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2.3 DNA的超螺旋结构
作者:生科院    文章来源:西北农林科技大学    点击数:11305    更新时间:2011/4/15
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2.3.1 超螺旋(superhelix or supercoil)的发现

1965年Vinograd等用电镜发现SV40和多瘤病毒的环形DNA的超螺旋。

 

 

绝大多数原核生物DNA都是共价封闭环(covalently closed circle, CCC)分子, 双螺旋环状分子螺旋化成为超螺旋结构。

 

超螺旋是双螺旋DNA进一步扭曲盘绕形成的高级结构。

 

有些单链环形染色体(如φx174)或双链线形染色体(如噬菌体l),在其生活周期的某一阶段,染色体也变为超螺旋结构。

真核生物的染色体多为线形分子,但DNA均与蛋白质相结合,同样具有超螺旋形式。

 

 

2.3.2 超螺旋的形成

DNA双螺旋结构中,一般每转一圈有10个核苷酸对,平时双螺旋总处于能量最低状态。

若正常DNA双螺旋额外地多转或少转几圈,使每一圈的核苷酸数目大于或小于10,就会出现双螺旋空间结构的改变,在DNA分子中产生额外张力。

若此时双螺旋的末端是固定的或是环状分子,双链不能自由转动,额外的张力不能释放,导致DNA分子内部原子空位置的重排,造成扭曲,出现超螺旋。

 

超螺旋是有方向的。绳子的两股以右旋方向缠绕,如果在一端使绳子向缠紧的方向旋转,再将绳子两端连接起来,会产生一个左旋的超螺旋,以解除外加的旋转造成的胁变,这样的超螺旋叫正超螺旋。

如果在绳子一端向松缠方向旋转,再将绳子两端连接起来,会产生一个右旋的超螺旋,以解除外加的旋转所造成的胁变,这样的超螺旋称负超螺旋。

负超螺旋:形成超螺旋时,旋转方向与DNA双螺旋方向相反,旋转结果使DNA分子内部张力减小,称为松旋效应。在自然条件下共价封闭环状DNA呈负超螺旋结构。

正超螺旋:与负超螺旋相反,形成超螺旋时的旋转方向与DNA双螺旋方向相同,结果加大了DNA分子内部张力,有紧旋效应。

 

White在1969年建立了White方程来对超螺旋进行定量描叙,说明环绕数和超螺旋的关系。

L=T+W

L(linking number):链环数或称拓扑环绕数,指DNA中一条链绕另一条链的总次数。L是整数,在不发生链断裂时其值为常数,右手螺旋对L取正值。

 

T(twisting number):缠绕数,即双螺旋的圈数。 T为变量,可以是非整数,右手螺旋时T为正值。

W(writhing number):扭曲数,即超数旋数。W为变量,可以是非整数,右手螺旋时,W取负值。

 

 

 

DNA的超螺旋密度λ

      λ=(L-L0)/L0

L0是指松驰环形DNA的L值

天然DNA的超螺旋密度一般为-0.03~-0.09,平均每100个螺旋出现3-9个负超螺旋。

 

天然的DNA都呈负超螺旋,但体外可得到正超螺旋。由于双链DNA是动态变化的,其负超螺旋的链环数也会有所波动。

负超螺旋会部分地转变为单链泡状结构,这种单链泡状结构也是解除松缠作用造成的胁变的一种途径。当然蛋白质会与这些单链泡状结构结合参与复制活转录。这也许就是为什么在生物内DNA总是采取负超螺旋形式的主要原因。

 

溴化乙锭(ethidium bromide)能与DNA紧密结合,使DNA的密度降低。它插入DNA分子碱基对之间,引起DNA分子松旋,随着EB量的增加,负超螺旋DNA就转变为松弛态;EB的进一步增加,DNA就转变为正超螺旋。

 

 

超螺旋使环状DNA分子变得更致密,在超速离心和在凝胶电泳中的迁移速度都增加。

琼脂糖凝胶电泳可将超螺旋仅差一圈的DNA分离开。

真核生物中,DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时,存在着负超螺旋。

DNA超螺旋是由DNA拓扑异构酶产生的。

 

不同类型DNA的高级结构及性质

 

 

坍缩DNA(collapsed DNA):当闭合环超螺旋变成闭合环松弛形DNA时,经碱变性或热变性使其氢键断裂,但两条链无法分离,结果生成两条链紧密缠结的分子。坍缩DNA具有很高的沉降常数,相对沉降常数约3.0。

单链环状DNA:相对沉降常数大约为1.14。

线性单链DNA:相对沉降常数为1.30。

环连DNA (catenated DNA):在DNA复制过程中的产物或由拓扑异构酶催化生成,由两个以上环形DNA分子环连而成。

 

闭合环超螺旋DNA对于温度和碱性pH有较强的抵抗力,不容易发生变性。这样,可以寻找一个临界条件,使闭合环松弛形和开环松弛形DNA发生变性.而闭合环超螺旋DNA不变性或很少变性。很多分离或鉴定闭合环超螺旋形DNA的方法都是依据其特性而设计的。

 

2.3.3 超螺旋的意义

①超螺旋形式是DNA分子复制和转录的需要;

生物体内DNA结构是处于动态之中。超螺旋的引入就提高了DNA的能量水平,而超螺旋程度的改变介导了DNA结构的变化。即超螺旋多余的能量可能使DNA双股链分开,或局部熔解。这种结构上的变化对DNA分子复制和转录等的启动很重要。

②超螺旋可使DNA分子形成高度致密的状态从而得以容纳于有限的空间。

E.coli的DNA的总长度是其细胞长度的100倍, 由于它的DNA存在着超螺旋才能包装成类核(nucleoid)。

 

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