第二章核酸的結(jié)構(gòu)與功能在我們居住的地球，有大約1000萬(wàn)種生物。有的生物只是一個(gè)單細(xì)胞，如大腸桿菌和酵母菌；有的則有復(fù)雜的組織和器官，象人體就有1014體細(xì)胞。如果就生物大分子而言，人體大約有50000種以上的蛋白質(zhì)，同時(shí)含有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的核酸及其它大分子種類。地球上的全部生物，估計(jì)包括1011種蛋白和差不多相同數(shù)量的核酸。

即使極為簡(jiǎn)單的大腸桿菌（其體積約為2×10-12cm3)，也含有3000多種蛋白質(zhì)，1000多種核酸，還有1000多種其他生物大分子和低分子的有機(jī)化合物。在這樣種類復(fù)雜，形態(tài)萬(wàn)千的生物體系中，人們必須尋求生命狀態(tài)的基本邏輯原理，這就是：（一）生物大分子雖然具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但在組成方面卻存在一種基本的簡(jiǎn)單性，例如：

1.DNA由4種脫氧核糖核苷酸（4dNTP)聚合而成；

2.RNA由4種核糖核苷酸（4NTP)聚合而成；

3.蛋白質(zhì)由20余種氨基酸聚合而成；

4.多糖由少數(shù)幾種單糖聚合而成。（二）所有的生物都使用相同種類的的構(gòu)件分子，似乎它們是從一個(gè)共同的祖先進(jìn)化而來(lái)。（三）每種生物的特性是通過(guò)它具有的一套與眾不同的核酸和蛋白質(zhì)而保持的。（四）每種生物大分子在細(xì)胞中有特定的功能。

以上這些正是生物化學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)所要研究的基本問(wèn)題所遵循的邏輯。生物大分子（biopolymer、biomacromolecule)是指生物體內(nèi)由分子量較低的基本結(jié)構(gòu)單位首尾相連形成的多聚化合物。包括核酸、蛋白質(zhì)和多糖。基本結(jié)構(gòu)單位的排列順序構(gòu)成生物大分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)，生物大分子在其一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。自然界典型的生物大分子的分子量在10～103ＫＤ之間?；蚪M研究、基因表達(dá)調(diào)控研究、結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)研究和信號(hào)傳導(dǎo)研究是當(dāng)今分子生物學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。

生物功能由結(jié)構(gòu)所決定。生物大分子在表現(xiàn)其生理功能過(guò)程中，必須具備特定的空間立體結(jié)構(gòu)（即三維結(jié)構(gòu)）。現(xiàn)已知道，在DNA、基因或RNA水平，存在各種體現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域本身特點(diǎn)和形態(tài)及它們所處的空間大分子的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)都直接影響DNA，基因或RNA的功能發(fā)揮。

在蛋白質(zhì)水平由于它們是直接體現(xiàn)生理功能的物質(zhì)，其空間結(jié)構(gòu)對(duì)其功能影響更為直接。因此，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系研究是結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)研究的主體。研究生物大分子結(jié)構(gòu)的新技術(shù)、新方法和新儀器不斷改進(jìn)和涌現(xiàn)，如：

DNA重組技術(shù)酶逐步降解技術(shù)基因自動(dòng)合成和測(cè)序技術(shù)

X線晶體學(xué)分析技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)以及不同技術(shù)組合，使獲得：清晰度的結(jié)構(gòu)圖象，了解生物過(guò)程中蛋白質(zhì)構(gòu)象的動(dòng)態(tài)變化，以及對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行貯存，比較和結(jié)構(gòu)——功能預(yù)測(cè)成為可能。內(nèi)容細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)核酸的化學(xué)組成與共價(jià)結(jié)構(gòu)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)DNA分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)真核生物的染色體及其組裝RNA的結(jié)構(gòu)與功能核酸的變性、復(fù)性與分子雜交2.1細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)DNA是主要的遺傳物質(zhì)RNA也是遺傳物質(zhì)這部分內(nèi)容遺傳學(xué)課剛學(xué)過(guò)1.DNA

是遺傳物質(zhì)間接證據(jù)

1）DNA通常只在核中的染色體上找到。

2）同一種生物的DNA含量基本上是相同的，而配子的含量正好是體細(xì)胞的一半。3）同一種生物的各種細(xì)胞中，DNA在量上恒定，在質(zhì)上也恒定。4）各類生物中，能改變DNA結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì)都可引起突變。

2.DNA

是遺傳物質(zhì)的直接證據(jù)

（1）肺炎球菌的轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)化：一種生物由于接受了另一種生物的遺傳物質(zhì)（DNA或RNA）而發(fā)生遺傳性狀改變的現(xiàn)象。

肺炎雙球菌能感染人及各種動(dòng)物,引起小家鼠敗血癥而死亡。有兩種類型:①外有莢膜(多糖)(S型):能分泌毒素,使動(dòng)物得病;在培養(yǎng)基上長(zhǎng)出光滑的菌落。

②外無(wú)莢膜(R型):不分泌毒素,感染后動(dòng)物不得病;菌落也較粗糙。實(shí)驗(yàn)過(guò)程首先將光滑型致病菌（S型）燒煮殺滅活性以后再侵染小鼠，發(fā)現(xiàn)這些死細(xì)菌自然喪失致病能力。再用活的粗糙型細(xì)菌來(lái)侵染小鼠，也不能使之發(fā)病，因?yàn)榇植谛图?xì)菌天然無(wú)致病力。然而當(dāng)他們將經(jīng)燒煮殺死的S型細(xì)菌和活的R型細(xì)菌在混合感染小鼠時(shí)，實(shí)驗(yàn)小鼠每次都死去。解剖死亡的小鼠發(fā)現(xiàn)大量的活的S型細(xì)菌。Outlineoftheexperimentbydiscoveryofbacterialtransformation1944年，Avery在離體條件下完成轉(zhuǎn)化。細(xì)菌的遺傳物質(zhì)是DNAGriffith(1928)發(fā)現(xiàn)肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化，Avery(1944)證實(shí)轉(zhuǎn)化因子是DNA而不是蛋白質(zhì)，證實(shí)了遺傳物質(zhì)是DNA，并由Hotchkiss進(jìn)一步證實(shí)。轉(zhuǎn)化的機(jī)理:

細(xì)菌中DNA都是裸露的,被轉(zhuǎn)化的R菌為受體細(xì)菌,它被轉(zhuǎn)化。轉(zhuǎn)化的條件:①R必須處于分裂旺盛期(細(xì)胞內(nèi)可產(chǎn)生一種承接蛋白質(zhì)分子,故又名承接態(tài)細(xì)胞)。

②S品系的DNA對(duì)受體細(xì)胞來(lái)說(shuō)是外源性DNA,必須有一定大小,外源性DNA與受體DNA須有一定同源性。

轉(zhuǎn)化證明:

性狀本身不遺傳,而遺傳物質(zhì)才是遺傳的;

DNA是遺傳物質(zhì),在不含DNA只含RNA的病毒中,RNA是遺傳物質(zhì)。

（2）噬菌體的感染

Hershey和他的學(xué)生Chase的噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)噬菌體用尾部的末端吸附細(xì)菌表面噬菌體通過(guò)尾軸把DNA全部注入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)，噬菌體的蛋白外客則留在細(xì)胞外面。噬菌體的DNA一旦進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，它就能利用細(xì)菌的生命過(guò)程合成噬菌體自身的DNA和蛋白質(zhì)新合成的DNA和蛋白質(zhì)外殼，能組裝成許多與親代完全相同的子代噬菌體；子代噬菌體由于細(xì)菌的解體而被釋放出來(lái)，再去侵染其他細(xì)菌。在整個(gè)過(guò)程中，DNA起了關(guān)鍵的作用。

35S：標(biāo)記蛋白質(zhì)

32P：標(biāo)記DNAHershey和Chase證實(shí)噬菌體DNA侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)流程1952年，Hershey和Chase

噬菌體感染實(shí)驗(yàn)35S：標(biāo)記蛋白質(zhì)

32P：標(biāo)記DNA

Hershey-Chase的噬菌體實(shí)驗(yàn)RNA也是遺傳物質(zhì)1956年A.Gierer和G.Schraman發(fā)現(xiàn)

煙草花葉病毒（tobaccomosaicvirus,TMV），其遺傳物質(zhì)是RNA。1957年美國(guó)的HeinzFraenkel-Conrat和B.Singre用重建實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)論。2.2核酸的化學(xué)組成與共價(jià)結(jié)構(gòu)核酸的化學(xué)組成核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)與功能

核酸（nucleicacid)是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子。天然存在的核酸有兩類，一類為脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA)，另一類為核糖核酸（ribonuleicacidRNA)。

DNA存在細(xì)胞核和線粒體內(nèi)，攜帶和傳遞遺傳信息，決定細(xì)胞和個(gè)體的基因型（genotype)。

RNA存在于細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)，參入細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達(dá)。

病毒中，RNA也可作為遺傳信息的載體。核酸的化學(xué)組成堿基核苷核苷酸堿基

嘧啶堿基的母核是一個(gè)含兩個(gè)氮原子的六元環(huán)，即嘧啶環(huán)。因側(cè)鏈取代基團(tuán)不同而有不同的名稱。出現(xiàn)在核酸大分子中共有三種嘧啶：胸腺嘧啶（T）、尿嘧啶（U）和胞嘧啶（C）。嘌呤堿基的母核由一個(gè)嘧啶環(huán)和一個(gè)五元環(huán)并在一起，也因側(cè)鏈取代基團(tuán)的不同而有腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G）兩種。核苷嘌呤或嘧啶堿基和核糖或脫氧核糖的第一碳原子相連，連接的鍵是β糖苷鍵，連接形成的化合物統(tǒng)稱為核苷。糖苷連接在嘧啶環(huán)的第一位氮上，或連接在嘌呤環(huán)的第9位氮上。核苷酸核苷酸中的第5碳上通過(guò)磷酸酯鍵聯(lián)結(jié)一個(gè)磷酸，形成了核苷酸。有特殊功能的核苷酸

ATP、ADP、GTP、GDP、UTP、UDP、CTP、CDP等cAMP:ATP在酶的催化下，切去兩個(gè)磷酸，剩下的一個(gè)磷酸又可以進(jìn)一步和糖的第3位的羥基形成一個(gè)新的磷酸酯鍵，這樣生成的化合物中，磷酸和同一個(gè)糖環(huán)的5和3位形成磷酸二酯鍵，出現(xiàn)一個(gè)環(huán)狀，稱為環(huán)腺苷酸（cAMP）。堿基(base)、核苷(nucleoside)、核苷酸(nucleotide)關(guān)系

NitrogenousbasePentosesugarHOCH2HOHDeoxyribose(inDNA)HOCH2HOOHRibose(inRNA)PhosphatePyrimidineCytosineThymineUracilCUTPurineAdenineGuanineAG核苷酸磷酸核苷戊糖堿基基本堿基結(jié)構(gòu)和命名嘌呤（purine)嘧啶(pyrimidine)Adenine

(A)Guanine

(G)Cytosine(C)Uracil(U)Thymine(T)腺嘌呤核苷酸（AMP）

Adenosine

monophosphate脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）Deoxyadenosine

monophosphate鳥嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）HOH常見(jiàn)（脫氧）核苷酸的結(jié)構(gòu)和命名5′-磷酸核苷酸的基本結(jié)構(gòu)OO（N=A、G、C、U、T）HH(O)H1′2′NOHCH2HH5′4′3′PO-OOO-核糖(pentosesugar)磷酸(phosphate)堿基(nitrogenousbase)PPPPPPPP鳥嘌呤核苷酸（GMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）脫氧腺嘌呤核苷酸（dAMP）脫氧鳥嘌呤核苷酸（dGMP）脫氧胞嘧啶核苷酸（dCMP）脫氧胸腺嘧啶核苷酸（dTMP）幾種稀有核苷假尿苷（

）二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm2GHHHH62`-O-甲基腺苷N6，N6-二甲基腺苷

核苷酸的生物學(xué)功能

作為核酸的單體

細(xì)胞中的攜能物質(zhì)（如ATP、GTP、CTP、GTP）

酶的輔助因子的結(jié)構(gòu)成分（如NAD）(nicotinamideadeninedinucleotide,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)

細(xì)胞通訊的媒介（如cAMP、cGMP）

5′-NMP5′-NDP5′-NTPN=A、G、C、U

5′-dNMP5′-dNDP5′-dNTPN=A、G、C、T腺苷酸及其多磷酸化合物

AMPAdenosine

monophosphate

ADPAdenosine

diphosphate

ATPAdenosine

triphosphate來(lái)源腺嘌呤（A）胸腺嘧啶（T）A/T鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）G/C人類精液胸腺肝癌酵母鳥結(jié)核桿菌

0.290.280.270.300.12

0.310.280.270.290.110.941.001.001.031.09

0.180.190.180.180.28

0.180.160.150.150.26

1.001.191.201.201.08不同來(lái)源DNA分子中四種堿基的含量比較

核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能

DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)中貯存的生物遺傳信息

DNA是雙螺旋的生物大分子。生物信息絕大部分都貯存在DNA分子中。這些信息以核苷酸不同的排列順序編碼在DNA分子上，核苷酸排列順序變了，它的生物學(xué)含義也就不同了。

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是指核苷酸在DNA分子中的排列順序。因此測(cè)定DNA的堿基排列順序是分子生物學(xué)的基本課題之一。多核苷酸鏈具有方向性，左側(cè)末端的核苷酸，其糖基第五位碳不參與磷酸二酯鍵，稱為5’末端，鏈的另一端，在右側(cè)其糖基第三位碳不參與磷酸二酯鍵，被稱為3’末端。核苷酸之間通過(guò)磷酸二酯鍵連成多核苷酸鏈。核苷酸由糖基、磷酸和嘌呤嘧啶堿基組成，通過(guò)磷酸二酯鍵是核苷酸與核苷酸相連。5533核酸分子中核苷酸之間的共價(jià)鍵3

-5

磷酸二酯鍵DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA分子中各脫氧核苷酸之間的連接方式（3′-5′磷酸二酯鍵）和排列順序叫做DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)稱為堿基序列。一級(jí)結(jié)構(gòu)的走向規(guī)定為5′→3′。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列順序，因此攜帶有不同的遺傳信息。

一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示法結(jié)構(gòu)式，線條式，字母式5′3′DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示法5′3′結(jié)構(gòu)式5′3′

p

p

p

pOH3′ACTG1′線條式5′

ACTGCATAGCTCGA3′字母式DNA序列測(cè)定即核酸DNA分子一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定，是現(xiàn)代分子生物學(xué)一項(xiàng)重要技術(shù)。序列分析的目的有二：1）確證性測(cè)序通過(guò)測(cè)序?qū)ν蛔冞M(jìn)行定位和鑒定，應(yīng)用時(shí)測(cè)定野生型基因上同源區(qū)和突變體的相應(yīng)序列，直接在一張膠片上比較二者序列差異（已知基因序列）。2）從頭測(cè)序目的是提供一段DNA準(zhǔn)確的核苷酸序列（未知基因序列）。DNA的甲基化

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)中，有一些堿基可以通過(guò)加上一個(gè)甲基而被修飾，稱為DNA的甲基化(mythylationofDNA)。1）原核生物（細(xì)菌）有限制一修飾系統(tǒng)①對(duì)自身DNA產(chǎn)生保護(hù)作用。②抵御外源DNA（噬菌體）的入侵。2）真核生物中的DNA甲基化在基因表達(dá)調(diào)控中有重要作用

RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)

核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）：主要參與遺傳信息的傳遞和表達(dá)過(guò)程，細(xì)胞內(nèi)的RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，少量存在于細(xì)胞核中，病毒中RNA本身就是遺傳信息的儲(chǔ)存者如逆轉(zhuǎn)錄病毒（retrovirus)。另外在植物中還發(fā)現(xiàn)了一類比病毒還小得多的侵染性致病因子稱為類病毒（viroid)和擬病毒（virusoidorsatelliteRNA)，還發(fā)現(xiàn)有些RNA具生物催化作用（ribozyme）。OHOHOH5′3′RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)5′3′DNA、RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)RNA的功能參與蛋白的合成：mRNA、rRNA、tRNA還有：生物的催化功能，作用于RNA轉(zhuǎn)錄后的剪接加工參與基因的表達(dá)調(diào)控與生物的進(jìn)化有很大的關(guān)系2.3DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)20世紀(jì)50年代初期，Watson和Crick共同提出DNA分子結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型。其根據(jù):Wilkins和FranklinX射線衍射法DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則

Chargaff首先注意到DNA堿基組成的某些規(guī)律性，在1950年總結(jié)出DNA堿基組成的規(guī)律：

腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即A=T。

鳥嘌呤和胞腺嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C。

含氨基的堿基總數(shù)等于含酮基堿基總數(shù)，即

A+C=G+T。

嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。DNA分子密度表明，螺旋由兩條多聚核苷酸組成雙螺旋的基本特征

1）主鏈脫氧核糖和磷酸基相互隔連接構(gòu)成DNA的主鏈。從化學(xué)鍵的方向來(lái)看，雙螺旋中兩條多核苷酸鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?。二條主鏈處于螺旋的外側(cè)，堿基處于螺旋的內(nèi)部，由于糖和磷酸根的化學(xué)性質(zhì)，主鏈?zhǔn)怯H水的。兩條鏈形成右手螺旋，有共同的螺旋軸，螺旋的直徑是20A。

2）堿基對(duì)

由于幾何形狀的限制，只能由嘧啶和嘌呤配對(duì)才能使堿基對(duì)合適地安置在雙螺旋內(nèi)。若兩個(gè)嘧啶配對(duì)則幾何形狀太小，兩個(gè)嘌呤配對(duì)則幾何形狀又太大，為雙螺旋所容納不下。只有A-T堿基和G-C堿基對(duì)的幾何形狀正適合雙螺旋的大小。

這兩種堿基對(duì)（A/T,G/C）有一個(gè)重要的特征，就是它們具有二次旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，即一對(duì)堿基對(duì)旋轉(zhuǎn)180O,并不影響雙螺旋的對(duì)稱性，

因此雙螺旋結(jié)構(gòu)只限定了配對(duì)的方式，并不限定堿基的順序。堿基環(huán)是一個(gè)共軛環(huán)，本身構(gòu)成一個(gè)平面分子。在雙螺旋中這個(gè)平面垂直于螺旋軸，相鄰的兩個(gè)堿基上下間隔3.4A,每十對(duì)堿基組成一節(jié)螺旋，因此雙螺旋的螺距是34A。一條鏈中每個(gè)相鄰的堿基方向相差36Ｏ.堿基之間的疏水作用可導(dǎo)致堿基堆集，這個(gè)引力同堿基對(duì)之間氫鍵一起穩(wěn)定了雙螺旋結(jié)構(gòu)?！ぁ?）大溝和小溝

沿螺旋軸方向觀察，配對(duì)的堿基并不充滿雙螺旋的空間。由于堿基對(duì)的方向性，使得堿基對(duì)占據(jù)的空間是不對(duì)稱的，因此在雙螺旋的表面形成二個(gè)凹下去的槽，一個(gè)槽大些，一個(gè)槽小些分別稱為大溝和小溝。雙螺旋表面的溝對(duì)DNA和蛋白質(zhì)的相互識(shí)別是很重要的，因?yàn)樵跍蟽?nèi)才能覺(jué)察到堿基的順序，而在雙螺旋的表面，是脫氧核糖和磷酸重復(fù)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有信息可言。（蛋白質(zhì)核酸，核酸核酸、鋅指結(jié)構(gòu)）其要點(diǎn)如下：1.螺旋包括兩條多核苷酸鏈。2.磷酸-核糖骨架在外側(cè)，含氮堿基層狀排列在雙螺旋內(nèi)部。3.兩條多核苷酸鏈的堿基通過(guò)氫鍵互作。4.雙螺旋每一圈有10對(duì)堿基，長(zhǎng)度為34A，螺旋的直徑20A。5.雙螺旋的兩條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械摹?.雙螺旋有兩種不同的溝（大溝和小溝）。7.DNA是右手螺旋。

氫鍵

堿基堆集力

磷酸基上負(fù)電荷被胞內(nèi)組蛋白或正離子中和

堿基處于疏水環(huán)境中DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定因素

DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成5′3′5′3′5′3′5′3′磷酸核糖堿基T-A堿基對(duì)C-G堿基對(duì)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)的多樣性實(shí)際上有A型、B型（右手螺旋）和Z型（左手螺旋）。A:angstrom2.4DNA分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)單鏈核酸形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)反向重復(fù)序列三股螺旋的DNADNA的四鏈結(jié)構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性與精細(xì)結(jié)構(gòu)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)與拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)2.4.1單鏈核酸形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)單鏈DNA核酸也可以由于部分序列之間的堿基配對(duì)而形成分子內(nèi)或分子間的雙螺旋區(qū)域。

當(dāng)一條鏈上的一段序列與另一段序列互補(bǔ)且相離不遠(yuǎn)時(shí)，單鏈就會(huì)自動(dòng)折疊回來(lái)，形成了局部的雙鏈區(qū)，叫做莖（stem），莖的一端由不互補(bǔ)的序列形成一個(gè)環(huán)（loop），這種結(jié)構(gòu)叫做發(fā)針結(jié)構(gòu)（hairpin）。

回紋結(jié)構(gòu)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)

DNA鏈的修飾堿基的修飾核苷酸序列對(duì)DNA鏈的修飾

如果雙鏈DNA含有結(jié)構(gòu)，如：

5’-GCTTTT……AAAAGC-3’CGAAAA……TTTTCG這段序列無(wú)論從哪個(gè)方向閱讀，兩條鏈的序列都是相同的。也就是形成了一個(gè)序列的兩個(gè)拷貝，兩個(gè)拷貝處于相反的方向，這樣的兩個(gè)拷貝叫做反向重復(fù)序列（invertedrepeats）。2.4.2反向重復(fù)序列

兩個(gè)反向重復(fù)序列加在一起叫做回文結(jié)構(gòu)（palindrome）。回文結(jié)構(gòu)的正式名稱叫做雙重對(duì)稱區(qū)（regionofdyalsymmetry），對(duì)稱軸將兩個(gè)反向重復(fù)序列分開(kāi)。

在雙螺旋DNA中，如果回文結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)，每個(gè)單鏈都有機(jī)會(huì)形成發(fā)針，這兩個(gè)相對(duì)的發(fā)針就形成了十字形結(jié)構(gòu)（cruciform）。

2.4.3三股螺旋DNA（tsDNA）

tsDNA是在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)堿基上形成的。三條鏈均為同型嘌呤或同型嘧啶，即整段的堿基均為嘌呤或嘧啶，其中兩條鏈為正常雙螺旋，第三條鏈位于雙螺旋的大溝中。根據(jù)三鏈的組成和相對(duì)位置分為兩種基本類型：（1）Pu（代表嘌呤鏈）—Pu—Py（代表嘧啶鏈）型，在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定；（2）Py—Pu—Py型，較多見(jiàn)，在偏酸性PH中穩(wěn)定。

雙螺旋通過(guò)Watson—Crick氫鍵穩(wěn)定，而三股螺旋通過(guò)Hoogsteen氫鍵穩(wěn)定。三鏈中堿基配對(duì)符合Hoogsteen模型，第三堿基在Py—Pu—Py型中為T=A=T，C+=G三C（第三位點(diǎn)的“C”必須質(zhì)子化）配對(duì)；在Pu—Pu—Py型中存在G=G三C，A=A=T配對(duì)。DNA分子內(nèi)的三鏈結(jié)構(gòu)DNA分子間的三鏈結(jié)構(gòu)DNA三鏈間的堿基配對(duì)T-A-TC-G-C

兩種類型tsDNA有4種同分異構(gòu)體。當(dāng)DNA雙鏈中含有H—回文序列時(shí)，即某區(qū)段DNA兩條鏈分別為HPu和HPy，并且各自為回文結(jié)構(gòu)時(shí)，任一條回文結(jié)構(gòu)的5’和3’部分都可以形成分子內(nèi)三股螺旋結(jié)構(gòu)及剩余的半條回文結(jié)構(gòu)游離單鏈。真核生物基因組中存在大量可形成tsDNA的多聚嘌呤核苷酸和多聚嘧啶核苷序列。它們位于：

調(diào)控區(qū)DNA復(fù)制起點(diǎn)或終點(diǎn)染色體重組位點(diǎn)，提示它們可能與基因表達(dá)調(diào)控DNA復(fù)制及染色體的重組有關(guān)。

2.4.4DNA的四鏈結(jié)構(gòu)多聚鳥苷酸能夠采取四螺旋DNA的構(gòu)象形式，其結(jié)構(gòu)單元是鳥嘌呤四聯(lián)體。四個(gè)鳥嘌呤堿基有序地排列在一個(gè)近似的正方形的片層結(jié)構(gòu)中，相鄰堿基間以G-G氫鍵相連，形成首尾相接的環(huán)形結(jié)構(gòu)，以螺旋方式堆積而成，其中每一個(gè)片層包含4個(gè)鳥嘌呤堿基，分別來(lái)自4條多聚鳥苷酸。在線性染色體DNA的3-端常含有幾百個(gè)類似的AGGGTT等，其富含鳥嘌呤，4個(gè)G以Hoogsteen配對(duì)方式形成分子內(nèi)或分子間的四聯(lián)體螺旋結(jié)構(gòu)。通過(guò)G-四聯(lián)體的堆積，還可形成分子內(nèi)四聯(lián)體、四分子間四聯(lián)體等多種高級(jí)結(jié)構(gòu)形式。真核生物染色體的端粒中富含G序列，在一定條件下可采取以G-四聯(lián)體為基本單位的四聯(lián)體結(jié)構(gòu)。

2.4.5DNA結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性與精細(xì)結(jié)構(gòu)DNA結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性天然DNA的構(gòu)想以B型為主，但同時(shí)分子的某些區(qū)段存在A、B、C、Z型和三鏈、四鏈等多種形式，而且不同的結(jié)構(gòu)處于動(dòng)態(tài)的變化中當(dāng)存在條件不同時(shí)，各不同構(gòu)象之間還會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)變，造成相應(yīng)的功能變化，這種不同DNA結(jié)構(gòu)形式相互轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象稱為DNA結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性。在活細(xì)胞中，下面幾種因素能使DNA雙螺旋構(gòu)象發(fā)生相互轉(zhuǎn)變：B-DNA在環(huán)境水的活性降低時(shí)，轉(zhuǎn)變?yōu)锳-DNA。細(xì)胞在陽(yáng)離子較多的環(huán)境中，交替的GC區(qū)段一般處于B型，而胞嘧啶甲基化就轉(zhuǎn)向了Z型。甲基化程度越高，基因的轉(zhuǎn)錄活性就越低。某些Z型DNA結(jié)合蛋白能作為一種特異識(shí)別信號(hào)，使B-DNA轉(zhuǎn)變?yōu)閆-DNA。DNA分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)螺旋扭轉(zhuǎn)角堿基對(duì)之間移動(dòng)連續(xù)A-T序列構(gòu)象含錯(cuò)配堿基對(duì)的B-DNADNA的結(jié)合蛋白影響DNA局部構(gòu)象環(huán)狀DNA分子的超螺旋化與蛋白質(zhì)結(jié)合的超螺旋DNA

2.4.6DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)(超螺旋)

DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)指雙螺旋鏈的扭曲。超螺旋是DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的一種形式，DNA在核小體中的扭曲方式也是一種超螺旋結(jié)構(gòu)。超螺旋的生物學(xué)意義可能是：1.使DNA分子體積變小，對(duì)其在細(xì)胞的包裝過(guò)程有利。（2.2×1011公里,2.2×109公里,100倍）2.影響雙螺旋的解鏈過(guò)程,從而影響DNA分子與其它分子(如酶、蛋白質(zhì)、核酸)之間的相互作用。

超螺旋是DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的一種普遍形式，雙螺旋DNA的松開(kāi)導(dǎo)致負(fù)超螺旋，而擰緊則導(dǎo)致正超螺旋。螺旋和超螺旋電話線螺旋超螺旋

如果一個(gè)DNA分子沒(méi)有超螺旋，無(wú)論是封閉的還是開(kāi)放的，都叫做“松弛”（relaxed）。

當(dāng)DNA分子繞著它的軸向反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)（與右手螺旋相反的方向），就產(chǎn)生負(fù)超螺旋（negativesurpercoils）。負(fù)超螺旋為右旋，約每200bp存在一個(gè)負(fù)超螺旋。

如果DNA旋轉(zhuǎn)方向與分子本身纏繞方向相同，就在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生正超螺旋（positivesupercoils）。正超螺旋使分子纏繞更緊密，為左旋。

L=W+T連接數(shù)（linkingnumber,L）盤繞數(shù)（twistingnumber,T）超螺旋數(shù)（writhingnumber,W）

L=W+T連接數(shù)（linkingnumber,L）：

假設(shè)DNA分子放在一個(gè)平面上，閉環(huán)分子中一條多核苷酸鏈與另一條多核苷酸鏈互相交叉的次數(shù)。只要環(huán)狀分子的多核苷酸鏈保持共價(jià)連接，無(wú)論怎樣扭曲，旋轉(zhuǎn)，L值都不會(huì)改變，L值代表了分子的拓?fù)鋵W(xué)性質(zhì)，右手螺旋時(shí)為正值。在活體中，L值也會(huì)改變以進(jìn)行各種生理活動(dòng)。

盤繞數(shù)（twistingnumber,T）：雙螺旋的盤繞數(shù)，是在特定條件下，特殊構(gòu)象中，一條多核苷酸鏈繞雙螺旋軸的完整的圈數(shù)，一般的右手螺旋中，T為正值。B—DNA的T值為堿基對(duì)數(shù)除以10(10為B—DNA每圈螺旋所含的堿基對(duì)數(shù))。

超螺旋數(shù)（writhingnumber）：

雙螺旋軸在空間的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)。一個(gè)閉環(huán)的雙鏈DNA分子在主鏈不發(fā)生斷裂時(shí)，L值不會(huì)改變，但T和W可以改變，△T與△W的數(shù)值相等，方向相反?！鱈=△T+△W

DNA的超螺旋與拓?fù)洚悩?gòu)酶

SupercoideddoublehelixtopoisomeraseItopoisomeraseIIrelaxeddoublehelix

3.5真核生物的染色體及其組裝真核細(xì)胞染色體組成染色體中的組蛋白核小體的形成染色體的高級(jí)結(jié)構(gòu)真核生物基因組的包裝DNA核小體染色質(zhì)染色體

3.5.1真核細(xì)胞染色體組成由于親代能夠?qū)⒆约旱倪z傳物質(zhì)以染色體的形式傳給子代，保持了物種的穩(wěn)定性和連續(xù)性，人們普遍認(rèn)為染色體在遺傳上起著重要作用。染色體的組成包括：DNA和蛋白質(zhì),以及少量的RNA.同一物種內(nèi)每條染色體所帶DNA的量是一定的，但是不同染色體或不同物種之間變化很大，從上百萬(wàn)到幾個(gè)億個(gè)核苷酸不等（人的X染色體帶有1.28億個(gè)核苷酸對(duì)，而Y染色體只帶有0.19對(duì)億個(gè)核苷酸對(duì)）。染色質(zhì)(chromatin)：是指細(xì)胞周期間期細(xì)胞核內(nèi)由DNA、組蛋白、非組蛋白和少量RNA組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因其易被堿性染料染色而得名。染色體(chromosome)：是指在細(xì)胞分裂期出現(xiàn)的一種能被堿性染料強(qiáng)烈染色，并具有一定形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征的物體。攜帶很多基因的分離單位。只有在細(xì)胞分裂中才可見(jiàn)的形態(tài)單位。染色質(zhì)和染色體的概念染色質(zhì)的分類常染色質(zhì)(euchromatin)

（間期纖絲的包裝密度度比分裂期染色體的要小很多）異染色質(zhì)(heterochromatin)

（間期纖絲染色質(zhì)區(qū)的包裝密度十分致密，可與有絲分裂期染色體相比）

組成型異染色質(zhì)(constitutiveheterochromatin)

兼性異染色質(zhì)(facultativeheterochromatin)組成型異染色質(zhì)的普遍特征它是持久壓縮的；它常由不被轉(zhuǎn)錄的少數(shù)DNA序列的多份重復(fù)拷貝組成；與常染色質(zhì)相比，這些區(qū)域的基因密度非常低，易位進(jìn)入或靠近該區(qū)的基因通常是失活的；也許由于它的壓縮狀態(tài)造成了在S期的晚期才被復(fù)制，并且具有相對(duì)較低的遺傳重組頻率。染色體（chromosome)染色體的共同結(jié)構(gòu)著絲粒(centromere)

染色體臂(chromosomearm)

端粒(telomere))

人類基因組的23對(duì)染色體染色體作為遺傳物質(zhì)的特征分子結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定；能夠自我復(fù)制，使親、子代之間保持連續(xù)性；能指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成，從而控制整個(gè)生命過(guò)程；能產(chǎn)生遺傳的變異。染色體存在所需的特征至少有有端粒確保它的存活有一個(gè)著絲粒支持分離有一個(gè)起始點(diǎn)啟動(dòng)復(fù)制染色體的組成組蛋白非組蛋白DNA少量RNA染色體照片真核細(xì)胞都有明顯的核結(jié)構(gòu)，除了性細(xì)胞以外，真核細(xì)胞的染色體都是二倍體。而性細(xì)胞的染色體是體細(xì)胞的一半染色體位于真核細(xì)胞核的核仁內(nèi)，當(dāng)細(xì)胞分裂時(shí)每一條染色體都復(fù)制生成一條與母鏈完全一樣的子鏈，一般來(lái)說(shuō)，染色體只有在細(xì)胞有絲分裂時(shí)，才可以在光學(xué)顯微鏡下觀察到。真核與原核細(xì)胞染色體在細(xì)胞內(nèi)的存在方式不同：細(xì)菌染色體外裹著稀疏的蛋白質(zhì)，有些與DNA的折疊有關(guān)，另一些參與DNA復(fù)制、重組及轉(zhuǎn)錄過(guò)程。真核細(xì)胞的染色體中，DNA與蛋白質(zhì)完全融合在一起，其蛋白質(zhì)與相應(yīng)DNA的質(zhì)量比為2：1。這些蛋白質(zhì)包括組蛋白和非組蛋白。病毒、大腸桿菌和酵母的染色體是單個(gè)DNA分子猿猴病毒（SV40）5226bp大腸桿菌4200kb酶母有17條染色體，17個(gè)DNA分子基因組大小可以有3種不同的表示方法：分子量、堿基對(duì)數(shù)和長(zhǎng)度。來(lái)源分子量(daltons)堿基對(duì)數(shù)（bp）長(zhǎng)度病毒SV40λ噬菌體T2或T4噬菌體原核生物流感嗜血桿菌大腸桿菌沙門氏菌真核生物酵母

3.5×1063.3×1061.3×108

8×1082.8×1098×109

1.2×1010

52265×1042×105

1.2×1064.2×1061.1×107

1.8×107

1.7μm13μm50μm

300μm1.4mm3.8mm

6.0mm不同來(lái)源DNA分子的大小真核細(xì)胞染色體的組成：蛋白質(zhì)、DNA，少量RNA3.5.2染色體中的蛋白質(zhì)染色體上的蛋白質(zhì)主要包括組蛋白和非組蛋白組蛋白是染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，它與DNA組成核小體。組蛋白分為H1、H2A、H2B、H3和H4。這些組蛋白多含有大量的賴氨酸和精氨酸。其中H3和H4富含精氨酸，H1富含賴氨酸，H2A、H2B界于兩者之間。組蛋白具有以下特性進(jìn)化上的極端保守性不同種生物組蛋白的氨基酸組成是十分相似的，特別是H3和H4。無(wú)組織特異性到目前為止，僅發(fā)現(xiàn)鳥類、魚類及兩棲類紅細(xì)胞不含H1而帶有H5，精細(xì)胞染色體的組蛋白是魚精蛋白兩個(gè)例外。肽鏈上氨基酸分布不對(duì)稱性堿性氨基酸集中分布在N端的半條鏈上。組蛋白的修飾作用包括甲基化、乙?；?、磷酸化及ADP核糖基化等。富含賴氨酸的組蛋白H5非組蛋白非組蛋白占蛋白總量的60%-70%，種類有20-100種之間，常見(jiàn)的有15-20種。非組蛋白包括酶類，如RNA聚合酶、與細(xì)胞分裂有關(guān)的收縮蛋白、骨架蛋白、核孔復(fù)合蛋白以及肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白微管蛋白、原肌蛋白。(1)HMG蛋白（highmobilitygroupprotein）,這類蛋白可能與DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)有關(guān)。(2)DNA結(jié)合蛋白可能是一些與DNA復(fù)制或轉(zhuǎn)錄有關(guān)的酶或調(diào)節(jié)物質(zhì)。(3)A24非組蛋白位于核小體內(nèi)功能不詳。3.5.3核小體的形成染色質(zhì)

由DNA和組蛋白組成的纖維細(xì)絲是許多核小體連成的念珠狀結(jié)構(gòu)。核小體是組成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位.核小體是由H2A，H2B，H3和H4各兩個(gè)分子生成的八聚體和由大約200bpDNA組成。八聚體在中間，DNA盤繞在外而H1則在核小體的外面，每個(gè)核小體只有一個(gè)H1。所以核小體中組蛋白和DNA的比例是每200bpDNA有H2A，H2B，H3，H4各兩個(gè)，H1各一個(gè)。每個(gè)核小體水解后產(chǎn)生只含有146bp核心顆粒,包括組蛋白八聚體及其結(jié)合的146bpDNA,該序列繞在核心外面1.75圈，每圈80bp。核小體的概念核小體(nucleosome)：染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)亞基，由約200bp的DNA和約等量的組蛋白所組成。當(dāng)分裂間期的細(xì)胞核懸浮于低離子強(qiáng)度的溶液中時(shí)，它們膨脹破裂，釋放出染色質(zhì)纖維（電鏡圖）染色質(zhì)是一串核小體用微球菌核酸酶處理染色質(zhì)可以釋放出單個(gè)核小體核小體的結(jié)構(gòu)組成每個(gè)核小體含有約200bp的DNA，核心組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2份拷貝，1份拷貝的H1組蛋白位于核小體外側(cè)。微球菌核酸酶(micrococcalnuclease)處理染色體可得到單個(gè)核小體。TheDNAladdercorresbondstomultimersExtractedDNAandelectrophorese用蔗糖密度梯度離心分級(jí)核小體時(shí)，產(chǎn)生一系列分級(jí)峰值，分別與單體、二聚體、三聚體、四聚體等對(duì)應(yīng)。提取DNA電泳時(shí)也存在這樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系MonomersDimersTrimers

TetramersTopBottom組蛋白與DNA的結(jié)合核小體核小體盤繞及染色質(zhì)示意圖微球菌核酸酶將核小體修整成核心顆粒核小體含有200bpDNA和組蛋白核小體由等量的DNA和組蛋白（包括H1）組成每個(gè)核小體有2圈DNA核小體可能呈圓柱狀，兩圈DNA纏繞在它的表面DNA圈之間相互靠近核小體上DNA長(zhǎng)度與“典型”的200bp有些出入。對(duì)于某種特定類型的細(xì)胞來(lái)說(shuō)，其染色質(zhì)都有一個(gè)特征性的平均值(±5bp)，最常見(jiàn)的平均值為180–200bp。但在一些極端情況下，可以低至154bp（在一種真菌中）或高至260bp（在一種海膽的精子中）。在成體器官的不同組織之間、單個(gè)細(xì)胞基因組的不同部分之間，其平均值都可能不同。核小體上DNA長(zhǎng)度的謹(jǐn)慎理解

染色體的超微結(jié)構(gòu)核粒:一級(jí)結(jié)構(gòu)

H2a

核心H2b

H3H4

連接H1

DNA1/73.5.4染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)螺線體(管):

二級(jí)結(jié)構(gòu)外徑300?，內(nèi)徑

100?，每圈6個(gè)核粒，DNA長(zhǎng)度壓縮了1/6。長(zhǎng)度壓縮:1/71/61/401/5DNA長(zhǎng)度共縮短了:1/8400超螺線體:三級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)再盤曲成外徑4000?，螺距300?.DNA長(zhǎng)度壓縮了1/40。

染色單體:四級(jí)結(jié)構(gòu)超螺線體進(jìn)一步折疊成。DNA長(zhǎng)度又壓縮了1/5。

DNA雙螺線核粒螺線體超螺線體染色單體核小體的形成是染色體壓縮的第一階段，約1/7；螺旋管的每個(gè)螺旋包含6個(gè)核小體，壓縮比為6；中期的染色質(zhì)是一個(gè)細(xì)長(zhǎng)中空的圓筒，為400nm,由30nm螺旋管纏繞而成，壓縮比為40;這個(gè)超螺旋圓筒進(jìn)一步壓縮1/5便成為染色單體，總壓縮比是7x6x40x5，將近10000倍。真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)DNA

（2nm）核小體鏈（10nm，每個(gè)核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個(gè)核小體）突環(huán)（150nm，每個(gè)突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（300nm，6個(gè)突環(huán)）螺旋圈（700nm，每圈30個(gè)玫瑰花結(jié)）染色體（1400nm，2個(gè)染色單體，每個(gè)染色體單體含10個(gè)螺旋圈）從DNA到染色體10nm纖維30nm纖維2.6RNA的結(jié)構(gòu)與功能RNA的功能：信息分子遺傳信息由DNA到蛋白質(zhì)的中間體的核心作用。功能分子功能分子作為細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成的主要參與者，參與在蛋白質(zhì)合成中核蛋白復(fù)合物的結(jié)構(gòu)組成和功能發(fā)揮；具有生物催化的功能，作用于初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的剪接加工；與生物機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)，參與基因的表達(dá)調(diào)控；與生物體的進(jìn)化有很大的關(guān)系。核糖體信息體拼接體編輯體等等2.6.1RNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與DNA的區(qū)別書本582.6.2細(xì)胞中RNA的分布圖3.18page59細(xì)胞中分布的RNA各組分前mRNA(hnRNA)細(xì)胞內(nèi)總RNA編碼RNA占總量的4%mRNA非編碼RNA占總量的94%非編碼mRNA前rRNAscRNAsnoRNAsnRNAtmRNA等前tRNAtRNArRNA所有生物僅真核生物僅細(xì)菌2.6.3RNA分類概述mRNA的結(jié)構(gòu)tRNA的結(jié)構(gòu)rRNA的結(jié)構(gòu)snRNAsnoRNA非編碼mRNA（一）mRNAmRNA占細(xì)胞RNA總量的1%～5%，分子量范圍幾百～2萬(wàn)個(gè)核苷酸，變化大（RT/PCR）。原核和真核生物mRNA的結(jié)構(gòu)不同。原核生物mRNA真核生物mRNA1.mRNA編碼區(qū)多順?lè)醋樱◣讉€(gè)功能相關(guān)蛋白質(zhì)）單順?lè)醋?（1種蛋白質(zhì)）2.5‘端帽子結(jié)構(gòu)無(wú)帽子結(jié)構(gòu)，（有SD序列，RBS位于AUG上游8～13核苷酸處，與翻譯起始有關(guān)）。有帽子結(jié)構(gòu)（0.1.2三種類型）*使mRNA免遭外切核酸酶降解，與翻譯起始有關(guān)（CBP）.3.3‘端poly(A)尾無(wú)有，20～200核苷酸4.5’.3’端mRNA非偏碼區(qū)有有