dna超螺旋基因组与染色体.ppt

§ 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 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。 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 链松弛后 再结成环 链未松弛 再结成环 松开 6 圈螺旋 △ L = － 6 2 ．比连系差（ Specific linking difference ）σ σ = △ L k L k0 = L k - L k0 L k0 能够根据 DNA 分子 L k 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。 Ⅱ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 Ⅱ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 Ⅰ 型和 Ⅱ 型两类。 拓扑异构酶的生物学功能 消除 DNA 复制和转录等过程产生的 正负超螺旋。在细胞中，Ⅰ型酶与Ⅱ型酶的活性保持一种平衡 状态，Ⅱ型酶使 DNA 超螺旋化的作用为Ⅰ型酶使 DNA 松驰化的作 用所抗