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1、n 第 一 節(jié) 遺 傳 物 質 的 本 質n 第 二 節(jié) 核 酸 的 化 學 組 成n 第 三 節(jié) DNA的 二 級 結 構n 第 四 節(jié) DNA的 物 理 化 學 性 質n 第 五 節(jié) 超 螺 旋 和 拓 撲 異 構第 二 章 DNA的 結 構 第 一 節(jié) 遺 傳 物 質 的 本 質 一 、 DNA攜 帶 兩 類 不 同 的 遺 傳 信 息 1、 遺 傳 物 質 必 須 具 有 的 特 性 DNA的 特 征 a、 貯 存 并 表 達 遺 傳 信 息 各 異 的 堿 基 序 列 儲 存 大 量 的 遺傳 信 息1kb DNA序 列 41000 種 遺 傳 信 息 b、 能 把 信 息 傳 遞

2、給 子 代 DNA的 復 制 是 其 表 達 和傳 遞 遺 傳 信 息 的 基 礎 c、 物 理 和 化 學 性 質 穩(wěn) 定 生 理 狀 態(tài) 下 物 理 、 化 學 性 質 穩(wěn) 定 d、 具 有 遺 傳 變 化 的 能 力 有 突 變 和 修 復 能 力 ， 可 穩(wěn) 定 遺 傳 是 生 物 進 化 的 基 礎 2、 DNA攜 帶 兩 種 遺 傳 信 息 a、 編 碼 蛋 白 質 和 RNA的 信 息 (編 碼tRNA、 rRNA) 64個 三 聯(lián) 體 密 碼 子 3個 終 止 密 碼 子 編 碼 氨 基 酸 的 61個 密 碼 子 有 簡 并 性 、 通 用 性 b、 編 碼 基 因 選 擇

3、性 表 達 的 信 息基 因 選 擇 性 表 達 表 現(xiàn) 在 ： 細 胞 周 期 的 不 同 時 相 中 個 體 發(fā) 育 不 同 階 段 不 同 的 器 官 和 組 織 不 同 的 外 界 環(huán) 境 下 基 因 的 表 達 與 否 以 及 量 的差 異 * 原 核 生 物 的 結 構 基 因 占 Genome的 比 例 很 大 x174phage 5386bp 結 構 基 因 用 去 5169bp 比 例 達 96* 真 核 生 物 的 結 構 基 因 占 Genome的 比 例 很 小 哺 乳 動 物 中 結 構 基 因 只 占 10 15 其 余 80 以 上 的 DNA起 什 么 作 用

4、目 前 還 無法 精 確 解 釋 ， 但 可 以 肯 定 其 中 大 部 分 DNA序 列 是 編 碼 基 因 選 擇 性 表 達 的 遺 傳 信 息 所 以 又 稱 調 控 序 列 二 、 RNA也 可 作 為 遺 傳 物 質 * RNA病 毒 傳 染 媒 介 是 病 毒 顆 粒 （ 病 毒 基 因 組 RNA、 蛋 白 質 外 殼 ） 如 : 煙 草 花 葉 病 毒 （ Tobacco Mosaic Virus ， TMV) * 類 病 毒 （ viroid） : 使 高 等 植 物 產 生 疾 病 的 傳 染 性 因 子 只 由 RNA組 成 , 無 蛋 白 質 外 殼 保 護 , 游

5、離 的 共 價 閉 合 環(huán)狀 單 鏈 RNA分 子 三 、 是 否 存 在 核 酸 以 外 的 遺 傳 物 質 Prion (proteinaccous infections particle) 朊 病 毒 蛋 白 質 樣 的 感 染 因 子羊 搔 癢 病 (scripie)人 類 庫 魯 （ kuru） 病 牛 海 綿 狀 腦 炎 (瘋 牛 病 ) 均 由 傳 染 性 病 原 蛋 白 顆 粒 引 起統(tǒng) 稱 Prion (朊 病 毒 ) Prion 復 制 ? 轉 錄 ? 翻 譯 ? 疾 病 癥 狀 發(fā) 病 機 理 發(fā) 現(xiàn) 病 例庫 魯 病（ Kuru） 共 濟 失 調 、 繼 發(fā) 癡呆 通

6、過 同 類 相 食 （ 人 ）傳 染 約 2600例醫(yī) 源 性 克 雅氏 病 (iCJD） 癡 呆 ， 共 濟 失 調 通 過 朊 病 毒 污 染 的 HGH，或 通 過 角 膜 移 植 約 80例家 族 性 克雅 氏 病 同 上 PrP基 因 種 系 突 變 約 100個 家 族零 星 發(fā) 生 克雅 氏 病 同 上 體 細 胞 突 變 PrPc自 發(fā)轉 變 為 PrPsc？ 每 年 發(fā) 生 率 約 百 萬分 之 一克 雅 氏 病 新突 變 體 vCJD 共 濟 失 調 ， 常 伴 有癡 呆 牛 朊 病 毒 傳 染 ？ 46例G S 綜 合 癥（ GSS） 共 濟 失 調 ， 常 伴 有癡 呆

7、 PrP基 因 種 系 突 變 約 50個 家 族致 死 性 家 族 失 眠 癥 （ FFI） 睡 眠 隔 離 ， 接 著 失眠 ， 癡 呆 PrP基 因 種 系 突 變（ D178N和 M129） 9個 家 族 人 類 朊 病 毒 疾 病 、 癥 狀 及 發(fā) 病 機 理 致 死 性 中 樞 神 經(jīng)系 統(tǒng) 的 慢 性 退 化病理表現(xiàn)：大腦皮層的神經(jīng)原細胞退化、空泡變性、死亡、消失，最終被星狀細胞取代，因而造成海棉狀態(tài) 朊 病 毒 帶 來 了 諾 貝 爾 生 理 /醫(yī) 學 獎 1997 Stanley B.Prusiner發(fā) 現(xiàn) 朊 病 毒 是 作為 老 年 性 癡 呆 癥等 疾 病 的 病 原

8、 并能 在 寄 主 細 胞 中繁 殖 傳 播 第 二 節(jié) 核 酸 的 化 學 組 成 嘧 啶Pyrimidines嘌 呤Purines 一 、 堿 基 、 核 苷 、 核 苷 酸 堿 基Nitrogenous bases Uracil (U) 核 苷 （ nucleotide） 糖 苷 鍵G lycosidic bond嘧 啶 的 1位 N原 子 、 嘌 呤 的 9位 N原 子核 糖 是 戊 糖 RNA 核 糖 核 苷 DNA 脫 氧 核 糖 核 苷 19 核 苷 酸 （ nucleotide acid）核 苷 的 磷 酸 酯 脫 氧 核 糖 核 苷 酸 核 糖 核 苷 酸其 中 和 、 和

9、之 間 是 高能 磷 酸 鍵 dNTP 堿 基 戊 糖 核 苷 核 苷 磷 酸 核 苷 酸 二 、 DNA分 子 的 一 級 結 構 (DNA sequence)1、 多 聚 核 苷 酸 鏈 主 鏈 是 核 糖 和 磷 酸 側 鏈 為 堿 基由 3 ,5 磷 酸 二 酯 鍵 連接2、 鏈 的 方 向 ： 同 一 個 磷 酸 基 的 3 酯 鍵 到 5 酯 鍵 的 方向 (5 3) 5-UCAGGCUA-3 = UCAGGCUA 默 認 書 寫 順 序 53 3 5 第 二 節(jié) DNA的 二 級 結 構 * 1953. Watson & Crick 右手 B- DNA Double helix

10、Model 一 、 DNA雙 螺 旋 模 型 的 提 出 （ double helix model） 每 一 單 鏈 具 有 5 3 極 性 兩 條 單 鏈 極 性 相反 ,反 向 平 行 兩 條 單 鏈 間 以 氫 鍵連 接 以 中 心 為 軸 ， 向 右 盤 旋 （ 直 徑 2nm） 雙 螺 旋 中 存 在 大 ， 小 溝 * 雙 螺 旋 的 主 鏈 磷 酸 二 酯 鏈(PhosphodiesterBackbone) C-GT-A 堿 基 互 補 直 徑 20 * 雙 螺 旋 模 型 參 數(shù) 螺 距 為 34（ 任 一 條 鏈 繞 軸 一 周 所 升 降 的 距 離 ） 每 圈 有 10個

11、 核 苷 酸 （ 堿 基 ） 有 大 溝 和 小 溝 配 對 堿 基 并 不 充 滿 雙 螺 旋 空 間 ， 且 堿 基 對 占 據(jù) 的 空 間 不 對 稱 兩 個 堿 基 之 間 的 垂 直 距 離 是 3.4。 螺 旋 轉 角 是 36度 二、 影響雙螺旋結構穩(wěn)定性的因素 l 氫鍵 (Hydrogen bond 46 kc / mol) 消除DNA單鏈上磷酸基團間的靜電斥力 弱鍵, 可加熱解鏈氫鍵堆積, 有序排列(線性, 方向) l 磷酸酯鍵 (phosphoester bond 8090 kc / mol)l 0.2 mol / L Na + 生理鹽條件 強鍵, 需酶促解鏈 * 維 持

12、穩(wěn) 定 性 的 因 素 l 堿基堆積力 (非特異性結合力) ( 1 kc / mol 0.6kc / mol ) n 范德華力（Van de waals force） (1.7A / 嘌 呤 環(huán) 與 嘧 啶 環(huán) 作 用 半 徑 )(0.34 nm/堿 基 對 間 距 )3.4A 疏水作用力 (H ydrophobic interaction) 不溶于水的非極性分子在水中相互聯(lián)合, 成串結合的趨勢力. (磷酸骨架, 氨基, 酮基周圍水分子間的有序排列 )l 磷酸基團間的靜電斥力 l 堿基內能增加(溫度), 使氫鍵因堿基排列有序狀態(tài)的破壞 而減弱 * 不 穩(wěn) 定 因 素 三、雙螺旋結構的基本形式

13、B-DNA 資 料 來 自 相 對 濕 度 為 92 所 得 到 的 DNA鈉 鹽 纖 維 此 外 人 們 還 發(fā) 現(xiàn) 了 A、 C、 D、 E等 右 手 雙 螺 旋 和 左 手 雙 螺 旋 Z構 象 等 形 式DNA結 構 的 多 態(tài) 性 ： 幾 種 不 同 的 DNA雙 螺 旋 結 構 以 及 同 一 種 雙 螺 旋 結 構 內 參 數(shù) 存 在 差 異 的 現(xiàn) 象 原 因 ： 多 核 苷 酸 鏈 的 骨 架 含 有 許 多 可 轉 動 的 單 鍵 磷 酸 二 酯 鍵 的 兩 個 P-O鍵 、 糖 苷 鍵 、 戊 糖 環(huán) 各 個 鍵 A B ZH andednessBase Inclinat

14、ion A B Z大溝寬小溝窄小溝窄大溝變深 小溝寬淺 大 溝 不 存 在小 溝 窄 而 深 1、 反 向 重 復 序 列 與 二 級 結 構 反 向 重 復 序 列 （ inverted repeatitive sequence or inverted repeats IR） 又 稱 回 文 序 列 （ 廻 文 ） ： 指 兩 段 同 樣 的 核 苷 酸 序 列 同 時 存 在 于 一 個 分 子 中 ,有 時 也 有 不 完 全 相 同 的 情 況 RNA和 DNA中 都 可 能 存 在 此 外 還 可 有 directed repeatitive sequence -正 向 重 復 序

15、列四、一些DNA序列的不尋常結構 C 反 向 重 復 序 列 間 間 隔 較 短 或 無 間 隔反 向 重 復 序 列 間 間 隔 較 長 * 較 短 的 回 文 序 列 可 能 是 作 為 一 種 信 號 如 ： 限 制 性 內 切 酶 的 識 別 位 點 一 些 調 控 蛋 白 的 識 別 位 點 例 如 限 制 性 內 切 酶 EcoR 的 識 別 位 點 5 GAATTC 3 3 CTTAAG 5 （ 1） 形 成 條 件 一 股 為 嘌 呤 ， 另 一 股 為 嘧 啶 的 核 苷 酸 雙 鏈 能 夠 形 成 三 鏈 如 ： polyA/polyU polydA/polydT poly

16、d (AG )/polyd(CT) 2、 三 螺 旋 DNA (Trible Helix DNA, T.S DNA) 可 能 與 基 因 調 控 區(qū) 域 的 功 能 和 染 色 體 重 組 有 關 PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA TTTTTTTTTTTAAAAAAAAAATTTTTTTTTTTAAAAAAAAAAD.S. DNA + D.S.DNA T.S. DNA + S.S. DNA （ 2） 組 成 形 式 l第 三 條 鏈 位 于 B-DNA的 Major groove中 3、 四 股 螺 旋

17、DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ) 均 有 形 成四 股 螺 旋 DNA的 可 能 5-TTAG G G TTAG G G TTAG G G -33-AATCCCAATCCC-5 Poly (G ) 染 色 體 端 粒 高 度 重 復 的 DNA序 列形 成 條 件 串 聯(lián) 重 復 的 鳥 苷 酸 已 有 實 驗 結 果 表 明 真 核 細 胞 端 粒 中 存 在 四 鏈 結 構 可 能 的 功 能 A、 穩(wěn) 定 真 核 生 物 染 色 體 結 構 B、 保 證 DNA末 端 準 確 復 制 C、 與 DNA分 子 的 組 裝 有 關 D、 與

18、染 色 體 的 meiosis & mitosis 有 關 H oogsteen Bonding 5-TTAG G G TTAG G G TTAG G G T 3-AATCCCAATCCC G G G TA 第 四 節(jié) DNA的 物 理 、 化 學 性 質 DNA雙股鏈的互補 是其結構和功能上的一個基本特征 也是DNA研究中一些實驗技術的基礎 一、DNA分子的變性 變 性 （ denaturation 或 融 解 melting） ： DNA雙 螺 旋 區(qū) 的 氫 鍵 斷 裂 ， 使 雙 螺 旋 的 兩 條 鏈 完 全 分 開 變 成 單 鏈 ， 這 一 雙 鏈 分 離 的 過 程 叫 做 變

19、 性 1、條件：加熱, 極端pH,有機溶劑（ 尿素、 酰胺 )，低鹽濃度等 2、 變 性 過 程 的 表 現(xiàn) 是 一 個 爆 發(fā) 式 的 協(xié) 同 過 程 ， 變 性 作 用 發(fā) 生 在 一 個 很 窄 的 溫 度 范 圍 導 致 一 些 理 化 性 質 發(fā) 生 劇 烈 變 化 表 現(xiàn) 為 ： 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 應 指 在 DNA變 性 的 過 程 中 ， 他 在 260nm的 吸 收 值 先 是 緩 慢 上 升 ， 達 到 某 一 溫 度 時 及 驟 然 上 升 天 然 D

20、NA和 變 性 DNA的 吸 收 值 相 差 可 達 34D.S DNA A 260 = 1.0S.S DNA A260 = 1.37dNTPs A260 = 1.60 當 濃 度 為 50g/ml時 ： 1.1851.01.37OD Tm = OD增 加 值 的 中 點 溫 度 (一 般 為 85-95 ) 或 DNA雙 螺 旋 結 構 失 去 一 半 時 的 溫 度3、 熔 解 曲 線 與 融 解 溫 度 (Tm值 ) 緩 慢 而 均 勻 地 增 加 DNA 溶 液 的 溫 度 （ 現(xiàn) 可 做 到 0.1 分 ） 可 根 據(jù) 各 點 的 A260值 繪 制 成 DNA 的 熔 解 曲 線

21、這 也 是 一 般 PCR實 驗 技 術 中 把 變 性 溫 度 定 為 94 的 原 因 1、 影 響 Tm值 的 因 素 （ 1） 在 A, T, C, G 隨 機 分 布 的 情 況 下 ， 決 定 于 G C含 量 （ 2） G C%含 量 相 同 的 情 況 下G C%愈 高 Tm值 愈 大 G C%愈 低 Tm 值 愈 小 AT形 成 變 性 核 心 ， 變 性 加 快 ， Tm 值 小 堿 基 排 列 對 Tm值 具 有 明 顯 影 響 5 G C 3 CG n 5 CG 3G C n5 TA 3 AT n 5 AT 3 TA n 36.7 57.02 Tm136.12 72.5

22、5 嘌 呤 嘧 啶 的 排 列 順 序 對 雙 螺 旋 結 構 （ 穩(wěn) 定 性 ） 的 影 響 即 氫 鍵 數(shù) 目 相 同 ， 但 相 鄰 堿 基 的 堆 積 力 不 同 從 嘌 呤 到 嘧 啶 方 向 的 堿 基 堆 積 力 作 用 顯 著 地 大 于同 樣 組 成 的 嘧 啶 到 嘌 呤 方 向 的 堿 基 堆 積 作 用Pyrimidine-Purine Steps Have Little Base Stacking53 35C GA T 5 CA 3 3 G T 5 Purine-Pyrimidine Steps Have Extensive Base Stacking53 3CA T

23、G 5 5 AC 3 3 TG 5 生 物 體 內 僅 UAA為 最 有 效 的 終 止 密 碼 子 因 為 ： UAA AUU 的 Tm值 是 最 低 的 一 個 ， 即 使 生 理 溫 度 下 也 不 穩(wěn) 定 （ 3） 大 片 段 D.S DNA分 子 之 間 比 較片 段 長 短 對 Tm值 的 影 響 較 小 , 與 組 成 和 排 列 相 關（ 4） 小 于 100bp 的 D.S DNA分 子 比 較片 段 愈 短 ， 變 性 愈 快 ， Tm值 愈 ?。?5） 變 性 液 中 含 有 尿 素 ， 甲 酰 胺 等尿 素 ， 甲 酰 胺 與 堿 基 間 形 成 氫 鍵 改 變 堿 基

24、 對 間 的 氫 鍵 Tm 值 可 降 至 40 左 右 （ 6） 鹽 濃 度 的 影 響 每 升 0.18mol Na +是 常 用 的 標 準 條 件 思 考 題 ： 室 溫 下 蒸 餾 水 中 的 DNA會 如 何 ？ pH 12 酮 基 烯 醇 基pH 2-3 NH 2 NH 2+ (質 子 化 ) 改 變 氫 鍵 的 形 成 與 結 合 力（ 7） 極 端 pH 條 件 的 影 響一 切 減 弱 氫 鍵 ， 堿 基 堆 積 力 的 因 素 均 將 使 Tm 值 降 低 2、 常 用 的 變 性 方 法 熱 變 性 堿 變 性應 用 廣 泛 ， 特 別 是 用 于 變 性 動 力 學

25、研 究 缺 點 ： 高 溫 引 起 磷 酸 二 酯 鍵 的 斷 裂 ， 得 到 長 短 不 一 的 單 鏈pH 11.3時 ， 全 部 氫 鍵 被 淘 汰無 熱 變 性 的 缺 點 ， 為 制 備 單 鏈 DNA的 首 選 方 法 保 存 單 鏈 DNA的 條 件 保 持 pH大 于 11.3 鹽 濃 度 低 于 0.01mol/L D.S DNA S.S DNADenaturation Renaturation 復 性 過 程 依 賴 于 單 鏈 分 子 間 的 隨 機 碰 撞 ( Depends on the collision of complementary S. S. DNA ) 二

26、、DNA分子的復性 （anneal or renaturation） 概 念 ： 變 性 DNA在 適 當 條 件 下 ， 兩 條 彼 此 分 開 的 鏈 又 可 以 重 新 地 合 成 雙 螺 旋 結 構 的 過 程 （ 退 火 ） 1、 影 響 DNA復 性 過 程 的 因 素 ： 陽 離 子 濃 度 0.18 0.2M Na+ 可 消 除 polydNTP 間 的 靜 電 斥 力 復 性 反 應 的 溫 度 低 于 Tm值 25 左 右 (60-65 ) S.S, DNA 的 初 始 濃 度 C0 DNA 分 子 中 , 堿 基 的 排 列 狀 況 (隨 機 排 列 , 重 復 排 列

27、) S.S. DNA分 子 的 長 度 （ 片 段 的 大 小 ）S.S. DNA愈 長S.S. DNA愈 短 分 子 擴 散 愈 慢 復 性 愈 慢 分 子 擴 散 愈 快 復 性 愈 快 3-ATCTATG CTG TCAT-55-TAG ATACG ACAG TA-3 5-TAG ATACG ACAG TA-33-ATCTATG CTG TCAT-53-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-3 3-ATATATATATAT-55-TATATATATATA-35-TATATATATATA-33-ATATATATATAT-53-ATATATATATAT-55-TATATA

28、TATATA-3 二 、 C0t曲 線 復 性 發(fā) 生 過 程 的 討 論dCt / dt = KC02 反 應 初 始 t = 0 單 鏈 DNA的 隨 機 碰 撞 過 程 （ randomly collision ）單 鏈 DNA濃 度 = C0反 應 達 t 時單 鏈 DNA濃 度 = C tK 復 性 速 度 常 數(shù)包 括 兩 個 因 素 ： DNA的 濃 度 （ C， mol/L） 和 時 間 (s) dCt / dt = KC02 積 分 Ct / C0 = 1 / (1+KC0t )當 Ct / C0 = 1/2 時Ct / C0 = 1/2 = 1 / (1+ KC0t(1/2

29、)K = 1 / C ot(1/2)Cot(1/2) = 1/K (mol. Sec / L) 常 數(shù) Ct/C0是 C0t的 函 數(shù)按 此 公 式 作 圖 得 C0t曲 線 Ct/C0 01 C0t(1/2) C0t 基 因 組 的 復 雜 性 單 一 序 列 的 長 度 重 復 序 列 的 長 度復 雜 性 的 單 位 為 核 苷 酸 的 數(shù) 目例 如 ： 含 單 一 序 列 a, b, c, d 復 雜 性 a+b+c+d復 雜 性 分 子 量含 106a, 103b, 10c, d 復 雜 性 a+b+c+d復 雜 性 分 子 量基 因 組 的 復 雜 性 (genomic compl

30、exity) 復 雜 性 * C 0t和 DNA的 復 雜 性 間 存 在 線 性 關 系 ：the more complex a DNA, the higher its Cot(1/2) 1 :10 62 105 :0.42 109 :4000 A typical mammalian C0t curve has three plateaus* C0t曲 線 能 解 釋 單 一 來 源 的 DNA所 具 有 的 不 同 復 雜 性 部 分真 核 生 物 的 基 因 組 由 高 度 重 復 （ highly repetitive)序 列 、 中 度 重 復 （ moderately repeti

31、tive or mid-repetitive) 序 列 單 一 （ single copy)序 列 組 成 四 、 富 含 A T序 列 和 DNA雙 螺 旋 結 構 的 呼 吸 作 用 高 等 生 物 染 色 體 的 某 一 區(qū) 段 ， A T含 量 變 化 很 大 很 多 有 重 要 調 節(jié) 功 能 的 的 DNA區(qū) 段 都 富 含 A T （ 原 核 、 真 核 復 制 起 點 、 啟 動 子 、 終 止 子 等 區(qū) 域 ） DNA雙 螺 旋 結 構 的 呼 吸 作 用 ： DNA雙 螺 旋 結 構 內 部 ， 配 對 堿 基 的 氫 鍵 的 迅 速 斷 裂 和 再 生 的 過 程 DN

32、A內 富 含 A T區(qū) 段 呼 吸 作 用 尤 為 明 顯 這 對 于 某 些 特 殊 的 蛋 白 質 與 DNA發(fā) 生 反 應 并 閱 讀 鏈內 部 的 信 息 具 有 重 要 作 用 第 五 節(jié) 超 螺 旋 和 拓 撲 異 構 一 、 超 螺 旋 （ superhelix OR supercoil） 最 早 在 SV40和 多 瘤 病 毒 中 發(fā) 現(xiàn) 超 螺 旋 是 所 有 線 性 或 環(huán) 形 DNA的 共 有 的 重 要 特 征The supercoils of the SV40 minichromosome can be relaxed to generate a circular s

33、tructure, whose loss of histones then generates supercoils in the free DNA. 1、 超 螺 旋 結 構 的 方 向 性B-DNA 緊 纏 overwinding (右 旋 ) 正 超 螺 旋 （ positive supercoiled ）導 致 左 手 超 螺 旋以 一 根 繩 子 做 實 驗 ：原 來 的 繩 子 的 兩 股 以右 旋 方 向 纏 繞 ； 在 繩子 的 一 端 向 緊 纏 方 向捻 轉 ， 再 將 繩 子 的 兩端 連 接 起 來 ， 則 產 生一 個 左 旋 的 超 螺 旋 以解 除 外 加 捻 轉

34、 的 協(xié) 變 B-DNA 松 纏 unwinding (左 旋 ) 負 超 螺 旋 （ Negative Supercoiled ）導 致 右 手 超 螺 旋在 繩 子 的 一 端 向 松 纏方 向 捻 轉 ， 再 將 繩 子的 兩 端 連 接 起 來 ， 則產 生 一 個 右 旋 的 超 螺旋 以 解 除 外 加 捻 轉 的協(xié) 變 超 螺 旋 的 形 成 總 是 要 向 著 抵 消初 級 螺 旋 改 變 的 方 向 發(fā) 展所 有 生 物 的 DNA幾 乎 有 5%為 Negative Superhelix 二 、 超 螺 旋 狀 態(tài) 的 描 述1、 可 用 數(shù) 學 公 式 描 述 Vinog

35、rad 方 程 式L = T + W ( = + ) L 連 接 數(shù) （ Linking number ） 雙 鏈 DNA的 交 叉 數(shù) ， 不 發(fā) 生 鏈 斷 裂 時 ， L為 定 值T 盤 繞 數(shù) （ Twisting number ） 雙 鏈 DNA的 纏 繞 數(shù) ， 初 級 螺 旋 圈 數(shù)W 超 盤 繞 數(shù) （ Writhing number） 直 觀 上 為 雙 螺 旋 在 空 間 的 轉 動 數(shù)W= 負 值 （ negative superhelix）W = 正 值 ( positive superhelix） 420bp* B-DNA是 力 學 上 穩(wěn) 定 的 結 構( 10 b

36、p/ helix)* 螺 旋 數(shù) 改 變 的 結 果 之 一 是 產 生 超 螺 旋 或 是 在B_DNA中 保留 一 單 鏈 區(qū) 域 ， 但 須 能 量的 功 給 DNA在 水 溶 液 中 , 構 型 偏 B型 狀 態(tài) DNA以 10.5 bp/helix為 最 穩(wěn) 定 構 型 小 于 10.5bp/helix 向 正 超 螺 旋 發(fā) 展 (緊 縮 態(tài) ) 大 于 10.5bp/helix 向 負 超 螺 旋 發(fā) 展 (松 弛 態(tài) ) 天 然 的 DNA都 是 負 超 螺 旋 但 一 些 生 命 活 動 過 程 中 存 在 正 超 螺 旋B-DNA的 變 化 情 況 ： base base3

37、.4埃 EB 7.0埃 base basebase base2、 體 外 可 產 生 正 超 螺 旋 溴 化 乙 錠 （ Ethidium bromide EB） 放 線 菌 素 Da、 EB的 插 入 只 改 變 盤 繞 數(shù) T 使 其 降 低 但 L值 不 變W L TL值 不 變T值 降 低W 正 值產 生 正 超 螺 旋 360o/helix 360o-26o/helix / 0ne of EB inserted負 Superhelix L不 變 ,T減 少 正 Superhelix EB對 超 螺 旋 結 構 的 影 響 三 、 拓 撲 異 構 酶l 拓 撲 異 構 體 ： 只 在

38、連 接 數(shù) 上 有 差 別 的 同 種 DNA分 子 稱 為 這 種 DNA的 拓 撲 異 構 體l 拓 撲 異 構 酶 （ topoisomerase ） ： 催 化 DNA由 一 種 拓 撲 異 構 體 轉 變 成 另 一 種 拓 撲 異 構 體 的 酶 類拓 撲 異 構 酶 的 類 別 和 特 性被 切 割 的 DNA鏈 1 1 2 2對 ATP的 需 求 否 否 是 是 依 賴 于 DNA的 ATP酶 否 否 是 是產 生 負 超 螺 旋 否 否 是 否松 弛 負 超 螺 旋 是 是 否 是松 弛 正 超 螺 旋 否 是 是 是性 質 型 型原 核 生 物 原 核 生 物真 核 生 物

39、 真 核 生 物 改變超螺旋的方式結合到一條鏈上形成復合物切斷一條鏈形成酶和DNA的復合體共 價 連 接 Tyrosine-5P一條鏈穿越重新連接L=2 L=3 1、 拓 撲 異 構 酶 (topoisomerase I) 結 果 ： 連 接 數(shù) 增 加 一 個增 加 一 個 負 超 2、 拓 撲 異 構 酶 Top II 旋 轉 酶 (gyrase) Top 亞 類 之 一 引 入 負 超 螺 旋作 用 于 雙 鏈涉 及 雙 鏈 的 斷 裂 和 連 接 每 次 使DNA的 連 接數(shù) 改 變 2 3、 拓 撲 異 構 酶 的 生 物 學 功 能 b、 防 止 細 胞 DNA的 過 度 超 螺 旋 多 種 拓 撲 異 構 酶 的 作 用 嚴 格 控 制 體 內 負 超 螺 旋 維 持 在 5%水 平 所 以 一 種 拓 撲 異 構 酶 的 單 向 突 變 對 細 胞 來 說 是 致 命 的 因 而 一 般 兩 種 拓 撲 異 構 酶 的 突 變 水 平 相 當a、 恢 復 由 一 些 細 胞 過 程 產 生 的 超 螺 旋 如 ： 復 制 叉 前 面 正 超 的 消 除 轉 錄 酶 前 正 超 的 消 除 ， 后 面 負 超 的 產 生