7 ℃
＞＞ Tm ＜＜
5` CG 3` GC n 72.55 ℃
5` AT 3` TA n
57.02 ℃
※ 嘌呤嘧啶的排列顺序对双螺旋结构（稳定性）的影响 即－－氢键数目相同，但相邻碱基的堆积力不同 从嘌呤到嘧啶方向的碱基堆积力作用显著地大于 同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基堆积作用
GS 综 合 症 共济失调，常伴有
（GSS）
痴呆
致死性家族 睡眠隔离，接着失 失眠症（FFI） 眠，痴呆
发病机理
发现病例
通过同类相食（人） 约2600例
传染
通 过 朊 病 毒 污 染 的 HGH ， 或通过角膜移植
约80例
PrP基因种系突变
约100个家族
体 细 胞 突 变 PrPc 自 发 转变为PrPsc？
改变碱基对间的氢键
（6） 盐浓度的影响
Tm 值可降至40℃左右
每升0.18mol Na+是常用的标准条件
思考题：室温下蒸馏水中的DNA会如何？
（7） 极端pH条件的影响
pH ~ 12 酮基 →
烯醇基
改变氢键的形成与结合力
pH ~ 2-3 NH2 → NH2+ (质子化)
一切减弱氢键， 碱基堆积力的因素 均将使Tm 值降低
3.4A° (0.34 nm/碱基对间距) ( 1 kc / mol —0.6kc / mol ) ×n
☆ 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 ) 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.
* 不稳定因素 l 磷酸基团间的静电斥力 l 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
弱键, 可加热解链 氢键堆积, 有序排列(线性, 方向) l 磷酸酯键 (phosphoester bond 80~90 kc / mol) 强键, 需酶促解链 l 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
l 碱基堆积力 (非特异性结合力) ☆ 范德华力（Van de waals force） (1.7A°/ 嘌呤环与嘧啶环 作用半径)
1、 多聚核苷酸链
3’
主链是核糖和磷酸
侧链为碱基
5’
由3’,5’磷酸二酯键连接
2、 链的方向：同一个磷酸 基的3’酯键到5’酯键的方向
(5’→3’)
5’-UCAGGCUA-3’
= UCAGGCUA 默认书写顺序5‘→3’
第二节 DNA的二级结构
一、 DNA双螺旋模型的提出（double helix model） * 1953. Watson & Crick
PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA
PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA
TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA
l第三条链位于B-DNA的 Major groove中
3、 四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA )
Hoogsteen Bonding B、 保证DNA末端准确复制 C、 与DNA分子的组装有关 D、 与染色体的 meiosis & mitosis 有关
第四节 DNA的物理、化学性质
DNA双股链的互补 是其结构和功能上的一个基本特征 也是DNA研究中一些实验技术的基础
一、DNA分子的变性
变性（denaturation 或融解 melting）：DNA双螺旋区 的
缓慢而均匀地增加DNA 溶液的温度（现可做到 0.1 ℃／分）可根据各
OD 1.37
点的A260值绘制成DNA 1.185
的熔解曲线
1.0
℃
Tm = OD增加值的中点温度(一般为8595℃) 或DNA双螺旋结构失去一半时的温度
这也是一般PCR实验技术中把变性温度定为94 ℃的原因
1、 影响 Tm值的因素 （1） 在 A, T, C, G 随机分布的情况下 ，决定于GC含量 GC%愈高 → Tm值愈大 GC%愈低 → Tm 值愈小 （2）GC%含量相同的情况下 AT形成变性核心，变性加快，Tm 值小 碱基排列对Tm值具有明显影响
右手 B- DNA Double helix Model
* 双螺旋的主链
• 每一单链具有
5‘ 3’极性
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 盘 旋 （直径2nm）
• 双 螺旋中存在 大，小 沟
磷酸二酯链
(Phosphodiester
Backbone)
碱基互补