第二章dna与染色体的结构

第二章dna与染色体的结构内容摘要：

挤压出现在大沟中；对于嘧啶 （ 3ˊ 5ˊ ） 嘌呤序列，来自鸟嘌呤 N3， N2 腺嘌呤 N3间的挤压在小沟中发生（图 219）。 可见小沟中的挤压更为严重。 为减少不利的挤压，使碱基堆积更加有利，双螺旋结构就要做出局部调整，如改变各个结构参数等，甚至形成交叉氢键，这些变化就形成了 DNA的精细结构（ fine structure）。 而这些精细结构正是相应蛋白质因子与靶位点进行专一性识别和结合从而发挥 DNA功能的标志。 另据观察， DNA与一些蛋白质因子的结合部位是一些弯曲结构，这些弯曲（ blend）是由连续的 A残基产生的，每 组连续的 A的数目一般为 3～ 6个，并且要求连续的 A之间需被其它核苷酸隔开。 含 GT、 AC、 GA碱基对的寡聚核苷酸的晶体分析说明，这些错配的碱基对都能包容在 BDNA中，它们的构象参数一般处于允许范围内，如 GA的一种配对方式仅宽 ，与 GC对的尺寸十分接近，也不引起螺旋方向改变，因此，这一错配 对 DNA的结构并不产生明显的影响，但腺嘌呤官能团所处位置与螺旋的其余部分 明显不同，这一特点就为修复酶提供了识别标志。 对错配的碱基包容于双螺旋，以及它们所产生的构象变化与其所处序列环境（ sequence environment）间的关系的深入研究，将有利于对复制过程的校对以及复制后的修复和重组酶系的进一步认识。 另外 ， ZDNA的形成与特定的 d（ GC）序列有关 ， 这也说明 DNA的局部构象对特定序列的依赖性。 DNA的局部构象与其功能有着密切的联系。 DNA所携带的遗传信息，一类是编码蛋白质，它们通过核苷酸三联体与各个氨基酸间的对应关系使遗传信息由 DNA流向蛋白质，但遗传信息的这种流动不是靠基因自身的功能，而是通过独立于该基因之外的蛋白质合成机构实现的。 同时，蛋白质基因的表达不总是构成型的，它是受调控的。 DNA所携带的第二类信息即是与基因表达调控有关的信息，它们就 贮存在 DNA的精细结构中，直接表现为特定的空间结构，即密码结构域（ code domain） ,它能被相应的蛋白质因子识别并结合，从而控制蛋白质基因的表达。 凡能结合于 DNA的蛋白质叫作 DNA结合蛋白（ DNAbinding protein）。 它包括各种酶（如 DNA聚合酶、 RNA聚合酶等）和调节蛋白（如 CAP等）。 这些蛋白质与DNA的结合涉及到遗传个体发育等生物学中的一些基本问题。 因此核酸蛋白质的 交互作用（ nucleic acidprotein interaction）已成为分子生物学的研究热点。 DNA和蛋白质的结合实质上是一个双向过程， DNA的局部构象既提供了识别标志和发生交互作用的结构条件，而蛋白质的结合又促使该处 DNA的构象发生进一步的变化或使交互作用深化。 第三节 DNA的超螺旋结构和拓扑异构酶 一 、 DNA的超螺旋结构 DNA的三级结构是指 DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的构象 ， 包括线形双链中的纽结 （ kinked ） 、 超 螺 旋（ supercoiled,superhelix） 、 多重螺旋 、 分子内局部单链环和环状 DNA中的超螺旋及连环等拓扑学性质。 超螺旋结构是 DNA三级结构中最常见的一种结构。 环状 DNA分子 ， 线形双螺旋分子两端连接起来或因与蛋白质结合而固定时 ， 进一步扭曲都可形成超螺旋。 双螺旋 DNA处于拧紧状态时所形成的超螺旋称作正超螺旋（ 左手超螺旋 ） （ positive supercoil）(图 220)， 处于拧松状态则形成负超螺旋 （ 右手超螺旋 ） （ negative supercoil）。 天然 DNA分子都处于负超螺旋。 DNA形成超螺旋结构便进入另一种热力学上的稳定状态 ， 但不会改变环形双 螺旋 DNA分子中一股多核苷酸链与另一股多核苷酸链的交叉次数 ， DNA分子的这种变化可用一数学式来描述： L=T+W L称为连接数 （ linking number） 是指环形 DNA分子的两条链彼此盘绕的次数 ， 它是环型双螺旋 DNA分子的拓扑性质 ， 只要不发生链的断裂 ， 它就是一个定值。 右手螺旋时规定为正值。 T称为盘绕数（ twisting number） ， 它代表 DNA的一 股链绕双螺旋轴所做的完整旋转数 ， 数量上等于碱基对总数除以每一圈的碱基对数 ， 即等于双螺旋的总转数。 W为超盘绕数 （ writhing number） ， 代表双螺旋轴在空间的转动数。 T和 W是变量。 因为在一个完整的环状双螺旋分子中 L为常数 ，所以当其形成超螺旋时 ， T和 W数值相等 ， 方向相反。 例如： SV40DNA含 5226核苷酸对 ， T= 5226/=497 ， 实际测得W= –26 ， 则 L=T+W=497+(26)=471。 当LT即拧松状态 ， DNA形成负超螺旋。 DNA分子形成超螺旋的生物学意义在于，一是超螺旋 DNA具有更紧密的形状，因此在 DNA 组装中具有重要作用。 二是 DNA的结构具有动态性，这有利于其功能的发挥，而 DNA超螺旋程度的改变介导了这种结构的变化。 BDNA是一种热力学上的稳定结构，超螺旋的引入就提高了它的能量水平。 负超螺旋的存在会影响 DNA结构变化的平衡，具超螺旋的 DNA能实现松弛态 DNA所不能实现的结构转化。 二 、 拓扑异构酶 细胞内存在一类能催化 DNA拓扑异构体（ topoisomer）相互转化的酶，它们称为拓扑异构酶（ topoisomerase）。 它们能与 DNA形成共价结合的蛋白质 DNA中间体，从而在其骨架的磷酸二酯键处造成暂时性的裂口，使 DNA的多核苷酸链得以穿越，结果改变了分子的拓扑状态。 在这一过程中， DNA的连接数虽然改变了，但其核苷酸序列并无任何变化。 拓扑异构酶共有两类 :Ⅰ 型和 Ⅱ 型拓扑异构酶。 （ 一 ） Ⅰ 型拓扑异构酶 作用特点： ① 仅切断双链 DNA的一条链 ， 即催化瞬时的单链断裂和连接 ， ② 不需要能量辅助因子如 ATP和 NAD等 ， 因而不能催化需能的超螺旋化结构。 目前研究较为清楚的是大肠杆菌拓扑异构酶（过去叫做 ω 蛋白）。 其作用机理是，当酶与 DNA结合时，可形成稳定的 复合物，这个复合物是切断 DNA链的5′ 磷酸基与酶的酪氨酸羟基以酯键连接而成的，同时酶的另一端共价连接在3′ OH基上。 在此发生的是磷酸二酯键的转移反应，由 DNA转移到蛋白质。 当DNA的一股链穿越切割点绕另一股旋转一圈后，原来断裂的 DNA重新连接，酶被释放。 即磷酸二酯键又由蛋白质转移到 DNA（图 221）。 整个过程并不发生键的不可逆水解，没有能量的丢失。 因此不需要外界供给能量，结果由于 L由 n变为 n+1 而增加了正超螺旋或减少了负超螺旋。 图 221 拓扑异构酶 Ⅰ 的作用机制 （二） Ⅱ 型拓扑异构酶 Ⅱ 型酶作用的共同特点是： ① 同时切断 、缝合 DNA的两条链 ， 不需要单链切口存在 ，因而每个反应后改变两个链环数； ② 需要能量辅助因子。 大肠杆菌的拓扑异构酶 Ⅱ 又叫旋转酶（ gyrase），作用的可能机制如图 222所示。 当反应开始时， DNA围绕着酶卷起，然后将两条链切断， 2个 A亚基分别与 5磷酸基结合，在酶构象改变的牵引下， 另一双链穿越酶蛋白提供的裂隙（切口），最后断裂的 2条链又重新连接。 ATP水解产生的能量用来恢复酶的构象，从而可进行下一次循环。 拓扑异构酶 Ⅱ 功能是。