第2章 核酸的結(jié)構(gòu)

第2章核酸的結(jié)構(gòu)NucleicAcid核酸（DNA和RNA）是線性多聚核苷酸，基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸DNA與RNA結(jié)構(gòu)相似，組成成份上略有不同核酸的組成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基水解核酸代表戊糖，對DNA而言為脫氧核糖，對RNA而言為核糖；

代表堿基

代表磷酸基核苷酸一、核苷酸（nucleotide)（一）堿基嘌呤堿：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)嘧啶堿：胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)稀有堿基：

嘌呤環(huán)

嘧啶環(huán)（1）嘌呤堿AG（2）嘧啶堿(uracil)(cytosine)(thymine)RNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥嘌呤G腺嘌呤A

胺式亞胺式互變異構(gòu)堿基中酮基和氨基，受溶劑酸堿度和離子的影響酮式烯醇式互變異構(gòu)（3）稀有堿基嘌呤——次黃嘌呤、1-甲基次黃嘌呤、N2、N2-二甲基鳥嘌呤嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-巰尿嘧啶

都是基本堿基的化學修飾型（二）核苷：核糖+堿基DNA含β-D-2-脫氧核糖RNA含β-D-核糖核苷nucleoside糖與堿基之間的C-N鍵：C-N糖苷鍵，且都是β糖苷鍵。C1——N1（嘧啶）C1——N9（嘌呤）堿基與糖環(huán)平面垂直。核苷nucleoside糖苷鍵核苷nucleoside

稀有核苷：1、2’-0-甲基-核糖-核苷2、稀有堿基DHU3、假尿嘧啶核苷假尿苷，pseudouridine，ψ5（三）核苷酸磷酸堿基戊糖H2OH2O堿基磷酸戊糖核苷鍵酯鍵核苷酸堿基連接（核苷鍵）酯鍵（對DNA為H）1`2`3`4`5`八種核苷酸M/單，D/二，T/三；P-磷酸RNA的名稱為單/二/三苷酸，DNA在單/二/三前加脫氧兩字。

如AMP稱腺苷一磷酸(或腺苷酸）dAMP稱為脫氧腺苷一磷酸（脫氧腺苷酸）稀有核苷酸與上類似（四）核苷酸的衍生物生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATP的性質(zhì)是重要的能量轉(zhuǎn)換中間體ATP含兩個高能磷酸鍵：水解時可釋放大量自由能，推動體內(nèi)各種需能反應。ATP也是磷?；瘎毫柞；牡孜锞咻^高能量（活化分子），是許多生物化學反應的激活步驟。

(2)GTP(鳥嘌呤核糖核苷三磷酸)生物體內(nèi)游離存在，也是一種高能化合物具有類似ATP的結(jié)構(gòu)主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷?；w在許多情況下,ATP和GTP可以相互轉(zhuǎn)換（3）cAMP和cGMPcAMP3’,5’環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸cGMP

3’,5’-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸——細胞間信使cAMP和cGMP的環(huán)狀磷酯鍵是一個高能鍵：pH7.4時水解能約為43.9kJ/mol，比ATP水解能高得多。二、核酸的共價結(jié)構(gòu)DNA一級結(jié)構(gòu)是指DNA上的核苷酸排列順序。

(核苷酸相當于氨基酸、單糖的角色）（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)脫H2O脂鍵相連3`，5`-磷酸二酯鍵首尾3`5`（1）核苷酸間以3′-5′磷酸二酯鍵相連（2）一端稱為5′-磷酸端（5′-P表示）一端稱為3′-羥基端（3′-OH表示）（3）多聚核苷酸鏈具有方向性，表示時，需注明方向：5′→3′或是3′→5′DNA一級結(jié)構(gòu)的簡寫形式戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

AGCTGCOHpApCpTpG-pA-C-T-G核苷酸順序又稱堿基順序（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

堿基組成分析Chargaff規(guī)則：[A]=[T][G][C][嘌呤堿]=[嘧啶堿]

已知核酸的化學結(jié)構(gòu)

DNA纖維的X-射線衍射圖譜分析

三、DNA的高級結(jié)構(gòu)DNA堿基組成具有：生物種的特異性；

DNA的四種含氮堿基組成具有物種特異性。即四種含氮堿基的比例在同物種不同個體間是一致的，但在不同物種間則有差異。無組織/器官特異性；不受生長發(fā)育、營養(yǎng)狀況及環(huán)境條件的影響。Chargaff規(guī)則：（1）A=T（2）G=C（3）A+C=G+T（4）A+G=C+T腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶其他組合易相互排斥如G:TDNA一股的核苷酸序列與另一股的序列

互補：A-T、G-CFranklin,RosalindElsie(1920-58),Britishbiophysicist.BorninLondon,shewaseducatedinphysicalchemistryatNewnhamCollege,Cambridge.FranklinconductedX-raydiffractionstudiesonthestructureoftheDNAmolecule,thecarrierofhereditaryinformation,whileworkinginthelaboratoryofBritishbiophysicistMauriceWilkins.ThisworkenabledAmericanbiochemistJamesDeweyWatsonandtheBritishFrancisCricktodeterminethehelicalstructureoftheDNAmolecule.

★DNA的Na鹽纖維和DNA晶體的X光衍射分析Franklin(二)DNA二級結(jié)構(gòu)—B型雙螺旋JamesWatson(left)andFrancisCrick,1953大部分DNA所具有的雙螺旋結(jié)構(gòu)，亦稱為B型小溝大溝5`3`5`3`反向、平行、右手螺旋2鏈間堿基配對相連每10個堿基對螺旋上升一周疏水堿基位于內(nèi)部相鄰堿基平面互相平行，垂直于螺旋軸（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸纏繞，為右手螺旋。1、結(jié)構(gòu)特征（2）堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和核糖在外側(cè)，通過3’，5’－磷酸二酯鍵構(gòu)成骨架。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行。大溝：寬1.2nm，深0.85nm，小溝：寬0.6nm，深0.75nm。（3）主要參數(shù)雙螺旋的直徑為2nm，堿基堆積距離為0.34nm，兩個核苷酸之間的夾角36°，每圈螺旋含10個核苷酸，螺距3.4nm。（4）兩條核苷酸鏈依靠堿基間形成的氫鍵而結(jié)合。

A＝TG≡C（5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制。但根據(jù)堿基配對原則，一條核苷酸鏈序列可決定另一條互補鏈的序列。①堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。②堿基配對的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。③磷酸基上的負電荷與介質(zhì)中的陽離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負電荷間的斥力，有助于DNA穩(wěn)定。④堿基處于雙螺旋內(nèi)部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。2、穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素DNA分子中堿基的堆積可使堿基締合，稱為堿基堆積力，堿基堆積力是由于雜環(huán)堿基的П電子間相互作用引起，DNA分子中堿基層層堆積，在其內(nèi)部形成一個疏水核心

3、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性DNA的類型類型結(jié)晶狀態(tài)螺距堿基距離每圈旋轉(zhuǎn)

(nm)(nm)bp數(shù)方向

A相對濕度75%2.80.25611右手

DNA鈉鹽B相對濕度92%3.40.3410右手

DNA鈉鹽C相對濕度66%3.10.3329.3右手

DNA鋰鹽Zd(GCGCGC)4.440.3712左手1、DNA雙螺旋通過扭曲或再次螺旋就構(gòu)成了DNA的三級結(jié)構(gòu)

2、超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式3、超螺旋的形成與分子能量狀態(tài)有關

（三）DNA的三級結(jié)構(gòu)1、DNA超螺旋結(jié)構(gòu)形成原因由于某種原因使雙螺旋多旋轉(zhuǎn)或少旋轉(zhuǎn)幾圈，這樣雙螺旋內(nèi)的原子偏離正常位點，產(chǎn)生額外張力，能量增大。如果雙螺旋末端是開放的，這種張力可通過鏈的轉(zhuǎn)動釋放出來，DNA就恢復到原來正常狀態(tài)。如果螺旋雙端是閉和或固定（不能轉(zhuǎn)動），那么這些張力就不能釋放出來，只能在DNA分子內(nèi)部，使原子位置重新排列，這樣使得DNA發(fā)生扭曲，即超螺旋結(jié)構(gòu)。2、生物體內(nèi)的超螺旋結(jié)構(gòu)在細菌、真核生物中的環(huán)狀DNA，葉綠體DNA是超螺旋結(jié)構(gòu)。生物的細胞核內(nèi)DNA是線形雙螺旋DNA，當兩端固定時，可形成，例如：人的染色體DNA與組蛋白結(jié)合，成環(huán)狀DNA，形成核小體，許多核小體串聯(lián)在一起，再經(jīng)過反復折疊纏繞、壓縮形成超螺旋結(jié)構(gòu)。

正超螺旋：兩股以右旋方向纏繞的螺旋，在外力往緊纏的方向捻轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生一個左旋的超螺旋，以解除外力捻轉(zhuǎn)造成的脅變。這樣形成的螺旋為正超螺旋。

負超螺旋：兩股以右旋方向纏繞的螺旋在外力向松纏的方向捻轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生一個右旋的超螺旋以解除外力捻轉(zhuǎn)造成的脅迫。這樣形成的超螺旋為負超螺旋。MOV:PBC\A0267501\supercoilingofDNA負超螺旋正超螺旋真核細胞染色體的DNA念珠狀三級結(jié)構(gòu)（四）DNA與蛋白質(zhì)的復合體1、染色體染色體是DNA的載體①DNA可通過復制遺傳給下一代人體23對染色體,分別來自于父母復制后的染色體（H2A、H2B、H3、H4）2

DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。DNA是遺傳信息的物質(zhì)基礎三、RNA的結(jié)構(gòu)核糖核苷酸通過磷酸二酯鍵相連形成的長鏈（一）RNA的一級結(jié)構(gòu)RNA與蛋白質(zhì)共同負責基因的表達和表達過程的調(diào)控。RNA通常以單鏈的形式存在，但有復雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。RNA比DNA小的多。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。RNA的種類、分布、功能研究最多：tRNA、rRNA、mRNA及一些小分子RNA1、tRNA分子特點：蛋白質(zhì)生物合成過程中轉(zhuǎn)運氨基酸約由73－93個核苷酸組成堿基中有較多稀有堿基分子中含有較多的修飾成分（10-20%）3’-末端都具有－CCA－OH的結(jié)構(gòu)5’-末端磷酸化，常為G（pC）RNA一級結(jié)構(gòu)特點假尿苷，pseudouridine，ψ51tRNA的二級結(jié)構(gòu)tRNA的功能：

結(jié)合活化氨基酸（3′-CCA-OH）搬運氨基酸到核糖體識別mRNA密碼子參與蛋白質(zhì)的翻譯①5′末端帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN（7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸）②3′末端有多聚腺苷酸尾巴結(jié)構(gòu)（polyA）③單順反子（一條mRNA鏈上有一個編碼區(qū)）2、mRNA一級結(jié)構(gòu)的特點：帽子結(jié)構(gòu)5′5′5′帽子密碼子3′polyAm7Gppp-AUGGUG……………UAAAAAA…AA5′端非翻譯區(qū)編碼區(qū)3′非翻譯區(qū)真核生物mRNA的共價結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)：識別翻譯起始

polyA：維持mRNA的穩(wěn)定性

與mRNA從細胞核到細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移有關

新合成的mRNApolyA較長，衰老的mRNApolyA較短功能極大多數(shù)真核細胞mRNA在3’-末端有一段長約200核苷酸的polyA。與mRNA從細胞核到細胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移有關；與mRNA的半壽期有關，新合成的mRNA,．polyA鏈較長，而衰老的mRNA，polyA鏈縮短5’–帽子，與蛋白質(zhì)的起始合成有關。原核生物mRNA為多順反子，無修飾堿基。多順反子mRNA(polycistronicmRNA)：一條mRNA鏈上有多個編碼區(qū)（2）原核細胞mRNAmRNA的功能★蛋白質(zhì)合成的模板（傳遞DNA的遺傳信息；指導蛋白質(zhì)的合成）*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA3、rRNA一級結(jié)構(gòu)特點rRNA的功能1、與核糖體蛋白共同構(gòu)成核糖體，成為蛋白質(zhì)合成場所。（作為核糖體的骨架）2、在蛋白質(zhì)合成中，核糖體起“裝配機”的作用，無論mRNA或tRNA，都必須與核糖體中相應rRNA結(jié)合，氨基酸才能有序進入，肽鏈合成才能啟動和延伸（催化肽鍵的形成）

RNA通常是單鏈線形分子自身回折形成局部雙螺旋（二級結(jié)構(gòu)）進而折疊（三級結(jié)構(gòu)）多數(shù)形成核蛋白復合物（四級結(jié)構(gòu)），如核糖體、拼接體、編輯體等。

RNA病毒是具有感染性的RNA復合物（二）、RNA的高級結(jié)構(gòu)RNA中的堿基配對原則

A-U

G-CA-U

G-C雙螺旋區(qū)每個螺旋區(qū)至少有4-6對堿基才能保持穩(wěn)定①氨基酸臂：由7對堿基組成，富含G，末端為CCA，接受活化氨基酸②二氫尿嘧啶環(huán)（D環(huán)）：

由8－12個核苷酸組成③反密碼環(huán)：識別密碼子④額外環(huán)：大小是tRNA分類的重要指標⑤假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷環(huán)（TΨC環(huán)）1、二級結(jié)構(gòu)（一）tRNA的高級結(jié)構(gòu)tRNA的三葉草型二級結(jié)構(gòu)123葉子反密碼子環(huán)

反密碼子載運氨基酸臂稀有堿基D環(huán)TψC環(huán)額外環(huán)四環(huán)四臂2、tRNA的三級結(jié)構(gòu)TΨC環(huán)氨基酸臂反密碼環(huán)二氫尿嘧啶環(huán)tRNA的三級結(jié)構(gòu)：倒“L”形

核糖體：rRNA+蛋白質(zhì)催化肽鍵合成的是rRNA

蛋白質(zhì)維持rRNA構(gòu)象，起輔助作用（二）rRNA的高級結(jié)構(gòu)大腸桿菌16srRNA第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)

一、核酸的分子大小大分子化合物。DNA分子量特別巨大，一般在106-1010之間。不同生物、不同種類DNA分子量差異很大，如多瘤病毒DNA分子量為3×106，而果蠅染色體DNA分子量為8×1010；DNA具有雙螺旋結(jié)構(gòu)，使分子具有一定的剛性，但DNA極為細長，又具有柔性。RNA分子量在數(shù)百至數(shù)千萬之間。

二、核酸的溶解度與粘度RNA和DNA都是極性化合物，都微溶于水，而不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有機溶劑。它們的鈉鹽比自由酸易溶于水，RNA鈉鹽在水中溶解度可達4％。DNA溶液粘度極大。RNA的粘度比DNA粘度小。當DNA溶液加熱，或在其他因素作用下發(fā)生螺旋→線團轉(zhuǎn)變時，粘度降低。所以可用粘度作為DNA變性的指標。

三、核酸的酸堿性質(zhì)

可以把核酸看成是多元酸，核酸的等電點較低，在體內(nèi)呈多陰離子狀態(tài)，可以與金屬離子結(jié)合成鹽。核酸鹽的溶解度比游離酸的溶解度要大得多。對DNA來說堿基對在pH4.0-11.0之間最為穩(wěn)定，超越此范圍，DNA就要變性。

四、核酸的紫外吸收由于核酸的組成成分嘌呤堿及嘧啶堿具有強烈的紫外吸收，所以核酸也有強烈的紫外吸收，最大吸收值在260nm處。利用這一特性，可以鑒別核酸樣品中的蛋白質(zhì)（280nm）雜質(zhì)，也可以作為核酸及其組份定性和定量測定的依據(jù)。

五、核酸的變性、復性與雜交(1)核酸的變性核酸的變性是指核酸雙螺旋區(qū)的多聚核苷酸鏈間的氫鍵斷裂，變成單鏈結(jié)構(gòu)的過程。變性核酸將失去其部分或全部的生物活性。核酸的變性并不涉及磷酸二酯鍵的斷裂，所以它的一級結(jié)構(gòu)(堿基順序)保持不變。能夠引起核酸變性的因素很多。溫度升高、酸堿度改變、甲醛和尿素等的存在均可引起核酸的變性。DNA變性的特征DNA的變性過程是突變性的，它在很窄的溫度區(qū)間內(nèi)完成。因此，通常將引起DNA變性的溫度稱為融點，用Tm表示（增色效應達到一半時的溫度）。一般DNA的Tm值在70-85C之間。DNA的Tm值與分子中的