为什么自然界的超螺旋DNA都是负超螺旋

为什么自然界的超螺旋DNA都是负超螺旋
环DNA（closed circular DNA）没有断口的双链环状DNA,亦称为超螺旋DNA.由于具有螺旋结构的双链各自闭合,结果使整个DNA分子进一步旋曲而形成三级结构.自然界中主要是负超螺旋另外如果一条或二条链的不同部位上产生一个断口,就会成为无旋曲的开环DNA分子.从细胞中提取出来的质粒或病毒DNA都含有闭环和开环这二种分子.可根据两者与色素结合能力的不同,而将两者分离开来.
在双螺旋结构中,没旋转一圈含有10个碱基对处于能量最低的状态,少于10个就会形成右手超螺旋,反之为左手超螺旋.前者称为负超螺旋,后者称为正超螺旋..原核细胞中的DNA超螺旋是在DNA旋转酶作用下,由ATP提供能量形成的环状DNA负超螺旋,真核细胞中的DNA与组蛋白形成的核小体以正超螺旋结构存在

负超螺旋相对正超螺旋更容易解链，就更利于生物体复制或转录。
Ps:极端环境下的嗜热菌的超螺旋DNA是正超螺旋，这样DNA就不易解链。
生物，一切都是为了适应环境而更好地生存！

我们老师讲的那个是错的。超螺旋DNA大部分是正超螺旋，因为这样缠绕更加紧密，体积更小。容易包裹在细胞核中。

双螺旋是DNA的二级结构，如果把双螺旋DNA看作一根绳子，再将其进一步扭曲，就称为超螺旋，即螺旋上的螺旋。超螺旋就是DNA的三级结构，具体情况取决于二级结构。

电话线也有超螺旋结构，引自百度图片

B-DNA以每10个碱基一圈盘绕时能量最低，处于伸展状态；当盘绕过多或不足时，就会出现张力，形成超螺旋。盘绕过多时形成正（右手）超螺旋，盘绕不足时为负超螺旋。因为超螺旋是在双螺旋的张力下形成的，所以只有双链闭合环状DNA和两端固定的线性DNA才能形成超螺旋，有切口的DNA不能形成超螺旋。

无论是真核生物的双链线形DNA，还是原核生物的双链环形DNA，在体内都以负超螺旋的形式存在，密度一般为100-200 bp一圈。DNA形成负超螺旋是结构与功能的需要。

在细胞内DNA的高级结构是动态变化的。通过多种蛋白因子和酶的作用，改变DNA的二级结构和三级结构，是生物功能的需要。DNA的复制、转录、重组、修复，都伴随着其高级结构的变化。在生物体内，改变高级结构有以下三种方法：

在解链酶的作用下，破坏碱基对间的氢键，使DNA局部解链成为单链区，以增加未解链的双链区的盘绕数，从而增加正超螺旋或减少负超螺旋。
通过局部形成Z-DNA（左手）双螺旋，也可增加B-DNA部分的盘绕数，减少负超螺旋。
通过拓扑异构酶切断DNA的一条或两条链，在双螺旋张力的推动下，使断端绕互补链旋转，释放张力后再连接，可消除超螺旋。如果额外消耗能量，也可引入超螺旋。

环状DNA的拓扑异构，引自百度图片

DNA的拓扑结构公式如下：

L=T+W

其中L称为连环数，是一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，必须是整数。缠绕数T是双螺旋周数，W是超螺旋数。T、W可以是小数。超螺旋密度一般在-0.03到-0.09之间。

真核生物的染色体是DNA与蛋白质的复合体，其中DNA的超螺旋结构是多层次的。染色体由染色质细丝经过多次卷曲而成，染色质细丝是由核小体重复单位构成的串珠状结构，而核小体则由DNA和组蛋白构成。

核小体结构，引自百度图片

组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白，有H1、H2A、H2B、H3和H4共5种。后四种各2分子组成核小体的蛋白核心，约140 bp双螺旋DNA（核心DNA）在蛋白核心外绕行1.75圈，共同构成核小体的核心颗粒。核心颗粒之间有约60 bp的连接DNA。1分子组蛋白H1结合在连接DNA的进出部位，将核心DNA固定在核心蛋白外围。

核小体呈扁球形，高约6 nm，直径约11 nm。核小体重复单位约200 bp，长度由68 nm压缩至11 nm。所以第一次超螺旋使直径2 nm的DNA双螺旋变成直径11 nm的染色质细丝，长度压缩6-7倍。

染色体DNA的超螺旋层次

染色质细丝经过再一次超螺旋，形成直径30 nm的染色体粗丝，长度又压缩6倍。第三次超螺旋使粗丝盘绕成直径400 nm的单位纤维，长度压缩40倍。最后由单位纤维折叠形成染色单体，长度压缩4-5倍。这样，经过4次超螺旋，DNA的长度压缩了近万倍（8400倍）。

人类二倍体DNA总量3.3×109bp，全长可达1.75米，DNA分子平均长度在4cm以上。只有经过这样的压缩，才能装入细胞核中。