核酸结构的多样性

1第二章核酸结构的多样性2大量的研究表明，核酸是动态分子，可在不同的结构状态间变换，即在不同的条件下，核酸的分子结构可有所不同。3在生物系统中，影响或导致核酸结构多样性的因素很多，大致可以归纳为：组成核酸链的核苷酸顺序核苷酸主链的静电相互作用和主链构象碱基间的氢键相互作用、共平面相互作用和堆积相互作用，以及修饰碱基的影响精细结构大分子、小分子和金属离子等的影响溶剂在系统条件下，自组织和调节控制的作用遗传因素4第一节单链核酸分子的结构形态在活细胞中，经转录生成的新生RNA分子除极个别外，是单股多核苷酸链，其分子内部有部分碱基可通过配对而形成局部的小双链区，并与其附近未配对的碱基（单链区）构成所谓的发夹式结构（hairpinstructure）。DNA发夹结构56RNA是边形成边折叠的。对于单链核酸分子的结构形态，更复杂的情形是由于同聚核苷酸也能以单链螺旋的形式存在。在溶液中，它们显示出一种局部有序的结构。但是，如果核苷酸未能保持其标准构象，则局部有序结构不能形成。同聚核苷酸不仅是合成的模型系统，它们也见于大约200个核苷酸长度构成的、天然的多聚A的伸展形态，并共价地键合到多分散的核RNA的3’端，动物细胞的mRNA和许多动物病毒中。78第二节双链核酸分子的结构形态双链核酸分子的结构形态可分为环状和线状两类。真核细胞中的DNA通常是线状的，即2条主链都有终端有一些DNA（特别是许多病毒和细菌的DNA）则是环状的，其两条主链闭合成圈。环状DNA的轴线可以打结，交叉点不超过6的纽结已经在实验中观察到。环状DNA分子间可以构成链环而不能分离。生物化学家已经能够确定环状双链DNA分子的环绕数和绞拧数。91011在细胞中，DNA的结构形态最主要的是右手双螺旋，及双螺旋基础上的超螺旋，其他形态仅占很小的比例。12第三节三链核酸分子的结构形态13141516根据构成三链DNA的结构单元不同，可以将其分为2种基本类型：嘧啶－嘌呤－嘧啶型和嘌呤－嘌呤－嘧啶型。他们在第三链的组成序列、各条链的相对方向、3条链的位置和碱基相互作用等各方面都存在差别。1718一、嘧啶－嘌呤－嘧啶类三链结构（Py－PuPy）寡聚嘧啶以平行于Watson－Crick双螺旋嘌呤链的方向，在双螺旋的大沟中，专一性的与双螺旋的嘌呤相结合。其专一性体现在T对A-T碱基对的识别（T-TA三碱基体），以及质子化的C（C+）对G-C碱基对的识别（C+－GC三碱基体）。A=T·TG≡C·C19二、嘌呤－嘌呤－嘧啶类三链DNA（Pu-PuPy）富含嘌呤的寡聚脱氧核糖核苷酸以反平行于W-C双螺旋嘌呤链的方向，在双螺旋的大沟中，专一性的与双螺旋的嘌呤链结合。其专一性体现在G对G-C的识别（G-GC三碱基体），以及A对A-T对的识别（A-AT三碱基体）。2021构成三链DNA结构的基础归纳起来是：由两条极性相反的单链脱氧核苷酸按互补的配对方式结合而形成的双螺旋，沿大沟存在多余的氢键给体和受体，这些暴露于周围环境的氢键给体和受体，可以和专一性的结合分子（如蛋白质等）发生相互作用，形成专一性的化合物；也可以与双螺旋DNA分子结合形成三链DNA。实际上，正是由于双螺旋中大沟的存在为第三股DNA缠绕到双螺旋上形成三链DNA提供了结构基础。2223第四节分支的三链核酸复合物在具有生物活性的单链核酸中，三向接合（three－wayjunction）是最简单的和普遍存在的分支结构。例如大的核糖体RNA和锤头状核酶（hammerheadribozyme）就含有三向接合结构。值得注意的是，几乎所有锤头状核酶都有未配对的4个核苷酸，它可由DNA类似物取代，但仍有酶活性。三向接合看来具有构象柔性，天然发生的三向接合中未配对核苷酸是不变的，它有稳定三向接合形成的作用。2425第五节四链核酸分子的结构形态四链DNA分子的结构最初是对带有端粒重复序列的DNA大片段形成聚合物进行研究。Oka等在体外合成了Oxytricha（尖毛虫属）大核DNA的端粒部分，并提出了3种分子间结构的模型，其中有2种分别为平行与反平行四螺旋。其后更多的从寡聚DNA片段得到了多种多样的结构。2627体外实验表明，富含G单链可以形成多种稳定的G4结构。G四碱基体为对称排列，当由4个DNA分子聚合而成时，主链为平行走向，形成右手螺旋，且所有核酸为反式构象，糖环为C2’－endo构象，4条链对等，有4个相同的沟。每一条链的构象都具有B-DNA特征。当由2个DNA链分别折叠为发夹而形成的结构则为反平行的，其环区为T，而G形成四螺旋体。对边缘二体而言，其糖苷键沿每一条链均为交替的anti核syn构象，四碱基体中相邻的2个G为anti，另外2个为syn，从而形成一个大沟、一个小沟和两个中沟。28对于分子内四体，每条链仍为交替anti、syn构象，但每四个碱基体中位于对角线上的2个G为anti，另一对为syn，形成2个大沟和2个小沟。当由单链折叠形成四链时，每2个相邻的链均为反平行，其构象为syn对anti。Venczel等推测其形成过程为先形成发夹结构，而后再折叠形成四链。每一层四碱基体的anti－syn构象同分子内四体，因而也有2个大沟和2个小沟，其骨架为2次旋转对称。293031第六节非线型多支链结构核酸结构的多态性除了以上介绍的各种结构形态外，还存在着多种非线型多支链结构，如在Mg+存在的情况下，DNA分子形成一种非对称的三臂分支结构，并且这样的结构又可以Y-结构和T－结构形式存在32第七节多聚核苷酸右手螺旋：A型和B型在不同条件下，不同的天然和合成RNA和DNA的双螺旋结构形态表示为A,A’,B,α-B’,β-B’,C,C’,C”,D,E和Z。A到Z表示基本的结构多态性。前缀α和β只是表示与晶格对称性有关，但包装不同。附加的符号表示一种类型的结构内小的差别。一般的，单链，双链，三链，四链的右手DNA和RNA螺旋可分为A型和B型两大类。3334A和B型多聚核苷酸螺旋的主要区别取决于糖的折叠模式，A族为C3’－endo，而B族为C2’－endo（或相当于C3’－exo）。糖的不同折叠意味着相同的多聚核苷酸链中邻接的磷酸间在距离上的差异，对于C2’－endo和C3’－endo构象，其距离范围分别为0.59nm和0.7nm。碱基对的倾斜方向θT与糖的折叠有关。θT在A型螺旋中是正的，而在B型螺旋中则是负的。倾斜角结合右手螺旋的螺旋方向的差异导致相邻碱基间堆积重叠的改变。35A－DNA中每个残基的上升高度h比B-DNA中的变化大，而每个残基的旋转则显示出相反的趋势。一般来讲，A型Watson－Crick双螺旋中，每个残基的h在0.259-0.329nm的范围，并且与从一个碱基到下一个碱基的相对小的旋转变化（30.0-32.7。）有关。然而，在B型双螺旋中，从B到D-DNA，h都相当恒定，其变化仅从0.303-0.337nm，而每个残基的旋转变化范围较大（36-45。）36因此，A型双螺旋的整体形貌是相当一致的，而B型DNA的变化则大。A族多聚核苷酸服从于结构的保守性。B族多聚核苷酸表现出结构的多样性。属于B族的螺旋结构仅在各种DNA中见到，RNA不存在。与A族双螺旋比较，包括B,C和D－DNA等组成的B族双螺旋表现出更大的结构变动。主要原因是A和B型双螺旋在宏观上的排列方式，在A型中允许低缠绕（11－12），而B型螺旋可高缠绕（10－8），碱基对位错和沿螺旋表面的大沟和小沟则是决定结构特征的重要因素。37不同右手螺旋DNA的结构参数双螺旋碱基倾碱基夹碱基间距螺距每轮碱小沟宽／nm×大沟宽nm×角／（°）角（°）/nm／nm基数小沟宽nm大沟宽nmB-DNA036.00.3373.4100.57×0.751.17×0.85C-DNA638.00.3313.19.30.48×0.791.05×0.75D-DNA45.00.3030.13×0.670.89×0.58A-DAN2032.70.2562.8111.10×0.280.27×1.35