核苷酸和核酸

第二章核苷酸和核酸

引言

一、核酸的发现：

核酸是瑞士科学家 F.Miesher于１８６８年在研究细胞核化学组成成分时发现的，他把从细胞中分离出来的酸性的含磷的物质称为核酸。

二、如何证明核酸是遗传物质的载体？

１.１９４４年O.T.Avery的细菌转化实验是获得DNA携带遗传信息的第一个证明。

噬菌体捣碎的实验——第二２.１９５２年Alfred D.和Hershey等人建立的T

2

个证据。

**证明噬菌体复制的物质是DNA而不是蛋白质外壳

3.1953年 Watson和Crick的DNA双螺旋模型的发现，更进一步揭示了DNA作

为遗传物质储存和信息传递的化学机制。

4.核酶的发现，一些核酸本身具有酶催化的活性。

三、核酸的种类和分布

1. 分类：根据分子中所含戊糖的种类分为脱氧核糖核酸和核糖核酸。

2. 分布：

DNA: 真核:98%核中（染色体中）

核外:线立体（mDNA）

叶绿体（ctDNA）

原核:拟核

核外:质粒

病毒：DNA病毒

RNA：以细胞质中存在为主，细胞核中也有：tRNA（转移RNA）

RRNA(核糖体RNA)

MRNA(信使RNA)

RNA病毒：SARS

第一节核酸的基本化学组成

前言已经讲过蛋白质，核酸是生物体中另一种重要的大分子，两者合起来称为生物体内最重要的两大分子。

蛋白质的完全水解产物——各种氨基酸的混合物

不完全水解产物——各种大小不等的肽段和氨基酸混合物

核酸的完全水解产物——嘌呤和嘧啶碱、戊糖和磷酸混合物

不完全水解产物——核苷和核苷酸

因此aa是蛋白质的基本组成单位，核苷酸是核酸的组成单位，核酸就是多聚核苷酸。

一、核酸的化学组成 1.元素组成：C H O N P，蛋白质元素组成：还有其他元素。

2.分子组成：——碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱——戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖——磷酸(phosphate)

DNA的碱基组成：A G C T；RNA的碱基组成：A G C U

二、核苷酸的结构

1. 戊糖组成核酸的戊糖有两种。DNA 所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA 所含的

2. 碱基腺嘌呤(adenine, A)嘌呤(purine)

嘧啶(pyrimidine)

鸟嘌呤(guanine, G)

尿嘧啶(uracil, U)

N

N

NH

N

NH 2

N

NH

NH

N

NH 2

O

NH

O

N

NH

NH 2

O

N

N NH

N

12

34

56789

胞嘧啶(cytosine, C) 胸腺嘧啶(thymine, T)

表示方法：m5G 核酸中也存在一些不常见的稀有碱基，大部分是上述碱基的甲基化产物。

3.核苷(ribonucleoside)的结构

碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）。核苷：AR, GR, UR, CR

脱氧核苷：dAR, dGR, dTR, dCR 稀有核苷：假尿苷（ ），次黄苷（肌苷，I ），

黄嘌呤核苷（X ），二氢尿嘧啶核苷（D ），4.什么是核苷酸？什么是环核苷酸？

是核苷的磷酸酯，一个核苷酸由含氮的杂

环嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖和磷酸组

成。具有磷酸有环酯结构的核苷酸，

如3’，5’-环式腺苷酸、2’，3’-环式腺嘌 呤单核苷酸等。

核苷酸：

AMP, GMP, UMP, CMP

脱氧核苷酸：dAMP, dGMP, dTMP, dCMP

N

NH

13245

6

NH NH

O

O

C

H 3O H N N NH 2

O

P O O

OH

O

H O

N N

NH 2

O

三、核苷酸的生物学功能

1.核苷酸是核酸的基本组成单位

2.是生物体各种生物化学成分代谢转换过程的能量货币，如前面讲的ADP,ATP 中的磷酸酯键的水解能释放出大量的能量，供机体代谢需要。

3.核苷酸是多种酶的辅助因子的组成成分。

4.一些核苷酸是细胞通讯的媒介，是第二信使，如cAMP,ppGpp 。

第二节 磷酸二酯键和多核苷酸

一、什么是磷酸二酯键？

也就是一个核苷酸的磷酸基与另一个核苷酸戊糖上的醇羟基脱水形成酯键，在核酸中即戊糖上的3’醇羟基与5’磷酸基之间脱水形成3’，5’-磷酸二酯键。

二、什么是核酸或称多聚核苷酸？

是通过一个核苷酸的3’醇羟基与另一个核苷酸的5’磷酸基形成3’，5’-磷酸二酯键相连而成的链状生物大分子聚合物。 三、多聚核苷酸的结构特征：

1 主链是相间出现的磷酸戊糖残基通过共价键连接；

2 各种碱基排在主链外侧；

3 磷酸二酯键在主链中取向相同从5’——>3’；

4 线性结构有3’和5’末端，即在3’位置上缺乏核苷酸残基，5’末端即在5’位置上缺乏核苷酸残基。3’端有游离的羟基，5’端有游离的磷酸基。

四、核酸的表示方法： 1.磷酸基团用p 表示;

2.戊糖用垂直竖线表示，五个C 从上到下依次为1’——>5’；

3.方向为5’——>3’；

简写法：pA-C-G-TOH,pApCpGpT 或pACGT

A G P

5' P T P G P C P

T

P OH 3'

五、碱基的性质影响核酸结构

1.大部分键具有共轭双键性质，因此有紫外吸收特性，最大吸收在260nm；

（1）摩尔磷消光系数：指含磷为１摩尔浓度的核酸溶液在２６０nm的吸光值。核酸分子太大，易断，不易得到大分子，因此用该方法来求核酸中核苷酸的量，磷量与核苷酸残基量相等，因此用磷的量来表示，摩尔浓度相等。

（p）260=A260/CL

吸光度）

（C为磷中摩尔浓度，L为比色杯直径cm,A

260

（2）摩尔消光系数：指1摩尔浓度核酸溶液，在一定pH条件下某一波长的吸光值。

2.碱基有疏水性，产生的碱基间的疏水堆积作用是稳定核酸空间结构的重要力；

3.碱基上的氮原子，羰基和环外氨基，形成氢键，维持DNA双螺旋的力；

4.碱基的性质影响核苷酸的解离程度：在pH3.5溶液中，UMP——>GMP——>CMP ——>AMP

第三节 DNA的结构与功能

一、DNA的一级结构

脱氧核糖核酸的排列顺序，可以用碱基排列顺序表示

连接键：3’，5’-磷酸二酯键，磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架

碱基形成侧链

多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端

DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。二、Chargaff定则：○1不同物种间DNA碱基组成一般是不同的；

○2同一物种不同组织的DNA样品的碱基组成相同；

○3一个物种的DNA碱基组成不会因个体的年龄、营养状态

和环境改变而改变；

○4任何一种DNA样品中，A的量=T的量，G的量=C的量，

因此A+G=C=T ；A+G+C+T=100%。例如G+C含量为40%，

则G=20%、C=20%、A=30%。T=30%

三、DNA双螺旋结构模型

1.模型建于1953年，由J.Watson和F.Crick建立，并获得Nobel奖。

2.模型建立的依据：a.已有的核酸化学结构知识；

b.E.Chargaff发现的碱基配对规律；

c.M.wilkins和R.Franklin的DNA 的X射线衍射结果。

3.双螺旋模型的重要特征：（以下为B型结构特征）

○1两条链反向平行，围绕同一中心轴缠绕，均为右手螺旋；

○2碱基位于螺旋内侧，磷酸和戊糖在外侧，彼此通过3’，5’-磷酸二酯键相连接，碱基平面与轴垂直，糖环平面与轴平行，由于碱基配对，形成一大沟

和一小沟

○3螺旋每旋转一周有10.5个核苷酸组成，每圈螺距为3.4nm,相邻碱基之间的距离为0.34nm，每两个核苷酸之间的夹角为36度，平均的螺旋直径为2nm；

○4两条链依靠碱基之间的氢建连在一起，A=T,G C；

○5碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但要遵循碱基配对原则（互补）。

4.维持DNA双螺旋结构稳定的作用力

DNA双螺旋结构是十分稳定的，原因是以下三种力的作用，特别是第二种力。○1两条多核苷酸链间的互补碱基之间的氢建；

○2碱基对疏水的芳香环堆积所产生的疏水作用力以及堆积的碱基之间形成的盐建。

5.DNA螺旋结构的其他形状

DNA的结构是受环境因素影响的,由于相对含水量不同而产生不同类型结构,主要有：

A型：右手螺旋，相对密度为75%时制备的DNA钠盐纤维，称为A型DNA。

B型：右手螺旋，相对密度为92%时制备的DNA 钠盐纤维，称为B型DNA。Z 型：左手螺旋。

其区别见表2-2

B型结构

两条链反向平行，右手螺旋

碱基在内（A＝T，G≡C）碱基平面垂直于螺旋轴

戊糖在外，双螺旋每转一周为10.5个碱基对（bp）

A型结构

碱基平面倾斜20o，螺旋变粗变短，螺距2～3nm。

Z型结构

左手螺旋，只有小沟

四、与DNA碱基顺序相关的特殊结构

1.回文结构：

就象一个单词，一个词组或一个句子，它们从正方向阅读和反方向阅读，其含义都一样，这个名词被用于描述碱基顺序颠倒重复，因而具有2倍对称的DNA 段落，这样的顺序具有链内互补的碱基顺序，有形成发卡结构和十字架结构能力。第二种概念：指在一个假想的轴的两侧，某碱基顺着同一极性阅读，两条链的碱基序列是一样的，这种结构呈现双重旋转对称，在每条链内可以形成发卡结构或十字架结构，（在单链内的互补顺序形成发卡结构，双链DNA内能形成十字结构）。例如：

2.镜像重复：如果颠倒重复发生在同一条链上，则这种顺序叫镜像重复,在同一

条链内不具有链内互补顺序，因而不能形成发卡结构和十字架结

构。

例如 TTAGCAC CACGATT

AATCGTG GTGCTAA

3.H-DNA：它的DNA顺序具有多嘧啶-多嘌呤的特点，并具有镜像重复，这种结构

在形成分子内三股螺旋时胞嘧啶需发生H+化过程，故称为H-DNA。

例如见书p97

5.Hoogsteen位置和Hoogsteen配对：参与Watson-Crick碱基配对的核苷酸碱

基还能形成一批额外的氢建，特别是在大沟里的功能基团，如一个质子化的C能和G C碱基对中的G配对，T和 A=T中的A配对，这些参与在三链DNA 中形成氢键的位点叫Hoogsteen位置。这种非Watson-Crick碱基配对叫Hoogsteen配对，在DNA重组转录等的起始和调控上起重要作用。

DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA的双螺旋结构的意义该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。

第四节 RNA的种类和结构

一、碱基组成：AUCG(U——>T)

二、结构特征和主要功能

（一）RNA的总的结构特点

○1碱基组成为AUCG,(A=U,G C)稀有碱基较多；

○2稳定性较差，易水解；

○3多为单链结构，少数局部形成螺旋；

○4分子较小。

（二）各类RNA分子的主要结构特征和功能

1.mRNA(信使RNA)：占总RNA的3%—5%。

（1）概念：把细胞中携带DNA遗传信息到核糖体上的RNA叫mRNA。

（2）种类：

单顺反子mRNA：如果只为一条肽链编码的mRNA叫单顺反子mRNA，真核生

物的mRNA大分子是这一种。

多顺反子mRNA：为两条以上不同肽链编码的mRNA叫多顺反子mRNA，原核

生物的mRNA是这一种。

（3）结构特征：

a：SD序列，在原核生物mRNA起始密码子AUG的上游约有10个核苷酸处富含嘌呤核苷酸的序列，称前导序列，由shine Delgarno首先发现，

又称SD序列，与翻译起始有关。

b：5’端有甲基化帽子结构，由于真核生物没有SD序列，起始识别就由5’cap担任，指在真核生物中mRNA的5’端有一个甲基化的鸟苷酸残

基。

c：3’端有多聚腺苷酸结构，真核生物成熟的mRNA的3’端有约100-200个腺苷酸尾链结构。可以提高真核生物mRNA的稳定性。利用oligodt

亲和层析可以分离mRNA的原理在此。

2.tRNA（转移RNA）：占RNA总量的15%。

（1）概念：以游离状态存在于细胞质中，把aa转运到与核糖体结合的mRNA上，能结合特定的aa并能识别mRNA上该aa的密码子，将该aa转运到正

在合成的蛋白质多肽链上的RNA分子。

（2）一种aa至少对应一种tRNA。

（3）结构特征：（具体在第10章中讲解）

a：二级结构是三叶草型结构

b：三级结构是倒L型结构

3.rRNA：（核糖体RNA）占总量的80%。

（1）概念：约占细胞RNA总量的80%，它是细胞质核糖体的组分，与核糖体蛋白质一起构成核糖体，核糖体是蛋白质合成的场所，由大小两个亚基

组成。

（2）组成类型：按沉降系数大小来分类。

第五节核酸的性质

一、一般的理化性质

1.都能溶于水，不溶于有机溶剂；

2.线性大分子，黏度高，抗剪切力差；

3.可用电泳分离（中性溶液带负电荷）；

4.由于嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键体，260nm紫外最大吸收，可作为定性定量依据。由于蛋白质在280nm有最大吸收，往往利用A260/A280大小鉴定提取核酸的纯度，若蛋白质含量高、杂质高，则A260/A280很低。

纯的DNA：A260/A280>1.8

纯的RNA：A260/A280=2.0

二、核酸的复性

1.什么是核酸的变性？

在水溶液中，稳定的核酸双螺旋在某些物理因素或化学因素的影响下，双螺旋结构中的碱基堆积力和碱基对之间的氢键受到破坏，空间结构遭到破坏，变成两条随机卷曲的、单链结构的过程，叫核酸的变性，但核酸的一级结构（碱基顺序）保持不变。

2.变性后的核酸特征：

（1）生物学活性部分或全部丧失；

（2）黏度下降；

（3）浮力上升；

（4）紫外吸收增加。

**增色效应：DNA由双链变成单链的变性过程会导致紫外吸收的增加，这种现象。

3.引起变性的因素：

○1pH值>11.5引起碱变性，<2.5引起酸变性；

○2变性剂（脲，甲酰胺，甲醛，胍类等）；

○3有机溶剂（乙醇，丙酮）；

○4加热（热变性）；

4.DNA的熔解温度与热变性

○1概念：DNA热变性时，其紫外吸收增加值达到最大值一半时的温度，称为DNA

的变性温度。由于DNA变性过程犹如金属在熔点的溶解，所以变性温度

又称熔解温度。

○2表示方法：Tm

○3Tm是DNA的特征性参数，G+C 含量高，其DNA的Tm值就高，通过测定Tm值

或已知G+C含量，可计算出G+C%或Tm值，有个经验性公式：

（G+C）%=(Tm-69.3)x2.44

○4就Tm值来讲，RNA双链>RNA-DNA杂交链>DNA双链。

○5什么是淬火？

双螺旋DNA溶液在加热变性之后，使其突然冷却的处理过程叫淬火。淬火处理使单链分子失去碰撞机会，而不能复性，保持单链状态。

三、核酸的复性

1.概念：变性后的核酸的两条互补链在适当的条件下，通过碱基配对重新形成双

螺旋结构的过程叫核酸的复性。

2.复性后核酸的特征：

○1黏度、沉降子数、浮力密度等理化性质都得到恢复；

○2但生物学性质只能得到部分恢复；

○3具有减色效应

在核酸中由于碱基的堆积作用，造成核酸比同浓度游离核苷酸对紫外光的吸收减少，变性核酸在复性后其紫外吸收值降低，这种现象称为减色效应。

○4什么是退火？

热变性的DNA，在缓慢冷却条件下，重新形成双链的过程。

○5DNA分子复杂度

DNA复性反应时其初始浓度Co与反应完成一半所需时间的乘积，它对一特

称为DNA分子复杂度，其值因复定DNA分子（或基因组）来说是个常数，Cot

1/2

性DNA分子分子量的增加而增大，因此可以用来描述一物种基因组的大小（见书中p79图示）。

○6影响复性的因素：片段浓度/片段大小/片段复杂性/溶液的离子强度等。四、核酸的杂交

（1）什么是分子杂交和杂交DNA分子？

DNA单链与在某些区域有互补序列的异源DNA单链或RNA链形成双螺旋结构的过程，叫分子杂交。这样形成的新分子称为杂交DNA分子。

（2）什么是Southernblot?

a：由英国的分子生物学家E.M.Southern所发明的，是一种从琼脂糖凝胶

上把变性的DNA转移到硝酸纤维素膜上的技术，在膜上的DNA可与DNA

探针杂交而检出DNA的量，也叫DNA印迹技术。

b：具体方法见图示。

c: 基因探针：

与靶基因顺序互补的单链DNA或RNA片段，通常带有标记物，如放射性同位素等，以探测目的基因。

（3）需特别注意NC膜只吸附变性单链DNA，不能吸附双链DNA分子。

（4）什么是Nosthern blot?

也称Nnorthern印迹法，是一种从琼脂糖凝胶中把RNA转移到NC膜上的技术，在膜上的RNA可与DNA探针杂交而检出RNA的量。

（5）什么是Western blot？

也称蛋白质印迹技术，是一种用于特定蛋白质检测的技术，电泳分离变性的蛋白质，将其转移到膜上，用同位素标记的抗体进行检测，用于蛋白质的定性或定量测定。

（6）综上所述，核酸杂交的分子基础是DNA的变性和复性原理。

第六节核酸的化学反应和酶法修饰

一、核酸的化学反应

1.什么是突变？

DNA结构改变导致它所编码的遗传信息发生永久性改变。

2.DNA之所以作为遗传信息的存储库，因为它的结构的相对稳定性，任何不可逆的改变其生理后果是十分可怕的，它的不可逆改变与衰老加癌症有密切关系。

3.主要化学反应

○1碱基的环外脱氨反应，有胞嘧啶变为尿嘧啶，可以解释为什么DNA中含有胸腺

嘧啶，而不含有尿嘧啶，因为胞嘧啶脱氨产生尿嘧啶，若DNA不含有尿嘧啶，则可以通过DNA修复系统把产生的尿嘧啶当成外来物而去除，若DNA本来就含有尿嘧啶，则它的修复系统不会去除它，而是保留下来进入复制期，则与A配对，导致DNA顺序永久性改变，因此胞嘧啶的脱氨作用会逐渐导致G≡C减少和A=T的增加，经过千万年后，这种脱氨作用将会排除G≡C，从生物体中消失，因此DNA中含有T是进化过程中的关键转折点，是DNA长期保有遗传信息的需要。

○2核苷酸的脱碱基反应

○3紫外线照射和电离辐射引起嘧啶二聚物

○4工业上用的活性化合物，如脱氨试剂（亚硝酸）烷基化试剂，结构上类似碱基，引起DNA脱氨，改变碱基，竞争配对。

○5DNA的氧化损伤，如过氧化氢、超氧化物等。

二、DNA的甲基化问题（自学）

第七节核酸的水解和核酸酶

一、核酸的水解

○1酸水解：在稀酸中，RNA较稳定，DNA易水解。

○2碱水解：在稀碱中，RNA易水解，DNA较稳定。

○3酶解：能水解核酸的酶叫核酸酶，它属于磷酸二酯酶，催化多聚核苷酸的磷

酸二酯键的水解，水解发生在3’端磷酸基用a表示，水解发生在5’端磷酸基用b表示，见书图p84。

二、核酸酶

1.种类：根据水解的位置是从核酸内切，还是从一端开始逐个切，分为内切酶和

外切酶两大类。

内切酶：是从核酸链的内部切割核酸链产生核酸链片段。

外切酶：是从一条核酸链的一端逐个切断磷酸二酯键释放单核苷酸。2.核酸酶的特异性：根据作用底物的特异性不同分为脱氧核糖核酸酶（Dnase）、

核糖核酸酶（Rnase）和非特异性核酸酶三大类。

另外有些酶水解单链，有些水解双链，有些酶水解位点要求

较为严格。

解释以下表2-1的情况，见书p84特殊常见的酶记住

三、限制性内切酶（限制酶）

1.概念：能识别并切开DNA分子上特定核苷酸序列的酶，它是顺序专一性内切酶，

来自原核生物，用于防御或限制分解入侵细胞的外来DNA，原核生物利

用它们独特的限制性内切酶把外来DNA切成无重复性的片段，但它不水

解自身细胞的染色体DNA，因为细胞内还有共座的DNA甲基化酶修饰相

应顺序，使之得以保护。

2.限制酶的种类：根据水解时是否需要ATP、DNA是否需要修饰以及酶切位点的

核苷酸的特点，分为三类，即I、II和III型。

I：需消耗ATP，DNA有修饰，识别位点随机；

III：需消耗ATP，DNA有修饰，识别位点特异；

II：不需消耗ATP，DNA不修饰，识别位点通常是4-6个核苷

酸残基组成的回文结构。

因此II型是被广泛用于分子生物学，原因是因为它的特点。

3.限制酶的切割特性

（1）粘性末端：

限制酶对DNA切割时，由于切口不在同一部位，而是进行交错切割，酶切后产生各自的带有数个互补碱基的单链尾巴和碱基与它互补配对的突出末端，它们可以重新形成碱基配对结构，具有这种粘性末端的不同来源的双链DNA结构能被DNA连接酶连接在一起，形成重组DNA分子。

例如：5’GAATTC——>5’G AATTC 3’

3’CTTAAG——>3’CTTAA G 5’

（2）平末端：

限制酶切割DNA时，若切点在回文结构的中心，这样切割后的DNA片段的末端不留下可以配对的碱基，即末端是平整的，这样结构的DNA片段称为具有平末端的DNA片段。

例如：5’TGG CCA 3’

3’ACC GGT 5’

4.限制酶的命名

用三个斜体字母表示。

同座酶：识别位点和切点都一样的不同酶例如表2-2中p86 HincII 和HindII。

四、限制片段的长度和限制图

1.限制片段的长度

识别四核苷酸序列的限制酶切割DNA产生的DNA片段的平均长度约为250bp,识别六核苷酸序列的限制酶切割的片段平均长度应为4096bp,相当于一个原核生物的基因组大小，因此可以用于克隆,即每4096个核苷酸有一个切点.

2.限制图

（1）概念：各种限制酶切点在某一DNA分子或片断上的排列，由于各酶切位点之间的距离是以碱基对表示的（大的染色体以千碱基对或百万碱基

对表示的），实际上可以计算出两个切点之间的绝对距离，因此限

制图也称物理图。

（2）限制图的实际用途和作法：

a:限制图提供了一个以碱基对为单位距离对DNA分子作图的办法；

b:第一步是单酶切——电泳酶切产物——根据酶切点数计算出切点数——利用标准分子量Marker可以计算出各片断的大小；第二步

是双酶切——电泳分析——推出切点的位置。如果DNA分子一端标

记，则酶切后很容易推出切点位置。

c:举一例子证明。

第八节基因和基因组（主要靠自学）

提示：

一、什么是基因？基因和顺反子的关系？基因包括那几种类型？

二、什么是基因组？ DNA在生物体内的分布情况？

三、真核生物染色体有哪些特征？什么是内含子和外显子？什么是Alu顺序？什

么是卫星DNA?

第九节 DNA超螺旋和染色体结构

一、DNA超螺旋

1.为什么要进行超螺旋？

（1）DNA分子在细胞里是极细长的，必须进行致密的包装折叠才能被细胞所容纳；

（2）复制和转录过程，需要DNA两条链的暂时分开，这种暂时分开也会导致DNA超螺旋的形成。

2.什么是DNA超螺旋？

DNA是以双螺旋的形式围绕着同一轴缠绕的，当双螺旋DNA的这个轴再弯曲缠绕时，DNA就处于超螺旋状态，DNA超螺旋状态是结构张力的表现。超螺旋是DNA三级结构的一个重要特征。

3.大部分细胞的DNA呈负超螺旋，螺旋不足产生的张力可能会以两种方式体现，一个是两条链分开存在，一个是以超螺旋形式存在，而大部分细胞DNA是以超螺旋形式存在的，因为DNA轴再弯曲所需的能量比断裂稳定的碱基对氢键的能量要少得多。

4.如何衡量DNA超螺旋的程度，也就是如何量化DNA超螺旋？

（1）如何用拓扑学的概念来描述DNA超螺旋？

拓扑学研究的是一种物体在不断变形情况下某些不变的性质，如一个DNA分子只要不切断链，无论怎样弯曲，它的拓扑学性质不变。

（2）拓扑连系数的概念？

一个闭合环状DNA分子的连系数，严格上等于没有任何超螺旋情况下的螺旋数，它具有拓扑学性质，因为不管一个闭合环形DNA分子如何缠绕或变形，只要两条链不被切开，螺旋数的值不变。

例如：210bp闭合环形DNA分子，松弛状态，也就是没有超螺旋，则它的连系数是Lk

=210/10.5=20（螺旋数）

设松弛状态的连系数为Lk

。

（3）比连系差：也称为超螺旋密度，为了方便比较不同密度的DNA分子的超螺旋程度，连系数的改变可以用一个不依赖于长度的数量单位表示，即比连

系差。σ=?Lk/ Lk

0=（Lk

-Lk）/ Lk

其中Lk

是DNA处于松弛状态时的连系数，Lk是实际连系数。

例如：σ=-0.10，意味着DNA分子中的10%的螺被旋解开

σ用以衡量DNA超螺旋水平，当为负值时，表示解旋，即螺旋不足造成的超螺旋，叫负超螺旋；当为正值时，表示DNA被过分螺旋，这种过分螺旋导致的超螺旋称为正螺旋。

（4）拓扑连系数可以由两部分组成：Lk=Tw+Wr(Tw和Wr不具有拓扑学性质，随DNA的改变而改变)。Tw指螺旋数，Wr指超螺旋数

（5） DNA拓扑异构酶

a：定义：

能改变DNA分子的拓扑连系数的酶叫DNA拓扑异构酶（即增加或减少DNA 超螺旋程度的酶）。

b：种类：

I型：临时性地切开双链DNA中的一条链，是切口的一端围绕未切链旋转一圈，再重新连接切口，这类酶每次改变拓扑连系数为1；

II型：同时切开DNA的两条链，一次作用改变拓扑连系数为2。

（6）拓扑异构体：

具有不同连系数的同种DNA分子称为这种DNA分子的拓扑异构体。

二、DNA在体内的包装

1.核小体是染色质的基本结构单位

（1）染色体的组成成分：DNA和蛋白质，二者差不多等量，这种蛋白质就是组蛋白。

（2） DNA和组蛋白包装构成核小体。

（3）染色体中的组蛋白的aa组成和种类

a：富含碱性aa， Arg和lys，占1/4。

b：由5种蛋白组成，即H

1、H

2A

、H

2B

、H

3

和H

4

，其中H

3

和H

4

具有高度

的保守性。

（4）核小体的结构

a: 什么是核小体？

它是真核细胞染色质组织的基本单位，有200bp DNA和8个组蛋白分子（其

中H2A、H2B、H3、H4各两分子）构成的蛋白质核心颗粒组成，其中146bp的核心DNA围绕着组蛋白形成左手的线圈型超螺旋，约54bpDNA用于连接两个核小体，称为连接DNA。

b:结构（见图）。

2.核小体的进一步包装形式

（1）包装比：把DNA（或RNA）与包装它的细胞器长度之比称为包装比。

参与下，形成30nm核小体纤维——核小体纤维进一步（2）核小体在组蛋白H

1

缠形成1环——6环为一个梅花结——缠绕核骨架（核骨架由H

和II型

1拓扑异构酶组成）——30个梅花结为一盘——10盘为一个染色单体——真核细胞含2x10盘（两个染色单体）（见书中的图）。