核酸 结构

第六章核酸二十世纪是二十一世纪是物理学生命科学的世纪的世纪生命是生命=核酸+蛋白质二十一世纪是核酸、蛋白质的世纪？第一节核酸概论一、核酸的发现和研究简史二、核酸的种类和分布（一）脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA)原核：裸露的DNA分子集中于核区真核：细胞核DNA：与组蛋白、非组蛋白形成染色体细胞器DNA：双链环形，一般裸露（二）核糖核酸（ribonucleicacid,RNA)1、转移RNA（transferRNA,tRNA):保守性最强2、核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA)3、信使RNA（mesengerRNA,mRNA)4、特殊功能的RNASmallnuclearRNA,snRNASmallnucleoarRNA,snoRNASmallcytoplasmicRNA,scRNAAntisenseRNARibozymeRNaseP三、核酸的功能（一）DNA是主要的遗传物质1944，O.Avery肺炎双球菌转化实验1952，A.DHershey和M.Chase噬菌体感染实验（二）RNA功能的多样性1、参与蛋白质的合成2、RNA的转录后加工与修饰3、参与基因表达的调控4、生物催化作用第二节核酸的结构核酸（nucleicacid)核苷酸(nucleotide)磷酸(phosphoricacid)核苷(nucleoside)戊糖(pentose)碱基(base)一、核酸的化学组成P479表13-1两类核酸的基本化学组成RNA：D-核糖，A、G、C、U碱基DNA：D-2-脱氧核糖，A、G、C、T碱基（一）、碱基P479结构式1.嘧啶碱：尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶2.嘌呤碱：腺嘌呤鸟嘌呤嘌呤衍生物：3.核酸中的修饰碱基：100余种，多数是甲基化的产物P479表13-2核酸中的稀有碱基（二）、核苷与脱氧核苷1、基本核苷P480结构式腺嘌呤核苷胞嘧啶脱氧核苷★嘧啶碱：C1—N1，嘌呤碱：C1—N9。★核酸中的核苷与脱氧核苷均为β-型★碱基平面与核糖平面互相垂直2、核酸中的稀有核苷★稀有碱基★稀有糖苷键：假尿嘧啶核苷（ψ）P481★甲基化核糖（三）、核苷酸核苷中戊糖C2、C3、C5羟基被磷酸酯化P481结构式：5’-AMP3’-dCMP1、构成DNA、RNA的核苷酸P481表13-4DNA：dAMP、dGMP、dCMP、dTMPRNA：AMP、GMP、CMP、UMP2、细胞内的游离核苷酸及其衍生物①核苷5’-多磷酸化合物ATP、GTP、CTP、ppppA、ppppG在能量代谢和物质代谢及调控中起重要作用。②环核苷酸3’,5’-cAMP，3’,5’-cGMP信号分子，cAMP调节细胞的糖代谢、脂代谢。③核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物ppGpppppGppppApp④核苷酸衍生物HSCoA、NAD+、NADP+、FAD等辅助因子。GDP-半乳糖、GDP-葡萄糖等是糖蛋白生物合成的活性糖基供体。二、DNA的结构一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象。（一）、DNA的一级结构蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3’-核苷酸P482图13-1磷酸二酯酶对核酸的水解作用★DNA是dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通过3’、5’-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体。P483图13-2DNA中多核苷酸的一个片段及缩写符号写法：5’→3’：5’-pApCpTpG-3’，或5’…ACTG…3’★DNA一级结构的不均一性（1）重复序列★正向重复(?repeat)★反向重复（回文序列）(invertedrepeat,palindromesequence)较长的回文结构，可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。转录的终止作用与回文结构有关。★镜象重复（mirrorrepeat)某些情况下可以三股螺旋DNA★高度重复序列（highrepetivesequence,sateliteDNA，SSR)2-10bp/copy105-106copies/genome多为串联重复排列（tandemrepeats)分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧★中度重复序列（middlerepetitivesequence)0.1-1Kb/copy10-104copies/genome多为间隔重复rDNA\tDNA\Histonegenecluster★低拷贝重复：基因家族★单拷贝序列（singlecopysequence)（2）富含AT的序列很多有重要调节功能的DNA区段都富含AT碱基对。特别是在复制起点和转录启动的Pribnow区，富含AT对。（二）、DNA的二级结构1953年，Watson和Crick根据Chargaff规律和DNANa盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。★Chargaff规律1950年a.所有生物的DNA中，A=T，G=C且A+G=C+T。P485表13-5。b.DNA的碱基组成具有种的特异性。c.DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。d.年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。★DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析。Franklin1、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA)P486图13-5★两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’★磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持★每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm，★大沟：宽1.2nm，深0.85nm，小沟：宽0.6nm，深0.75nm★两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5’→3’，另一条3’→5’★磷酸与脱氧核糖彼此通过3‘、5‘-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。★磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持★每圈螺旋10.4nt，碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm，★大沟：宽1.2nm，深0.85nm，★小沟：宽0.6nm，深0.75nm2、稳定双螺旋结构的因素①碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。3、DNA二级结构的多型性P489表13-6A-、B-、Z-DNA的比较相对湿度92%：B—DNA相对湿度75%：A—DNA。（1）B—DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA右手双螺旋每圈螺旋10.4个碱基对螺距：3.32nm（2）A-DNA右手双螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。（3）Z-DNA左手螺旋，外形细长。天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。（4）三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)★第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤T=A:A,C≡G：C+T=A:TC≡G：GP489图13-10三股螺旋DNA中的Hoogsteen-bonding★第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对★当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时可以形成三股螺旋（铰链DNA，hingedDNA,H-DNA)P490图13-11H-DNA的结构★DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。(三）、DNA的三级结构DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象★超螺旋是DNA三级结构的主要形式1、环状DNA的三种典型构象P491图13-12（1）、松弛环形DNA线形DNA直接环化（2）、解链环形DNA线形DNA拧松后再环化（3）、正超螺旋与负超螺旋DNAMOV:PBC\A0267501\supercoilingofDNA2、三种环形DNA的拓扑学特性①连环数（linkingnumber,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数②扭转数（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示③超螺旋数（缠绕数,writhingnumber,W）连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2L=T+W④比连环差（specificlinkingdifference,λ）表示DNA的超螺旋程度(Superhelixdensity)λ=（L—L0）/L0=每一圈初级螺旋（10bp，360°）出现超螺旋数L0是指松驰环形DNA的L值一般天然DNA分子中σ=-0.05=5%负向超螺旋SV405226bpT=522W=-26(L=496)σ=-0.05E.coli4.2X106bpT=4.2X105W=4.2X105X-0.05=-2X104负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起（L），很易解链，易于参加DNA的复制、重组和转录等3、拓扑异构酶改变DNA拓扑异构体的L值。①拓扑异构酶酶I（解旋酶）能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA，每次催化使L值增加1。②拓扑异构酶酶II（促旋酶）能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA，每次催化使L减少2。4、染色体的结构（1）、整个病毒可以看成游离的染色体组成：核酸、蛋白、脂类、糖类基因组：单链或双链的DNA（或RNA），多数环状形状：丝状、多面体状、P493图13-13一些噬菌体的结构（2）、细菌染色体的结构——（拟核，nucleoid)细菌基因组多数为双链环状DNA，与碱性蛋白、RNA结合，形成带有无数突环的刷状染色体P494图13-15细菌的拟核结构（3）、真核生物染色体的结构染色质、染色体常染色质、异染色质永久性异染色质、功能性异染色质核小体（nucleosome):146bp,组蛋白：H2A、H2B、H3、H4P495图13-17真核生物染色体DNA的组装层次MOV：MCB4.0\threedimensionalpackingofnuclearchromosomes三、RNA的结构（一）、RNA的一级结构P483AMP、GMP、CMP、UMP通过3’、5’磷酸二酯键形成的线形多聚体。P484图13-3RNA分子中的一段结构①组成RNA的戊糖是核糖②RNA的U替代DNA中的T，此外，RNA中常有一些稀有碱基。③天然RNA分子都是单链线形分子，只有部分区域是A-型双螺旋结构。（二）、tRNA的结构★70-90b，分子量在25kd左右，沉降系数4S左右★有较多稀有碱基★3’末端为…CCA-OH★5’末端大多为pG…或pC…★二级结构是三叶草形★倒L形的三级结构P496三叶草形的二级结构氨基酸臂二氢尿嘧啶环反密码环额外环TC环（假尿嘧啶环）497倒L形的三级结构★tRNA的功能：●转运氨基酸●识别密码子●参与翻译起始●参与DNA的反转录●参与基因表达调控（三）、mRNA的结构原核：多顺反子（polycistronicmRNA)真核：单顺反子，断裂基因（splitedgene)1、真核mRNA的结构P484图13-4真核mRNA的结构★5’-帽子：