意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学
变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过 程具有关键作用。
（一）原核生物DNA的是环状超螺旋结构
（二）真核生物的线粒体、叶绿体DNA也是 环状超螺旋结构
真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。线粒体 DNA(mtDNA)是一个封闭的双链环状分子。人mtDNA 全长16,569个碱基对，共计37个基因, 分别编码13个蛋 白质、2个rRNA、22个tRNA。
HO CH2
OH HO CH2
OH
5´ O
O
4´
1´
3´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
OH H
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
（三）碱基和和戊糖缩合成核苷酸
1. 碱基和戊糖缩合成核苷 β-N-糖苷键
2. 糖苷键是可以旋转 碱基位置存在顺式和反式结构
顺式鸟嘌呤核苷
O
胸腺嘧啶(thymine, T)
2．核酸中存在稀有碱基
核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基 (rare base)。稀有碱基种类很多，大多数都是甲基化碱 基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10%。
核酸中部分稀有碱基
嘌呤 嘧啶
DNA m7G 7-甲基鸟嘌呤 N6-m6A N6-甲基腺嘌呤
连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。
NH2
N O
核苷酸：
HO P O CH2 O N O OH
AMP, GMP, UMP, CMPΒιβλιοθήκη 脱氧核苷酸：OH OH
dAMP, dGMP, dTMP, dCMP
腺嘌呤核苷三磷酸 ATP
腺嘌呤脱氧核苷一磷酸 dAMP
环式腺苷一磷酸cAMP 环式鸟苷一磷酸cGMP
鸟苷四磷酸 ppGpp
相邻碱基平面距离0.34nm， 螺旋一圈螺距3.4nm，一圈 10对碱基。
DNA双链模型
碱基互补配对
A
T
C
G
3、疏水力和氢键维系DNA双螺旋的稳定
氢键维持双链横向稳定 性，碱基堆积力维持双 链纵向稳定性。
Watson-Grick和Hoogsteen DNA螺旋中碱基对间氢键的位置
（三）DNA双螺旋结构具有多样性
0.99
牛脾 27.9 22.7 22.1 27.3 1.01 1.01 44.7
1.04
牛精子 28.7 22.2 22.0 27.2 1.06 1.01 44.2
1.04
猪
29.8 20.7 20.7 29.1 1.02 1.00 41.4
1.01
酵母 31.7 18.3 17.4 32.6 0.97 1.05 35.7
DNA双螺旋结构的研究背景和历史意义 DNA双螺旋结构模型要点
DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装
DNA的超螺旋结构 原核生物DNA的高级结构 DNA在真核生物细胞核内的组装
DNA的功能
一、 DNA的二级结构是双螺旋结构
（一）Waston和Crick提出DNA双螺旋结构模型
碱基组成分析 Chargaff 规则：[A] = [T]
分子组成 —— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 —— 戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖 —— 磷酸(phosphate)
磷酸
核酸酶
核酸
核苷酸
水解
核苷或 核苷酶
脱氧核 苷
戊糖 碱基
核糖
脱氧核糖 嘌呤
嘧啶
（一）核酸中的碱基分为嘧啶碱和嘌呤碱两类
1．核酸中常见的5种碱基
碱 基:
嘌呤 (purine)
3, 5-磷酸二酯键
（二）多聚核苷酸链有 5端
C
方向性
A
G 3端
书写方法
AGT GCT 5 P P P P P P OH 3
5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3
目录
四、核酸分为核糖核酸和脱氧核糖核酸两类
（一）RNA是单链多聚核糖核苷酸 （二）DNA是单链或双链多聚脱氧核糖核酸 （三）组成DNA和RNA成分不同 （四）多聚核苷酸中核苷酸的排列顺序是核苷酸的基本
核 酸(nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大 分子，携带和传递遗传信息。
核酸的发现和研究工作进展
1869年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素” 1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质 1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1985年 Mullis发明PCR 技术 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架
O
HN
N
H2N
N
N
HOCH2 O
HH
H
H
OH OH
N
N
HOCH2 O
HH
H
H
OH OH
O NH
N NH2
反式鸟嘌呤核苷
O
NH
NO
反式胞嘧啶核苷
HOCH2 O
HH
H
H
OH OH
O
NH
N
HOCH2 O
HH
H
H
OH H
O
反式胞嘧啶脱氧核苷
（四）核苷与磷酸以酯键连接成核苷酸
核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键
a 组蛋白八聚体核心
b 核小体
c 直径30nm纤维的剖面图显示H1的位置 d 核小体组成串珠样的染色质
2．组蛋白是小分子量的碱性蛋白质
组蛋白分子质量在11kD到21kD之间，组蛋白中 富含精氨酸和赖氨酸。各种真核细胞都有5种组蛋白， 但分子质量和氨基酸的顺序有些差异。在所有真核生 物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提示功能 是相同的。但是各种生物的H1、H2A、H2B的相似 性很少。
DNA的拓扑异构体发生改变。
类型：大肠杆菌至少有2型4种拓扑异构酶。Ⅰ型拓扑 异构酶包括拓扑异构酶Ⅰ和拓扑异构酶Ⅲ ，其功能是去除 负超螺旋而松弛DNA ；Ⅱ型拓扑异构酶包括拓扑异构酶Ⅱ 和拓扑异构酶Ⅳ，其功能是引入负超螺旋 。
真核生物细胞同样有I型拓扑异构酶和II型拓扑异构酶。 I型拓扑异构酶，包括拓扑异构酶I 和III；II型拓扑异构酶， 包括拓扑异构酶IIα和IIβ。与原核生物的拓扑异构酶不同， 真核生物的拓扑异构酶I能消除负超螺旋也能消除正超螺旋， 拓扑异构酶III只消除负螺旋，但活性较低。
Z型 细长 左手
18 A 12 3.7 A 4.56 嘧啶反式，嘌呤 顺式 平坦 较窄、很深 不穿过碱基对
（四）某些DNA 具有更复杂的螺旋结构
1. Hoogsteen碱基配对 形成三股螺旋DNA
H-DNA的结构
2． 4条多聚鸟嘌呤核苷酸链形成四螺旋DNA
3.在特异碱基序列基础上DNA局部可形成特殊结构
1.00
大肠杆菌 26.0 24.9 25.2 23.9 1.09 0.99 50.1
1.04
结核杆菌 15.1 34.9 35.4 14.6 1.03 0.99 70.3
1.00
★ 包括5-甲基胞嘧啶 ▲ 比值偏离1 ：1是实验误差所致
（二） DNA双螺旋结构具有特征性
（Watson, Crick, 1953） 1、DNA是反向平行的互补双链结构
体内重要的游离核苷酸及其衍生物
多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP 环化核苷酸: cAMP，cGMP
含核苷酸的生物活性物质：
NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP
NAD+
NADP+
三、核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连接 成多聚核苷酸
（一）3, 5-磷酸二酯键是核酸的基本结构键
目录
不同类型的DNA双螺旋结构
A、B和Z型DNA分子的比较
外型 螺旋方式 直径 每螺旋的碱基对数 每碱基对的升距 螺距
A型 粗短 右手 26 A 11 2.6 A 2.53
B型 中 右手 20 A 10.5 3.4 A 3.54
糖苷键构型
反式
反式
大沟
窄深
小沟
宽浅
轴心与碱基对的关系 不穿过碱基对
宽深 窄深 穿过碱基对
结构
五、核苷酸还有其他功能
脱氧核苷酸主要的作用是DNA的组成成分，为 数不多的参与代谢的调节。
核糖核苷酸除了是RNA的组成成分外，还以多 种方式参与细胞内的生理和生化过程。
第二节
DNA的三维结构
The Three Dimensional Structure of DNA
基本内容
DNA的二级结构是双螺旋结构
碱基序列依赖性的局部DNA 可形成发夹形或十字形结构
二、DNA的三级结构是超螺旋结构
DNA的超螺旋结构
超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。 正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同
负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
[G] [C] 碱基的理化数据分析 A-T、G-C以氢键配对较合理
DNA纤维的X-线衍射图谱分析
目录
不同生物来源的DNA碱基组成(摩尔，mole)与碱基比（mole比）
来源
A
G
C★
T
A/T
G/C
G+C
嘌呤/嘧啶
▲
人
30.4 19.9 19.9 30.1 1.01 1.0 39.8