2019/2/27,1,第3节 DNA的空间结构,1 DNA的双螺旋结构的研究背景 2 DNA的双螺旋结构(double-helical structure) 2.1 DNA双螺旋结构的特点 2.2 DNA双螺旋结构稳定的因素 2.3 DNA双螺旋结构的多态性(类型) 2.4三股螺旋 3 DNA的三级结构(tertiary structure),2019/2/27,2,1953.4.25, , “ 核酸的分子结构脱氧核糖核酸的结构”； Watson 、 Crick 、Wilkins共获“诺贝尔生理学或医学奖”（1962） 2003年，美国国会将4月定为“人类基因组月” 4月25日为全国“DNA日” 2003年10月，Watson 访问杭州，担任 “沃森基因组研究院”名誉院长。,2019/2/27,3,Watson(1928.4.6 ) and Crick(19162004.7.28),2019/2/27,4,Who would have thought , 40 years ago, that the three-dimensional structure of DNA would be both so elegant and so suggestive. It is sobering to realize that it has existed for billions of years and yet it was only 40 years ago that it was first revealed to us. I wish Chinese biochemists every success in their experiments using this beautiful molecules.,2019/2/27,5,1 DNA的双螺旋结构的研究背景（证据）,1.1 DNA的碱基组成规律Chargaff规则 1.2 DNA晶体X-射线衍射图谱 Wilkins 和Franklin 1.3 已知核酸化学结构和电位滴定证明：嘌呤与嘧啶的可解离基团由氢键连接。 1.4 蛋白质-螺旋模型（右手）的启发 Pauling,2019/2/27,6,1.1 Chargaff规则的内容 具有物种的特异性 没有组织器官的特异性 不受生长发育、营养状况及环境条件的影响； A=T、G=C，A+G=C+T,2019/2/27,7,1.2 X-射线衍射原理图,2019/2/27,8,DNA晶体X-射线衍射图谱,DNA纤维和晶体的x-衍射分析图,2019/2/27,10,2.1 DNA双螺旋结构的特点,两条链反向平行，右手螺旋； DNA分子骨架（磷酸与脱氧核糖）在外侧，碱基在内侧，碱基平面与纵轴垂直，大沟（major groove）和小沟（minor groove） 直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm,两相邻核苷酸间夹角为36o，螺距（10bp）为3.4nm。 A与T配对，形成2个氢键，G与C配对，形成 3个氢键，即碱基互补配对原则,2019/2/27,11,DNA双链与双螺旋结构,2019/2/27,12,2019/2/27,13,碱基堆积距离,2019/2/27,14,相邻核苷酸之间的夹角,2019/2/27,15,A与T、G与C间的氢键,2019/2/27,16,2.2 DNA双螺旋结构稳定的因素,(1）碱基对之间的氢键； (2）碱基堆积力（ base-stacking force ） 由芳香族碱基电子间的相互作用引起的，能形成疏水核心，是稳定DNA最重要的因素； (3）离子键（ion bond）： Na+、K+、Mg2+等阳离子 (4）范德华力,2019/2/27,17,2.3 DNA双螺旋结构的多态性(类型),B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson 和Crick提出的模型相似。 A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生BA。其碱基平面倾斜20，螺距与每一转碱基对数目都有变化。 Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕，直径约1.8nm，螺距4.5nm，每一转含12个bp，只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。,2019/2/27,18,C-DNA：4446%相对湿度，螺距3.09nm，每转螺旋9.33个碱基对，碱基对倾斜6。可能是特定条件下B-DNA和A-DNA的转化中间物。 D-DNA：60%相对湿度，DNA中A、T序列交替的区域。每个螺旋含8个bp，螺距2.43nm，碱基平面倾斜16。,2019/2/27,19,A-DNA，B-DNA和Z-DNA,2019/2/27,20,2019/2/27,21,H-DNA: 三条链局部螺旋,2.4三股螺旋 在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合，并与嘌呤碱形成Hoogsteen配对，第三股与寡嘌呤核苷酸之间为同向平行。 三股螺旋中的第三股可以来自分子间也可以来自分子内。,一般认为，三股中碱基配对方式必须符合Hoogsteen模型，即第三个碱基以A或T与A=T碱基对中的A配对；G或C与G=C碱基对中的G配对，C必须质子化，以提供与G的N7结合的氢键供体，并且它与鸟嘌呤配对只形成两个氢键。 H-DNA存在于基因调控区和其它重要的区域，从而显示它具有重要的生物学意义。,2019/2/27,24,3 DNA的三级结构,DNA双螺旋进一步扭曲即成三级结构。超螺旋是DNA三级结构的一种形式。 天然DNA有双链DNA（dsDNA）， 有的病毒为单链DNA（ssDNA） 在dsDNA中： 环状分子（dcDNA）：质粒、 线粒体、叶绿体、病毒、细菌 开环DNA（ocDNA)：双链环状DNA的一条链断裂，分子呈松弛状态。线形分子（大多数）环状DNA的双链断开,2019/2/27,25,2019/2/27,26,原核生物： 超螺旋的结构,2019/2/27,27,3.2真核生物中的核小体结构,在生物体内核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的存在。 在真核细胞染色质中，DNA双螺旋分子盘绕在组蛋白上形成核小体。 许多核小体由DNA连成念珠状结构，再盘绕压缩成高层次的结构 染色体。 DNA分子量巨大，将它组装到有限的空间中需要高度组织，这种组装可以用压缩比表示。 压缩比：DNA分子长度与组装后特定结构长度之比。,Kornberg核小体模型 染色质的基本结构单位是核小体，Kornberg根据电镜观察核X衍射等资料提出模型： （1）核小体由组蛋白核心和盘绕其上的DNA链构成；核心为八聚体，由组蛋白H2A、H2B、H3、和H4各2分子组成；DNA链以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp；核小体之间的连接DNA长度平均200bp，组蛋白H1结合于连接DNA上。 （2）核小体由连接DNA相连，可进一步盘绕成30nm的染色质纤丝，每圈6个核小体，由组蛋白H1维系稳定性。,2019/2/27,30,3.2： 在真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体。核小体结构属于DNA的三级结构。,2019/2/27,31,染色体包装的结构模型,多级螺旋模型 压缩倍数 7 6 40 5 （8400） DNA 核小体 染色质纤丝 超螺线管 染色单体 2nm 10nm 30(10)nm 700nm 210m 一级包装 二级包装 三级包装 四级包装,2019/2/27,33,超螺旋结构的生物学意义,DNA被压缩和包装，使其体积大大减小, 密度大；凝胶电泳中移动速度较线形和开环DNA快。 增加了DNA的稳定性 可能与复制和转录的调控有关,