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下一节:Discussion C1-L4

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Video C1-L4 Supercoiled DNA课程教案、知识点、字幕

知之为知之

不知为不知

螺旋之螺旋

谓之超螺旋

我们已经了解了

DNA的双螺旋结构

以及其他各种二级结构

这堂课我们来看一下

DNA的三级结构

DNA的三级结构是指

在一 二级结构的基础上

多聚核苷酸链的卷曲

它包括了链的扭结 超螺旋等等

而本节我们来看一下最为常见

以及最为重要的DNA的超螺旋

DNA的超螺旋

英文名称为supercoiling

是指在细胞内特定的离子浓度

pH条件

以及拓扑异构酶的作用下

闭合 环状 双链DNA分子

紧密卷曲而形成的三级结构

细胞内的DNA的超螺旋结构

可以通过电镜观察

以及凝胶电泳的方法来进行检测

左图上方是我们的

松弛型环状DNA电镜的结构

而左图下方就是我们的

超螺旋DNA在电镜下的图片

通过凝胶电泳的方法

我们可以看到环形超螺旋结构

它具有最快的电泳迁移率

而环形松弛型DNA

它的电泳迁移率是最慢的

线性松弛型DNA

它的电泳迁移率居中

用这种方法

我们就可以实现

对DNA超螺旋的分离和检测

按照超螺旋的方向

我们可以把DNA超螺旋分为

正超螺旋和负超螺旋

正超螺旋是指超螺旋的方向

与双螺旋的方向相反

而负超螺旋是指超螺旋的方向

与双螺旋的方向相同

对于B型双螺旋

它本身是一个右手螺旋

当我们在B型双螺旋上

施加右旋的力量使旋转变紧

我们的环状DNA

为了平衡额外的力量会形成

与双螺旋方向相反的超螺旋

这种超螺旋就被称为正超螺旋

同理

当我们给B型双螺旋上

施加左旋的力量使它的旋转变松

我们的环状DNA

同样为了平衡压力

就会形成与我们的B形双螺旋

相同方向的超螺旋

这种超螺旋方向与双螺旋方向

相同的情形

这种方向的超螺旋

我们就称之为负超螺旋

相同相反 相反相同

天哪 我都分不清楚了

那我们就来一起

看一看搓麻绳的视频

你们也可以一起来做一做哦

需要注意的是

几乎所有生物中

天然的DNA都是负超螺旋的哦

DNA的超螺旋

可以用两个公式来表达

第一个公式就是1968年由

Vinagrad提出来的Vinagrad公式

γ=β-α

这里的α指的是初级螺旋圈数

它是由

我们DNA链的长度来决定的

而β指的是

连接数linking number

它是指我们的双链DNA之间

所交叉的个数

而γ就是指我们的超螺旋数了

在描述Vinagrad

研究工作的这篇论文中

我们可以看到Vinagrad首先对

闭合环状DNA的特性进行研究

从电镜结果中他发现

对于DNA分子而言

由DNA链长度

所决定的螺旋圈数

是DNA分子

最稳定化学状态下的螺旋圈数

即我们所说到的初级螺旋圈数

一旦DNA分子被旋紧或旋松

也就是说分子间双链间的

交叉数增加或者减少

整个环状闭合DNA分子

就会产生扭曲的结构

来保证总的螺旋数不变

即总是等于我们的初级螺旋圈数

由此他提出了

我们上面提到的公式

γ=β-α

另一个用来描述超螺旋的

是超螺旋密度Sigma

Sigma用公式表示为σ=γ/α

它的含义就是每一个初级螺旋圈数中所能包含的超螺旋的个数

这里我们要注意

大多数的DNA分子

都有5%的负超螺旋哦

DNA的超螺旋还有一些特性

首先

超螺旋是闭合环状 DNA的特点

一旦环状DNA的

单链或者双链被断开

它的超螺旋就会被释放

其次

拓扑异构酶参与了

DNA超螺旋的调控

而由拓扑异构酶调控的DNA超螺旋

参与到了细胞复制等

各各重要的生命过程

因此具有非常重要的

生物学意义

最后希望大家记住

大多数的DNA通常都是

以负超螺旋的状态存在的

可以看到

DNA的超螺旋程度

是由拓扑异构酶来调控的

拓扑异构酶的概念是指能够调控

DNA拓扑异构体之间转换的酶

也就是说拓扑异构酶能够

改变DNA的螺旋性

细胞内有两类拓扑异构酶

分别是

拓扑异构酶1

和拓扑异构酶 2

拓扑异构酶1的功能是

消除负超螺旋

它会作用于单链DNA分子上

每作用一次消除一个负超螺旋

因此不需要能量的提供

拓扑异构酶2呢

是作用于双链DNA分子的

任何部位

每作用一次它会产生

两个负超螺旋

因此它需要 ATP来 提供能量

拓扑异构酶1的

作用原理如图所示

我们可以看到

拓扑异构酶1利用

其络氨酸残基上的羟基

攻击并切断DNA单链上的

磷酸二酯键

并连接在DNA链的5’端

随后它带领着DNA的5’端

绕过另一条未被切断的单链

利用贮藏水解磷酸二酯键的能量

将断头连接起来

这样我们的一个负超螺旋

就被释放了

在大肠杆菌中

拓扑异构酶2又称为

DNA gyrase即促旋酶

它往往是在解旋酶解开

DNA双链形成DNA链上的

正旋压力后

破坏正超螺旋形成

负超螺旋来平衡扭力的

从这幅图我们可以看到

促旋酶的作用原理

促旋酶有两个α亚基

和两个β亚基

具有一个正超螺旋的DNA链

会首先缠绕在我们的促旋酶上

利用ATP提供的能量

切开我们的DNA双链

而DNA双链两端的5’端会

分别与我们的亚基相结合

在我们亚基的带领下

绕过切口并重新连接

重新连接之后的DNA它释放了

正超螺旋而形成了一个负超螺旋

在我们的促旋酶中

我们的α亚基具有

磷酸二酯酶的活性

而我们的β亚基具有

ATP酶的活性

而这幅图给出了质粒DNA

在促旋酶的作用下形成了

负超螺旋的凝胶电泳结果

可以看到

随着促旋酶的增加

我们的DNA形成了具有较高的

电泳迁移率的负超螺旋结构

真核生物中拓扑异构酶2

不仅可以用来释放正超螺旋

形成负超螺旋

还可以用来解开耦合的

两个环状DNA

这幅图给出了一种

strand passage即断裂双链

绕过另一条DNA双链的机制

可以看到我们的拓扑异构酶2

在Mg离子存在的情况下

切割了DNA双链

并在DNA双链两端

形成了磷酸络氨酸

随后ATP的结合使得

酶上端的开口闭合

而闭合的夹子结构俘获了

另外一条双链DNA T

并促进T通过G的切口

在通过G的切口之后

我们的双链DNA T通过

酶下端的羧基端

离开了我们的拓扑异构酶

从而实现了G绕过T的全过程

在这一过程中

第一次ATP的水解促进了

T通过G的切口

而第二次ATP的水解帮助

酶上端的开口重新打开

用来释放我们的双链DNA G

这节课我们介绍了超螺旋的概念

表达方式以及拓扑异构酶的调控

下堂课让我们一起来看一看

DNA的变性

复性

和核酸杂交技术

Basic Molecular Biology 课程列表:

Chapter 1 The material basis of genetic information

- C1-Lecture 1 The past and present journey of molecular biology

--Key points C1-L1 The past and present journey of molecular biology

--Video-C1-L1 The past and present journey of molecular biology

--Discussion C1-L1

--Lecture 1-Homework

-C1-Lecture 2 The nature of genetic material

--Key points C1-L2 The nature of genetic material

--Video-C1-L2 The nature of genetic material

--Discussion C1-L2

--C1-Lecture 2-Homework

-C1-Lecture 3 Amazing DNA double helix

--Key points C1-L3 Amazing DNA double helix

--Video C1-L3 Amazing DNA double helix

--Discussion C1-L3

--C1-Lecture 3-Homework

-C1-Lecture 4 Supercoiled DNA

--Key points C1-L4 Supercoiled DNA

--Video C1-L4 Supercoiled DNA

--Discussion C1-L4

--C1-Lecture 4-Homework

-C1-Lecture 5 Denaturation, renaturation and hybridization

--Key points C1-L5 Denaturation, renaturation and hybridization

--Video C1-L5 Denaturation, renaturation and hybridization

--Discussion C1-L5

--C1-Lecture 5-Homework

-C1-Lecture 6 Nucleic acids extraction and gel electrophoresis

--Key points C1-L6 Nucleic acid extraction and gel electrophoresis

--Video C1-L6 Nucleic acid extraction and gel electrophoresis

--Discussion C1-L6

--C1-Lecture 6-Homework

-Chapter 1 Test

-Learning resources

--Web resources

-- References

Chapter 2 From gene to chromosome

-C2-Lecture 1 Genome does not equal to chromosome

--Key points C2-L1 Genomes are not equal to chromosomes

--Video C2-L1 Genomes are not equal to chromosomes

--Discussion C2-L1 Genomes are not equal to chromosomes

--C2-Lecture 1-Homework

-C2-Lecture 2 Nucleosomes and their Assembly

--Key points C2-L2 Nucleosomes and their Assembly

--Video C2-L2 Nucleosomes and their Assembly

--Discussion C2-L2 Nucleosomes and their Assembly

--C2-Lecture 2-Homework

-C2-Lecture 3 Higher order chromatin structure

--Key points C2-L3 Higher order chromatin structure

--Video C2-L3 Higher order chromatin structure

--Discussion C2-L3 Higher order chromatin structure

--C2-Lecture 3-Homework

-C2-Lecture 4 Chromatin modification and remodeling

--Key points C2-L4 Chromatin modification and remodeling

--Video C2-L4 Chromatin modification and remodeling

--Discussion C2-L4 Chromatin modification and remodeling

--C2-Lecture 4-Homework

-Chapter 2 Tests

-Learning resources

--Web resources

--References

Chapter 3 Who is in pairs? DNA replication

-C3-Lecture 1 Semiconservative DNA replication

--Key points C3-L1 Semiconservative DNA replication

--Video C3-L1 Semiconservative DNA replication

--Discussion C3-L1 Semiconservative DNA replication

--C3-Lecture1 Homework

-C3-Lecture 2 The mechanism of DNA polymerase

--Key points C3-L2 The mechanism of DNA polymerase

--Video C3-L2 The mechanism of DNA polymerase

--Discussion C3-L2 The mechanism of DNA polymerase

--C3-Lecture 2-Homework

-C3-Lecture 3 Process of DNA replication

--Key points C3-L3 Process of DNA replication

--Video C3-L3 Process of DNA replication

--Discussion C3-L3 Process of DNA replication

--C3-Lecture 3-Homework

-C3-Lecture 4 Regulation of DNA replication initiation

--Key points C3-L4 Regulation of DNA replication initiation

--Video C3-L4 Regulation of DNA replication initiation

--Discussion C3-L4 Regulation of DNA replication initiation

--C3-Lecture 4-Homework

-C3-Lecture 5 The end replication problem and telomere

--Key points C3-L5 The end replication problem and telomere

--Video C3-L5 The end replication problem and telomere

--Discussion C3-L5 The end replication problem and telomere

--C3-Lecture 5-Homework

-C3-Lecture 6 Let’s “cook” DNA

--Video C3-L6 Let’s “cook” DNA

--Discussion C3-L6 Let’s “cook” DNA

--C3-Lecture 6-Homework

- Chapter 3 Tests

-Learning resources

--Web resources

--References

Chapter 4 DNA mutation and repair

-C4-Lecture 1 Replication errors and the mismatch repair system

--Key points 4-1 Replication errors and the mismatch repair system

--Video 4-1 Replication errors and the mismatch repair system

--Discussion 4-1 Replication errors and the mismatch repair system

--C4-Lecture 1-Homework

-C4-Lecture 2 DNA damage

--Key points 4-2 DNA damage

--Video 4-2 DNA damage

--Discussion 4-2 DNA damage

--C4-Lecture 2-Homework

-C4-Lecture 3 DNA Repair

--Key points 4-3 DNA Repair

--Video 4-3 DNA Repair

--Discussion 4-3 DNA Repair

--C4-Lecture 3-Homework

-C4-Lecture 4 DNA Homologous Recombination

--Key points 4-4 DNA Homologous Recombination

--Video 4-4 DNA Homologous Recombination

--Discussion 4-4 DNA Homologous Recombination

--C4-Lecture 4-Homework

-C4-Lecture 5 Changing the natural gene sequences

--Key points 4-5 Changing the natural gene sequences

--Video 4-5 Changing the natural gene sequences

--Discussion 4-5 Changing the natural gene sequences

-Chapter 4 test

- Learning resources

--Web resources

--References

--References

Chapter 5 Transcription in prokaryotes

-C5-Lecture 1 RNA polymerase

--Key points 5-1 RNA polymerase

--Video 5-1 RNA polymerase

--Discussion 5-1 RNA polymerase

--C5-Lecture 1-Homework

-C5-Lecture 2 Transcription process in prokaryotes

--Key points 5-2 Transcription process in prokaryotes

--Video 5-2 Transcription process in prokaryotes

--Discussion 5-2 Transcription process in prokaryotes

--C5-Lecture 2-Homework

-C5-Lecture 3 Transcriptional regulation in bacterial I: Lac operon

--Key points 5-3 Transcriptional regulation in bacterial I: Lac operon

--Video 5-3 Transcriptional regulation in bacterial I: Lac operon

--Discussion 5-3 Transcriptional regulation in bacterial I: Lac operon

--C5-Lecture 3-Homework

-C5-Lecture 4 Transcriptional regulation in bacterial II: Tryptophan operon

--Key points 5-4 Transcriptional regulation in bacterial II: Tryptophan operon

--Video 5-4 Transcriptional regulation in bacterial II: Tryptophan operon

--Discussion 5-4 Transcriptional regulation in bacterial II: Tryptophan operon

--C5-Lecture 4-Homework

-Chapter 5 Test

-Learning resources

--References

Chapter 6 Transcription in eukaryotes

-Lecture 1 Eukaryotic RNA polymerase and promoter

--Key points 6-1 Eukaryotic RNA polymerase and promoter

--Video 6-1 Eukaryotic RNA polymerase and promoter

--Discussion 6-1 Eukaryotic RNA polymerase and promoter

--C6-Lecture 1-Homework

-Lecture 2 Transcription process in eukaryotic cell

--Key points 6-2 Transcription process in eukaryotic cell

--Video 6-2 Transcription process in eukaryotic cell

--Discussion 6-2 Transcription process in eukaryotic cell

--C6-Lecture 2-Homework

-Lecture 3 Transcription factors of eukaryotic cell

--Key points 6-3 Transcription factors of eukaryotic cell

--Video 6-3 Transcription factors of eukaryotic cell

--Discussion 6-3 Transcription factors of eukaryotic cell

--C6-Lecture 3-Homework

-Lecture 4 Epigenetic Regulation of gene expression

--Key points 6-4 Epigenetic Regulation of gene expression

--Video 6-4 Epigenetic Regulation of gene expression

--Discussion 6-4 Epigenetic Regulation of gene expression

--C6-Lecture 4-Homework

-Chapter 6 Test

-Learning resources

--Web resources

--References

Chapter 7 RNA Processing

-Lecture 1 RNA splicing

--Key points 7-1 RNA splicing

--Video 7-1 RNA splicing

--Discussion 7-1 RNA splicing

--C7-Lecutre 1-Homework

-Lecture 2 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA

--Key points 7-2 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA

--Video 7-2 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA

--Discussion 7-2 Cotranscriptional processing of nuclear pre-mRNA

--C7-Lecture 2-Homework

-Lecture 3 One gene one protein? Alternative RNA splicing

--Key points 7-3 One gene one protein? Alternative RNA splicing

--Video 7-3 One gene one protein? Alternative RNA splicing

--Discussion 7-3 One gene one protein? Alternative RNA splicing

--C7-Lecture 3-Homework

-Lecture 4 “Seeing” RNA

--Key points 7-4 “Seeing” RNA

--Video 7-4 “Seeing” RNA

--Discussion 7-4 “Seeing” RNA

-C7-Lecture 4-Homework

-Chapter 7 Test

-Learning Resources

--References

Chapter 8 Protein Synthesis, translation

-Lecture 1 Genetic codons and ribosome

--Key points 8-1 Genetic codons and ribosome

--Video 8-1 Genetic codons and ribosome

--Discussion 8-1 Genetic codons and ribosome

--C8-Lecture 1-Homework

-Lecture 2 Process of translation

--Key points 8-2 Process of translation

--Video 8-2 Process of translation

--Discussion 8-2 Process of translation

--C8-Lecture 2-Homework

-Lecture 3 Regulation of gene expression at Translational level

--Key points 8-3 Regulation of gene expression at Translational level

--Video 8-3 Regulation of gene expression at Translational level

--Discussion 8-3 Regulation of gene expression at Translational level

--C8-Lecture 3-Homework

-Lecture 4 Looking for your protein

--Key points 8-4 Looking for your protein

--Video 8-4 Looking for your protein

-Chapter 8 Test

-Learning resources

--References

--Life Cycle of an mRNA

--mRNA procesiing

--Protein synthesis

--SDS-PAGE

Final Exam

-Final Exam

Video C1-L4 Supercoiled DNA笔记与讨论

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