第二章 核酸的结构

第二章核酸的结构与功能一、核酸的种类和化学组成二、核酸的结构三、核酸的理化性质一、核酸的种类和化学组成（一）核酸的种类和分布(deoxyribonucleicacid,)(ribonucleicacid,RNA)脱氧核糖核酸DNA核糖核酸RNA种类信使RNA（mRNA)核糖体RNA（rRNA）转移RNA（tRNA）分布分布DNARNA细胞核（主要）细胞质：叶绿体、线粒体、质粒DNA细胞质（主要）细胞核（核仁）（二）核酸的化学组成成分核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基糖苷键磷酸酯键（核糖或脱氧核糖）嘌呤或嘧啶基本单元基本成分核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖基本单元基本成分1、戊糖核糖脱氧核糖D-2-脱氧核糖D-核糖β-D-核糖的呋喃糖形式β-D-2-脱氧核糖的呋喃糖形式2、碱基嘌呤(purine)嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤稀有碱基(修饰碱基)—甲基化碱基嘧啶环嘌呤环嘧啶(pyrimidine)NNH132456胞嘧啶(cytosine,C)NNHNH2O尿嘧啶(uracil,U)NHNHOO胸腺嘧啶(thymine,T)NHNHOOCH31,3-二氮杂苯2,4(1H,3H)-嘧啶二酮5-甲基尿嘧啶2-羰基-4-氨基嘧啶嘌呤(purine)NNNHN123456789NNNHNNH2腺嘌呤(adenine,A)NNHNHNNH2O鸟嘌呤(guanine,G)咪唑环和嘧啶环3、核苷(ribonucleoside)碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键(C-N键)连接形成核苷（脱氧核苷）。嘧啶核苷：C1′-N1嘌呤核苷：C1′-N9为了与碱基分子中的原子编号相区别，戊糖的碳原子编号都要加上“´”，如1´，5´，2´等均表示核糖上的某个原子。91´11´核苷核糖核苷（核苷）：A、G、C、U脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dA、dG、dC、dT天然核苷：4、核苷酸(ribonucleotide)核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。NNNNNHHNHNHOOOOHOHOHOHCH2H2OPOHOOOH2O碱基磷酸戊糖糖苷键酯键5´1´核苷的糖环上有3个自由羟基，理论上可以酯化分别生成2´-，3´-和5´-三种核苷酸。5'-核苷酸3'-核苷酸2'-核苷酸3'-脱氧核苷酸脱氧核糖核苷的糖环上只有2个自由羟基，能生成3´-和5´-脱氧核苷酸。生物体内游离存在的是5´-核苷酸，构成核酸大分子的也是5´-核苷酸。5'-脱氧核苷酸八种常见核苷酸M/单，D/二，T/三；P-磷酸RNA的名称为单/二/三苷酸，DNA在单/二/三前加脱氧两字。如AMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸）dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）稀有核苷酸与上类似腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶TRNAAMPGMPCMPUMPDNAdAMPdGMPdCMPdTMP碱基monoDNARNA磷酸磷酸磷酸戊糖2-脱氧核糖核糖嘌呤A、GA、G嘧啶C、TC、U核苷酸的衍生物（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸（腺苷三磷酸)O-POO-NNNNNH2OHHOHHOHHOCH2O-POO-O-POO-三磷酸腺苷(ATP)体内代谢能量的直接来源和利用形式AMPADPATP（2）cAMP和cGMP（环状核苷酸）•cAMP3’,5’环腺嘌呤核苷一磷酸•cGMP3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸•——细胞间信使•cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键：pH7.4时水解能约为43.9kJ/mol，比ATP水解能高得多。（3）辅酶类核苷酸一些核苷酸或其衍生物还是重要的辅酶或者辅基的组成成分。如：CoASH、NAD+、NADP+、FMN、FAD等（三）核酸的生物学功能1、DNA：遗传物质，遗传信息的载体。某些病毒RNA也可作为遗传信息的载体。2、RNA参与细胞内DNA遗传信息的表达（蛋白质的合成）。•信使RNA（mRNA)：在蛋白质合成中起着模板作用•核糖体RNA（rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体，是合成蛋白质的场所•转移RNA（tRNA）：在蛋白质合成时起着携带活化氨基酸的作用3、酶作用。二、核酸的结构（一）核酸的一级结构指核酸分子中核苷酸的排列顺序和连接方式。1、核酸分子中核苷酸连接方式。核酸是核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键（一个核苷的3ˊ羟基与另一个核苷的5ˊ羟基与同一分子磷酸酯化,就形成了一个磷酸二酯键）连接构成的大分子。其两个末端分别是：5’-末端（游离磷酸基）3’-末端（游离羟基）。3’,5’-磷酸二酯键H核苷酸数≤50—寡核苷酸(oligonucleotide)核苷酸数≥50—多聚核苷酸(polynucleotide)2、核酸链的表示方法由于脱氧核苷酸之间的差别仅是其碱基的不同，所以DNA分子碱基的排列顺序就代表了脱氧核苷酸的排列顺序。同理，RNA分子碱基的排列顺序就代表了核苷酸的排列顺序。阅读、书写方向：5′3′5ACTGCT3简写式AGP5PTPGPCPTPOH3竖线式5pApCpTpGpCpT-OH3文字式如何区分DNA与RNA?（二）DNA的二级结构1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构。4月25日1、提出双螺旋结构模型的主要依据（1）DNA的X-光衍射图谱分析Franklin衍射斑点呈交叉状分布（说明它是螺旋形，翻转180度之后看起来还是一样，说明两条链是反向的）衍射点之间的距离与层次有0.34nm和3.4nm的周期性图的顶上和底部是最强的衍射斑点，呈带状（说明嘌呤碱和嘧啶碱垂直于螺旋轴，每隔3.4埃规律出现一对）（2）碱基组成分析Chargaff规则所有DNA分子中A=T，G=C同一种生物的所有体细胞DNA的碱基组成相同，与年龄、健康状况、外界环境无关，可作为该物种的特征，用不对称比率(A+T)/(G+C)来衡量。亲缘越近的生物，其DNA的碱基组成越近，即不对称比率越相近。酸碱滴定情况：DNA中的磷酸基可滴定，但碱基上的氨基不能滴定。这说明氨基可能与羰基氧原子形成氢键。DNA中的嘌呤碱基比嘧啶碱基大一些。如果A与T配对，G与C配对，从几何大小和键长键角来看是合适的。这些物理化学测定为Watson-Crick双螺旋模型提供了有关A与T，G与C以氢键配对的依据。（3）DNA的碱基物理化学数据测定2、DNA双螺旋结构（B型）的要点(特点、特征）①由两条反向平行的脱氧多核苷酸链围绕同一中心轴，构成右手双螺旋结构。②两条亲水的“糖-磷酸”单链构成骨架，居双螺旋外侧；疏水的碱基位于双螺旋内侧，并与中心轴垂直。糖环平面与中轴平行。③每圈螺旋含10个核苷酸残基，螺距：3.4nm，直径:2nm。顺轴方向每隔0.34nm有一个核苷酸，两个核苷酸之间的夹角为36°。（以后实测为10.5核苷酸残基，螺距：3.6nm）④一条多核苷酸链上的嘌呤碱基与另一条链上的嘧啶碱基以氢键相连，匹配原则和氢键数：A=T;GC一条链为另一条链的互补链腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶⑤双螺旋结构有两个沟：大沟和小沟。3、影响双螺旋结构稳定的因素①碱基堆集力：碱基堆集成非极性的区域，相互间产生疏水作用和范德华力维持双链纵向稳定性。（稳定的主要因素）3.4A°(1.7A°/嘌呤环与嘧啶环作用半径)由于碱基堆积力，使双螺旋内部形成一个强大的疏水区(碱基呈疏水性)，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响，利于碱基之间形成氢键。这是最主要因素。②碱基对间的氢键:维持双链横向稳定性。GC含量越多，越稳定③静电斥力和离子键（盐键）：磷酸基上的负电荷导致静电斥力不利于双螺旋结构的稳定，磷酸基与介质中的阳离子或组蛋白之间形成离子键则有利于双螺旋结构的稳定。④碱基分子内能：内能大不利于双螺旋结构的稳定。Watson–Crick双螺旋结构模型的生物学意义主要表现在以下两个方面：1.它第一次提出了遗传信息的贮存方式——DNA分子中的碱基顺序。绝大多数生物（包括所有的细胞生物和部分病毒）以DNA分子为遗传物质，只有部分病毒以RNA分子为遗传物质。2.它第一次提出了DNA复制的机理——每一条DNA链的复制都以其互补链为模板。双链DNA复制的示意图每一条链的复制都以其互补链作为模板亲代双链DNA(父母链)新复制的DNA链(子女链)新复制的DNA链(子女链)两个子代双链DNA5′3′4、DNA双螺旋结构的多态性DNA的结构是动态和多态的在生理状态及在溶液中，DNA一般为B型(含水量90％以上，NaCl浓度为2.5M）。当水合的DNA脱水时，转变为A型(含水量75％)。还有Z型的DNA(左手螺旋，0.7MMgCl2)。B-DNAWatson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B构象，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。A－DNA在以钠、钾或铯作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成A－DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。C-DNA以锂作反离子，相对湿度进一步降为66％，DNA分子的X－射线衍射图给出的是C构象。C构象仅在实验室中观察到。Z-DNA1979年美国A·Rich等人发现了左旋DNA（左手DNA双螺旋结构）5、三链DNA第三条链与双螺旋构按Hoogsteen方式配对。Hoogsteen方式配对嘌呤A或者G第6，7位与嘧啶3，4位形成的H键连接。（三）DNA的高级结构（三级结构）三级结构DNA双螺旋进一步扭曲和折叠形成的特定构象。超螺旋是DNA中最常见的三级结构。负超螺旋（表现为右手超螺旋）超螺旋正超螺旋（表现为左手超螺旋）DNA正常的双螺旋结构处于能量最低状态，双螺旋中没有张力而处于松弛状态。如果这种正常双螺旋额外增加或减少螺旋圈数，就会使双螺旋内的原子偏离正常的位置而产生张力，这样正常的双螺旋就发生扭曲而形成超螺旋。超螺旋总是向着抵消初级螺旋改变的方向发展。超螺旋结构分为正超螺旋和负超螺旋两种正超螺旋：对于右手螺旋DNA分子来讲，向右捻，（进一步旋紧）双螺旋结构处于紧缠状态，螺距、每圈螺旋碱基对数减小，DNA分子会形成左旋的超螺旋抵抗外力对双螺旋结构的影响。负超螺旋：对于右手螺旋DNA分子来讲，向左捻，（放松）双螺旋结构处于松缠状态螺距、每圈螺旋碱基对数增大，DNA分子会形成右旋的超螺旋抵抗外力对双螺旋结构的影响。正超螺旋左旋负超螺旋右旋生物体内大多数DNA分子都处于负超螺旋结构。原核生物DNA、真核生物细胞器DNA：DNA环状，直接形成超螺旋结构，或与蛋白质结合再形成超螺旋结构的拟核。螺旋结构。核小体：细胞内DNA与蛋白质结合而成的复合体核小体的化学组成DNA：约200bp组蛋白:H1H2A，H2BH3H4真核生物细胞核DNA：DNA线状，先与蛋白质结合成核小体，再形成超螺旋结构。平均每200bp的DNA绕组蛋白左旋1.8圈，因此真核生物的DNA分子为负超螺旋。（四）RNA的结构•RNA分子一般为单链分子，可自身回折形成局部双螺旋(二级结构)，进而折叠(三级结构)。双链部分符合Watson-Click双螺旋模型。•RNA有较多的茎环（发夹）结构。•不同种类的RNA结构各不一样。酵母tRNA1、tRNA的结构结构特点：1）含有较多的稀有碱基（核苷）（10～２０％）2）二级结构为三叶草形，三级结构为L型TΨC环DHU环三叶草结构模型四臂四环氨基酸接受臂反密码子环二氢尿嘧啶环假尿嘧啶核苷－胸腺嘧啶核糖核苷环①氨基酸接受臂由7对碱基组成，富含鸟嘌呤3’末端有CCA-OH,是携带氨基酸的部位5’末端大多为PG，也有PC②二氢尿嘧啶环•由8～12个核苷酸组成具有两个二氢尿嘧啶•通过3～4对碱基组成的双螺旋区（二氢尿嘧啶臂）分子的其余部分相连③反密码子环•由7个核苷酸组成•环中部为反密码子，由3个碱基组成。•通过由5个碱基组成的双螺旋区（反密码臂）与tRNA的其余部分连接。•反密码子可识别mRNA的密码子④额外环（可变环）•由3～18个核苷酸组成•不同的tRNA具有不同大小的可变环，所以是tR