【3.3.1】DNA的三级结构

DNA的三级结构主要是在双螺旋的基础上再形成更高一级的螺旋,即超螺旋(supercoil)。

绝大多数原核生物的DNA,不管是细菌还是古菌都是共价封闭环(covalently closed circle,cccDNA)的形式存在。这种双螺旋环状分子再度螺旋化,即成为超螺旋结构(supercoil)。对于真核生物来说,虽然DNA多为线形分子,但在生理状态下DNA与蛋白质(如组蛋白)结合或相互作用的时候,特别在与骨架蛋白的结合点之间的DNA形成一个环结构,类似于cccDNA,同样也能形成超螺旋结构。

超螺旋DNA可以通过琼脂糖凝胶电泳的方法与松弛型DNA区分开来,因为前者泳动的速度要快!一种纯化的质粒DNA在电泳的时候,一般会有3个条带:跑在最前面的是超螺旋质粒DNA,中间的是两条链均被切开的线状质粒,最慢的是具有单链缺口的环状质粒。如果将超螺旋质粒DNA用拓扑异构酶处理后再电泳,可以得到一序列的条带。这是拓扑异构酶作用得到的超螺旋程度不同的质粒,跑在最前面的是超螺旋程度最高的质粒DNA,跑得最慢的完全松弛的质粒DNA,相邻的条带相差1个超螺旋,条带的数目与超螺旋数相同。

超螺旋是有方向的,有正超螺旋和负超螺旋两种。为了说明超螺旋的方向,我们可以用一根两股以右旋方向缠绕的细绳做下述实验:如果在一端使绳子向紧缠方向(overwinding)捻转,再将绳子两端连接起来,则会产生一个左旋的超螺旋以解除外加的捻转造成的胁变。这样的超螺旋叫做正超螺旋;相反如果在绳子一端向松缠方向(underwinding)捻转,再将绳子两端连接起来,则会产生一个右旋的超螺旋以解除外加的捻转所造成的胁变,这样的超螺旋叫做负超螺旋。正超螺旋不利于DNA解链,而负超螺旋则有利于解链,因此负超螺旋 有利于DNA复制

对于右手螺旋DNA分子来说,每一圈螺旋由10个碱基对组成。如果每圈初级螺旋的碱基对数小于10.5,则其二级结构处于紧缠状态,由此而产生的超螺旋就是正超螺旋,如果每圈初级螺旋的碱基对数大于10.5,则其二级结构处于松缠状态,由此而产生的超螺旋就是负超螺旋。

所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶(DNA topoisomerase)产生的。DNA拓扑异构酶催化的反应很多,其反应本质是先切断DNA的磷酸二酯键,改变DNA的链环数之后再连接,所以兼有DNA内切酶和DNA连接酶的功能。然而它们并不能连接事先已经存在的断裂DNA,即其断裂反应与连接反应是相互偶联的。

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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