DNA超螺旋、基因组、染色体.ppt
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1、2-1 DNA超螺旋与拓扑异构现象,第二章 DNA、染色体与基因组,Superhelix of SV40 DNA (Vinograd, 1965),一、 DNA超螺旋(superhelix or supercoil),DNA超螺旋结构,Linear DNA. L,Open Circle DNA OC relexed form,Supercoiled circle(高级结构) Covalent Closed Circle CCC,指双螺旋环状分子再度螺旋化即成为超螺旋结构。,超 螺 旋 形 成 示 意,末端固定的线型双螺旋,额外的张力不能释放 双螺旋以扭曲方式缓 解应力,形成超螺旋,二、 DNA
2、超螺旋的方向性,松弛(relaxed)状态: DNA在水溶液中, 构型偏B型状态。DNA以10.5 bp/helix为最稳定构型。,正超螺旋:小于10.5bp/helix,则其二级结构处于紧缩状态,由此产生的超螺旋为正超螺旋。,负超螺旋:大于10.5bp/helix,则其二级结构处于松缠状态,由此产生的超螺旋为负超螺旋。,由此可见,超螺旋总是要向着抵消初级螺旋改变的方向发展;双螺旋DNA的松开导致形成负超螺旋;而DNA的拧紧,则导致形成正超螺旋;所有的超螺旋都比松弛型含有更多的自由能。,拓扑学(topology)是研究几何图形在平面位置关系不变情况下空间结构变化规律的数学分支。,三、DNA超螺
3、旋拓扑学定义,实验证明,细胞内的DNA存在拓扑异构现象(topoisome),即在保持DNA一级和二级结构不变的情况下,两条单链可以相互缠绕,形成不同的空间构型。,超螺旋发生的规律,Vinograd. J (1968),Vinograd equation,L Linking number ( 双链DNA的交叉数),T Twisting number (双链DNA的缠绕数,初级螺旋圈数,即DNA分子中的Watson-Crick螺旋周数,其数值可直接在处于最稳定状态下的双链环形(或超螺旋形式)DNA中的实际螺旋周数计数得到,不一定是整数),W Writhing number (直观上为双螺旋数,
4、可为小数),Non-breaking Non-unwinding Non-overwinding,L为定值,整数,l B-DNA是力学上稳定的结构( 10 bp/ helix),l 虽交叉数减少,但需转换为一种应力,以维持10bp/helix的螺旋数,,l 应力的重新分配 或在B-DNA状态中保留一单链区,或螺旋力将维持B-DNA的右旋结构, 形成超螺旋,420bp,L=42 T=42 W=0,无应力松弛状态,应力的分配,L = 36 T = 36 W = 0,L = 36 T = 42 W = -6,松开6圈螺旋 L = 6,2比连系差(Specific linking difference
5、), =,=,能够根据DNA分子Lk的改变描述螺旋不足(超螺旋),也叫超螺旋密度(superhelix density)。,DNA分子形成超螺旋的生物学意义: 1 超螺旋DNA具有更紧密地形状,因此在DNA组装中具有重要作用; 2 DNA的结构具有动态性,DNA超螺旋程度的改变介导了这种结构的变化,这有利于其功能的发挥。 3 DNA是一种热力学上的稳定结构,超螺旋的引入提高了他的能量水平。,拓扑异构体(topoisomer):具有不同连接数的同一种DNA分子称为DNA拓扑异构体。,四、DNA拓扑异构体与拓扑异构酶,拓扑异构酶(topoisomerase) 作用方式: 拓扑异构酶与DNA共价结合
6、形成中间体,使磷酸二酯链暂时断裂形成切口,DNA分子的一条单链或双螺旋穿越另一条单链或双螺旋,改变其拓扑状态,但一级和二级结构并无变化。,即在保持DNA一级和二级结构不变的情况下,两条单链可以相互缠绕,形成不同的空间构型。,拓扑异构酶(topoisomerase) 细胞内存在着一类能催化DNA拓扑异构体相互转化的酶,称为拓扑异构酶。或者说,能改变DNA拓扑联系数的酶就叫拓扑异构酶。,型酶在两条单链上都产生切口,每次作用使连接数改变2。在型酶的作用是增加负超螺旋数,或减少正超螺旋数,在真核生物中还有减少负超螺旋的作用。,拓扑异构酶分为型和型两类。,拓扑异构酶的生物学功能 消除DNA复制和转录等过
7、程产生的正负超螺旋。在细胞中,型酶与型酶的活性保持一种平衡状态,型酶使DNA超螺旋化的作用为型酶使DNA松驰化的作用所抗衡,从而使DNA保持适当的超螺旋密度。,型酶在DNA的一条单链上产生切口,使另一条单链得以穿越,每作用一次使DNA连接数改变1;原核生物中,型酶只作用于负超螺旋DNA,减少负超螺旋数,使其松弛;在真核生物中,型酶还可以作用于正超螺旋DNA,减少正超螺旋数。,Top I (swivelase, niking-closing enzyme),Breakage & rejoining of S.S. DNA at phospho-diester bonds,每次L of +1(在酶
8、的作用下,DNA单链断裂),松弛B-双螺旋,消除负超螺旋,CCC OC only No ATP, NAD,图3.30 型拓扑异构酶作用机理,Function Mechanism of Topoisomerase I,Top II (gyrase) ATP needed,Cutting & ligation of D. S. DNA,tetramer,Function Mechanism of Topoisomerase II,2-2 基因和基因组,一、基因、基因组的概念 二、基因组的大小与C值矛盾 三、基因组的复性动力学 四、重复序列 五、真核与原核生物基因组比较,指DNA分子所携带遗传信息总
9、和,即指一个细胞所有基因和基因间DNA的总和,称基因组。遗传学定义为:一个物种的单倍体的染色体的数目为该物种的基因组。,在真核生物中,每种生物的单倍体基因组的DNA总量是恒定的,称之为C值。,一、基因、基因组的概念,产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列,在遗传学上也称顺反子(cistron)。,(二)基因组,(三)C值,一个单倍体基因组中DNA的总量,(一)基因,C value paradox of nucleotide,A 生物体进化程度高低与C值的相关性不强,B 亲缘关系相近的生物C值相差较大,低等生物单倍体基因组DNA的含量与生物复杂性呈正相关,但高等生物这种关系并不一致。,
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