第六章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、第六章第六章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能核酸的結(jié)構(gòu)與功能一、核酸的分類二、核酸的一級結(jié)構(gòu)三、核酸的高級結(jié)構(gòu)1.DNA的高級結(jié)構(gòu)2.RNA的高級結(jié)構(gòu)四、核酸與蛋白質(zhì)的相互作用1.DNA與蛋白質(zhì)形成的復合體2.RNA與蛋白質(zhì)形成的復合體五、核酸的功能核酸的分類核酸的分類?DNA 一種類型，一種功能 ?RNA 多種類型，多種功能 編碼RNA和非編碼 (NcRNA) DNA和和RNA的結(jié)構(gòu)異同的結(jié)構(gòu)異同為什么為什么DNA的第四個堿基通常是的第四個堿基通常是T? LC自發(fā)脫氨基變成UL修復酶能夠識別這些突變，以用C取代這些U。L如何區(qū)分正常的U和突變而來的U? L使用T就很容易解決以上問題。CU為什么為什么DNA

2、 2-脫氧，脫氧，RNA不是不是? LRNA臨近的-OH使其更容易LDNA缺乏2-OH更加穩(wěn)定 L遺傳物質(zhì)必須更加穩(wěn)定LRNA需要的時候合成，不需要的時候需要迅速降解。為什么為什么RNA通常單鏈，通常單鏈，DNA通常雙鏈？通常雙鏈？RNA處于單鏈狀態(tài)，使其能夠自我折疊成可以和蛋白質(zhì)相媲美的各種類型的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)，這是形成RNA結(jié)構(gòu)多樣性的基礎，否則所有的RNA與DNA一樣，只能形成千篇一律的雙螺旋。RNA在三維結(jié)構(gòu)的多樣性使其在細胞內(nèi)能行使多項生物學功能。DNA通常是雙鏈的，使其能夠充分地行使作為遺傳物質(zhì)這項唯一的功能 不同類型的不同類型的RNA的功能和分布的功能和分布不同類型的不同類型

3、的RNA的功能和分布的功能和分布核酸的一級結(jié)構(gòu)核酸的一級結(jié)構(gòu)定義：核苷酸或堿基的排列順序?qū)懛ǎ簭淖蟮接遥?端到3端意義：DNA一級結(jié)構(gòu)貯存各種遺傳信息構(gòu)成構(gòu)成DNA和和RNA核苷酸的結(jié)構(gòu)和連接方式核苷酸的結(jié)構(gòu)和連接方式DNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)DNA的二級結(jié)構(gòu)主要是各種形式的螺旋，特別是B-型雙螺旋，此外還有A-型雙螺旋、Z-型雙螺旋、三鏈螺旋和四鏈螺旋等Happy Birthday,Double Helix MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS: A STRUCTURE FOR DEOXYRIBOSE NUCLEIC ACID (NATURE, APRIL

4、 25, 1953. VOLUME 171:737-738.) ?The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases. The (bases) are joined together in pairs, a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chain, so that

5、the two lie side by side.One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur. .Only specific pairs of bases can bond together. These pairs are: adenine (purine) with thymine (pyrimidine), and guanine (purine) with cytosine (pyrimidine). ?.in other words, if an adenine fo

6、rms one member of a pair, on either chain, then on these assumptions the other member must be thymine; similarly for guanine and cytosine. The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way. However, if only specific pairs of bases can be formed, it follows that if t

7、he sequence of bases on one chain is given, then the sequence on the other chain is automatically determined. ?.It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material. The structure itself suggested that e

8、ach strand could separate and act as a template for a new strand, therefore doubling the amount of DNA, yet keeping the genetic information, in the form of the original sequence, intact. 已步入古稀之年的已步入古稀之年的Watson（左）和（左）和Crick（右）在討論（右）在討論DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型B型雙螺旋型雙螺旋nDNA二級結(jié)構(gòu)的主要形式為Watson和Crick于1953年提出的B型雙螺旋

9、，其主要內(nèi)容是：（1）DNA由兩條呈反平行的多聚核苷酸鏈組成，兩條鏈相互纏繞形成右手雙螺旋；（2）組成右手雙螺旋的兩條鏈是互補的，它們通過特殊的堿基對結(jié)合在一起，一條鏈上的A總是與另一條鏈的T，G總是和C配對。其中AT堿基對有二個氫鍵，GC堿基對有3個氫鍵；（3）堿基對位于雙螺旋的內(nèi)部，并垂直于暴露在外的脫氧核糖磷酸骨架。堿基對之間通過疏水鍵和范德華力相互垛疊在一起，對雙螺旋的穩(wěn)定起一定的作用；（4）雙螺旋的表面含有明顯的大溝和小溝（其寬度分別為2.2nm和1.2nm；（5）雙螺旋的其它常數(shù)包括相鄰堿基對距離為0.34nm，并相差約36。螺旋的直經(jīng)為2nm，每一轉(zhuǎn)完整的螺旋含有10個堿基對，其

10、高度為3.4nm。AT和和GC堿基對的配對性質(zhì)堿基對的配對性質(zhì)B-型型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特征雙螺旋結(jié)構(gòu)的主要特征大溝和小溝的秘密大溝和小溝的秘密DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的證據(jù)雙螺旋結(jié)構(gòu)的證據(jù)X射線衍射數(shù)據(jù)Chargaff 規(guī)則堿基的互變異構(gòu)物種A:TG:CA:G人1.001.001.56大麻哈魚1.021.021.43小麥1.000.971.22酵母1.031.021.67大腸桿菌1.090.991.05粘質(zhì)沙雷菌0.950.860.70不同物種不同物種DNA的的A/T、G/C和和A/G的比率的比率雙螺旋穩(wěn)定的因素雙螺旋穩(wěn)定的因素（1）氫鍵氫鍵 氫鍵固然重要，但它們主要決定堿基配對的特異性，而對雙

11、螺旋穩(wěn)定的貢獻不是最重要的。對雙螺旋穩(wěn)定起決定性作用的是堿基的堆集力。（2）堿基堆集力堿基堆集力 這是堿基對之間在垂直方向上的相互作用所產(chǎn)生的力。它包括疏水作用和范德華力。堿基間相互作用的強度與相鄰堿基之間環(huán)重疊的面積成正比?？偟内厔菔青堰逝c嘌呤之間嘌呤與嘧啶之間嘧啶與嘧啶之間。另外堿基的甲基化能提高堿基的堆積力。（3）陽離子或帶正電荷的化合物對磷酸基團的中和陽離子或帶正電荷的化合物對磷酸基團的中和DNA的的ABZ雙螺旋和三螺旋雙螺旋和三螺旋A型雙螺旋、型雙螺旋、B型雙螺旋和型雙螺旋和Z型雙螺旋的比較型雙螺旋的比較由Alex Rich發(fā)現(xiàn)?存在于DNA富含G:C的區(qū)域?G為順式構(gòu)象?C 保持反

12、式，但整個胞苷酸（堿基和脫氧核糖）翻轉(zhuǎn)180度?結(jié)果是 G:C 氫鍵在Z-DNA中得以保持!DNA的非標準二級結(jié)構(gòu)的非標準二級結(jié)構(gòu)細胞內(nèi)的DNA在特殊的條件下還可能形成其它幾種非標準的二級結(jié)構(gòu)。這些特殊的條件包括：DNA受到某些蛋白質(zhì)的作用（如組蛋白）；DNA本身所具有的特殊基序，例如反向重復序列，回文結(jié)構(gòu)，鏡像重復，直接重復，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含A序列和富含G序列。（1）彎曲（2）十字形（3）三鏈螺旋與H-DNA（4）堿基翻轉(zhuǎn)（5）四鏈螺旋與G-四聯(lián)體（6）滑動錯配DNA（SMP-DNA）DNA 彎曲彎曲十字形十字形DNA的形成的形成三螺旋三螺旋DNA（H-DNA） Hoogstee

13、n堿基對與堿基對與Watson-Crick堿基對堿基對 DNA雙螺旋上某一個位置的雙螺旋上某一個位置的C發(fā)生的翻轉(zhuǎn)發(fā)生的翻轉(zhuǎn)滑動錯配滑動錯配DNADNA的三級結(jié)構(gòu)超螺旋 如果通過某種手段使得DNA雙螺旋每一圈的堿基對數(shù)目多于或少于10對，將導致DNA雙螺旋纏繞過多或纏繞不足；如果這時的DNA兩端被固定或者DNA本來是共價閉環(huán)的，的張力無法釋放而自發(fā)地形成超螺旋結(jié)構(gòu)。 DNA超螺旋分為正超螺旋和負超螺旋，其中正超螺旋為左手超螺旋，由DNA雙螺旋過度纏繞引起，負超螺旋為右手超螺旋，由DNA雙螺旋纏繞不足引起。正超螺旋與負超螺旋正超螺旋與負超螺旋DNA復制過程中正超螺旋復制過程中正超螺旋DNA的形成

14、的形成從從DNA雙螺旋到染色體雙螺旋到染色體電鏡下的核小體結(jié)構(gòu)電鏡下的核小體結(jié)構(gòu) 核小體結(jié)構(gòu)模型核小體結(jié)構(gòu)模型RNA的二級結(jié)構(gòu)nRNA的二級結(jié)構(gòu)主要取決于它的堿基組成，其二級結(jié)構(gòu)的多樣性可以和蛋白質(zhì)相媲美。少數(shù)病毒RNA由兩條互補的多聚核糖核苷酸鏈組成，它的二級結(jié)構(gòu)為A型雙螺旋。多數(shù)RNA僅由一條鏈組成，它們的二級結(jié)構(gòu)主要是由鏈內(nèi)堿基的互補性決定的：鏈內(nèi)互補的堿基可以相互作用形成鏈內(nèi)A型雙螺旋，非互補的堿基則游離在雙螺旋之外，形成各種二級結(jié)構(gòu)。在RNA雙螺旋內(nèi)常?？梢园l(fā)現(xiàn)GU堿基對。RNA分子中的分子中的GU堿基對堿基對RNA的多種二級結(jié)構(gòu)的多種二級結(jié)構(gòu)GNRA四環(huán)結(jié)構(gòu)四環(huán)結(jié)構(gòu)RNA的三級結(jié)構(gòu)

15、的三級結(jié)構(gòu)RNA的三級結(jié)構(gòu)是在二級結(jié)構(gòu)的基礎上進一步折疊、包裝而成的，其復雜性不亞于蛋白質(zhì)。其中的雙螺旋區(qū)域主要充當剛性的框架結(jié)構(gòu)來組織其他結(jié)構(gòu)或功能部件。構(gòu)成突起、內(nèi)部環(huán)、發(fā)夾環(huán)和末端環(huán)的單鏈區(qū)域?qū)τ赗NA最終三級結(jié)構(gòu)的形成至關重要，其作用相當于氨基酸殘基的側(cè)鏈基團對于蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)形成的貢獻。正是因為這些單鏈區(qū)之間以及單鏈區(qū)與雙鏈區(qū)之間核苷酸的相互作用，才使得一種RNA最終能夠折疊成特有的三級結(jié)構(gòu)。RNA折疊，特別是較大的RNA，就像大多數(shù)蛋白質(zhì)折疊一樣，也需要分子伴侶的幫助，以便讓大多數(shù)RNA能快速折疊成正確的構(gòu)象。為了與參與蛋白質(zhì)折疊的分子伴侶區(qū)分開來，通常將幫助RNA折疊的分子伴侶稱

16、為RNA伴侶。RNA伴侶與正在折疊的RNA分子結(jié)合以后，一旦有錯誤的折疊，就會破壞錯誤折疊的RNA分子內(nèi)部的次級鍵，形成RNA蛋白體復合物，在這種復合物里，RNA能迅速重新折疊成最終正確的構(gòu)象。枯草桿菌枯草桿菌TPP核開關的三級結(jié)構(gòu)的形成核開關的三級結(jié)構(gòu)的形成 RNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu)n構(gòu)成RNA的三級結(jié)構(gòu)的主要元件有假節(jié)結(jié)構(gòu)、“吻式”發(fā)夾結(jié)構(gòu)和發(fā)夾環(huán)突觸結(jié)構(gòu)等三種形式。tRNA則可形成倒L型三級結(jié)構(gòu)TRNA tRNA只由一條鏈組成，含有7394個核苷酸，其中有不少是修飾的，3端的最后三個核苷酸總是CCA，鏈內(nèi)的大多數(shù)堿基通過氫鍵相連，但幾乎所有的tRNA分子上不變的核苷酸都在三葉草結(jié)構(gòu)上非

17、氫鍵區(qū)域。 構(gòu)成tRNA二級結(jié)構(gòu)的要素有：環(huán)、莖和臂。一個典型tRNA的二級結(jié)構(gòu)像三葉草，含有四個環(huán)和四個莖。環(huán)由鏈內(nèi)沒有配對的堿基突出而成，莖則是鏈內(nèi)互補的堿基之間配對形成的局部A-型雙螺旋，臂則是緊靠著莖又不屬于環(huán)的非配對核苷酸。 tRNA三級結(jié)構(gòu)形成的原因是D環(huán)上的堿基與不變堿基以及TC環(huán)上的堿基之間的發(fā)生的氫鍵作用。這些氫鍵將D臂和TC臂折疊到一起，并將三葉草二級結(jié)構(gòu)彎曲成穩(wěn)定的倒L型三級結(jié)構(gòu)。參與三級結(jié)構(gòu)形成的許多氫鍵并不是通常的AU和GC堿基對。tRNA三級結(jié)構(gòu)之中的氫鍵配對三級結(jié)構(gòu)之中的氫鍵配對tRNA三級結(jié)構(gòu)之中的氫鍵配對三級結(jié)構(gòu)之中的氫鍵配對核糖體合成蛋白質(zhì)核糖體合成蛋白質(zhì)?所有的核糖體都含有大小兩個亞基?rRNA約占據(jù)核糖體的2/3 ?高度的鏈內(nèi)互補序列導致大量的堿基配對? rRNA 充當核糖體蛋白的支架