核酸的結(jié)構(gòu)課件

第14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一、核苷酸（nucleotide)（一）堿基嘌呤堿：腺嘌呤、鳥(niǎo)嘌呤嘧啶堿：胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶稀有堿基：

嘌呤環(huán)

嘧啶環(huán)（1）嘌呤堿RNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥(niǎo)嘌呤G腺嘌呤A

胺式

亞胺式互變異構(gòu)酮式烯醇式互變異構(gòu)（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

稀有核苷：1、2’-0-甲基-核糖-核苷2、稀有堿基DHU3、連接方式ψ（假尿嘧啶核苷）（三）核苷酸磷酸堿基戊糖核苷酸堿基連接（核苷鍵）酯鍵（對(duì)DNA為H）1`2`3`4`5`核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

三、八種核苷酸(ribonucleotide)核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

M/單，D/二，T/三；P-磷酸RNA的名稱(chēng)為單/二/三苷酸，DNA在單/二/三前加脫氧兩字。如AMP稱(chēng)腺苷一磷酸(或腺苷酸）dAMP稱(chēng)為脫氧腺苷一磷酸（脫氧腺苷酸）稀有核苷酸與上類(lèi)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(gè)高能磷酸鍵：水解時(shí)可釋放大量自由能，推動(dòng)體內(nèi)各種需能反應(yīng)。ATP也是磷酰化劑：磷酰化的底物具較高能量（活化分子），是許多生物化學(xué)反應(yīng)的激活步驟。

(2)GTP(鳥(niǎo)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(lèi)似ATP的結(jié)構(gòu)主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷酰基供體在許多情況下,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cGMP3’,5’-環(huán)鳥(niǎo)嘌呤核苷一磷酸——細(xì)胞間信使cAMP和cGMP的環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能鍵：pH7.4時(shí)水解能約為43.9kJ/mol，比ATP水解能高得多。二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA上的核苷酸排列順序。(核苷酸相當(dāng)于氨基酸、單糖的角色）（一）DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)脫H2O脂鍵相連3`，5`-磷酸二酯鍵首尾3`5`HHHHHHH（1）核苷酸間以3′-5′磷酸二酯鍵相連（2）一端稱(chēng)為5′-磷酸端（5’-P表示）一端稱(chēng)為3′-羥基端（3’-OH表示）（3）多聚核苷酸鏈具有方向性，表示時(shí)，需注明方向：5′→3′或是3′→5′一、核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義核酸分子中核苷酸的連接方式以及核苷酸的排列順序。由于核苷酸間的差異主要是堿基不同，所以也稱(chēng)為堿基序列。主鏈：戊糖－磷酸骨架位于外側(cè)側(cè)鏈：堿基對(duì)位于內(nèi)側(cè)方向：５’3’5′端3′端CGADNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)寫(xiě)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(chēng)堿基順序（二）RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)核糖核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵相連形成的長(zhǎng)鏈研究最多：tRNA、rRNA及一些小分子RNA。1、tRNA分子特點(diǎn)：約由73－93個(gè)核苷酸組成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(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

tRNA的功能：

結(jié)合活化氨基酸（3′-CCA-OH），搬運(yùn)氨基酸到核糖體；識(shí)別mRNA密碼子。參與蛋白質(zhì)的翻譯。①5′末端帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN②3′末端有多聚腺苷酸尾巴結(jié)構(gòu)(polyA)③單順?lè)醋樱ㄒ粭lmRNA鏈上有一個(gè)編碼區(qū)）2、mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）真核細(xì)胞mRNA5′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(jià)結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)帽子結(jié)構(gòu)：識(shí)別翻譯起始polyA：維持mRNA的穩(wěn)定性功能原核生物mRNA為多順?lè)醋樱瑹o(wú)修飾堿基。多順?lè)醋觤RNA(polycistronicmRNA)：一條mRNA鏈上有多個(gè)編碼區(qū)（2）原核細(xì)胞mRNAmRNA的功能★蛋白質(zhì)合成的模板。*rRNA的種類(lèi)（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA3、rRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)rRNA的功能作為核糖體的骨架；催化肽鍵的形成。4、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除上述三種RNA外的其他種類(lèi)的小分子RNA，統(tǒng)稱(chēng)為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

1、snmRNAs核內(nèi)小RNA（snRNA）核仁小RNA（snoRNA）snmRNAs胞質(zhì)小RNA（scRNA）催化性小RNA（即ribozyme）小片段干涉RNA（siRNA）

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。核不均一RNARNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類(lèi)的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。

RNA組學(xué)：（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(xué)結(jié)構(gòu)

DNA纖維的X-射線衍射圖譜分析

三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)ChargaffDNA堿基組成具有：生物種的特異性；無(wú)組織/器官特異性；不受生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)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堿基互補(bǔ)配對(duì)TACGG-Cpair,heldtogetherbythreehydrogenbondsA-Tpair,heldtogetherbytwohydrogenbonds162342DNA一股的核苷酸序列與另一股的序列

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

(二）DNA二級(jí)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(chēng)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(duì)相連每10個(gè)堿基對(duì)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(guò)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(gè)核苷酸之間的夾角36°，每圈螺旋含10個(gè)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(duì)原則，一條核苷酸鏈序列可決定另一條互補(bǔ)鏈的序列。雙螺旋的補(bǔ)充：（1）夾角和堿基對(duì)的數(shù)目變化（2）堿基對(duì)沿長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度①堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。②堿基配對(duì)的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。③磷酸基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)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(fù)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

3、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性DNA的類(lèi)型類(lèi)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(duì)濕度75%2.80.25611右手DNA鈉鹽B相對(duì)濕度92%3.40.3410右手DNA鈉鹽C相對(duì)濕度66%3.10.3329.3右手DNA鋰鹽Zd(GCGCGC)4.440.3712左手4、三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)圖13-11H-DNA的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制之一四股螺旋DNA分子G-四堿基體，在真核生物染色體端粒DNA中，富含TTGGGG,以Hoogsteen氫鍵連接，形成G–G堿基對(duì)反平行四螺旋結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)LinkedbyHoogsteenBonding6－17－27GGGG67677662×poly(T4G4)2×poly(G4C4)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GGGGTTTGGGGTTTGGGGTTT真核生物染色體端粒DNA結(jié)構(gòu)G-quadruplex5‘3‘TTTGGGGGGGGGGGGGGGGGGTTTTTT可能的功能

A穩(wěn)定真核生物染色體結(jié)構(gòu)

B保證DNA末端準(zhǔn)確復(fù)制

C與DNA分子的組裝有關(guān)

D與染色體的meiosis&mitosis有關(guān)

HoogsteenBonding

5’-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT

3’-----AATCCCAATCCC

GGG

TADNA雙螺旋通過(guò)扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象。

包括：不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用單鏈與二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用DNA的拓?fù)涮卣鞒菪荄NA三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。（三）DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)環(huán)形DNA一條鏈斷裂：開(kāi)環(huán)分子（ocDNA)兩條鏈斷裂：線型分子(linearDNA)1、

環(huán)狀DNA的三種典型構(gòu)象

（1）、

松弛環(huán)形DNA（2）、

解鏈環(huán)形DNA（3）、

正超螺旋與負(fù)超螺旋DNA●超螺旋結(jié)構(gòu)DNA

leadstoleft-handedsuperhelix

B-DNAoverwinding(右旋)

positivesupercoiledLeadstoright-handedsuperhelixB-DNAunwinding(左旋)

所有生物的DNA幾乎有5%為NegativeSuperhelix

NegativeSupercoiled

2、三種環(huán)形DNA的拓?fù)鋵W(xué)特性①連環(huán)數(shù)（linkingnumber,L）DNA雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù)②扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)目，以T表示③超螺旋數(shù)（纏繞數(shù),writhingnumber,W）連環(huán)數(shù)（L）扭轉(zhuǎn)數(shù)（T）超螺旋數(shù)(W)松馳環(huán)25250解鏈環(huán)23230超螺旋2325-2L=T+W④比連環(huán)差（specificlinkingdifference,λ）表示DNA的超螺旋程度(Superhelixdensity)λ=（L—L0）/L0=每一圈初級(jí)螺旋（10bp，360°）出現(xiàn)超螺旋數(shù)L0是指松馳環(huán)形DNA的L值3、

拓?fù)洚悩?gòu)酶改變DNA拓?fù)洚悩?gòu)體的L值。①拓?fù)洚悩?gòu)酶酶I（解旋酶）能使雙鏈負(fù)超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松馳形環(huán)狀DNA，每次催化使L值增加1。②拓?fù)洚悩?gòu)酶酶II（促旋酶）能使松馳環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋形DNA，每次催化使L減少2。l

拓?fù)洚悩?gòu)酶

(topoisomeraseI,II)

參與構(gòu)型的改變功能比較拓?fù)涿腹δ鼙容^TopI對(duì)負(fù)超螺旋處的單鏈DNA具有極強(qiáng)的親合力TopIITopIcannotactonpositivelysupercoiledDNA消除負(fù)超螺旋引入負(fù)超螺旋真核細(xì)胞染色體的DNA念珠狀三級(jí)結(jié)構(gòu)（四）DNA與蛋白質(zhì)的復(fù)合體1、染色體（H2A、H2B、H3、H