楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能

提要一、核酸分類(lèi)二、核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)三、核酸高級(jí)結(jié)構(gòu)DNA高級(jí)結(jié)構(gòu)RNA高級(jí)結(jié)構(gòu)四、核酸與蛋白質(zhì)相互作用DNA與蛋白質(zhì)形成復(fù)合體RNA與蛋白質(zhì)形成復(fù)合體五、核酸功效楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第1頁(yè)DNA——一個(gè)類(lèi)型，一個(gè)功效

RNA——各種類(lèi)型，各種功效

編碼RNA和非編碼(NcRNA)核酸分類(lèi)DNA和RNA結(jié)構(gòu)異同楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第2頁(yè)C自發(fā)脫氨基變成U修復(fù)酶能夠識(shí)別這些突變，以用C取代這些U。怎樣區(qū)分正常U和突變而來(lái)U?使用T就很輕易處理以上問(wèn)題。CU為何DNA第四個(gè)堿基通常是T?楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第3頁(yè)RNA臨近-OH使其更輕易DNA缺乏2'-OH愈加穩(wěn)定

遺傳物質(zhì)必須愈加穩(wěn)定RNA需要時(shí)候合成，不需要時(shí)候需要快速降解。為何DNA2'-脫氧，RNA不是?楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第4頁(yè)RNA處于單鏈狀態(tài)，使其能夠自我折疊成能夠和蛋白質(zhì)相媲美各種類(lèi)型二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)，這是形成RNA結(jié)構(gòu)多樣性基礎(chǔ)，不然全部RNA與DNA一樣，只能形成千篇一律雙螺旋。RNA在三維結(jié)構(gòu)多樣性使其在細(xì)胞內(nèi)能行使多項(xiàng)生物學(xué)功效。DNA通常是雙鏈，使其能夠充分地行使作為遺傳物質(zhì)這項(xiàng)唯一功效為何RNA通常單鏈，DNA通常雙鏈？楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第5頁(yè)不一樣類(lèi)型RNA功效和分布楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第6頁(yè)不一樣類(lèi)型RNA功效和分布楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第7頁(yè)定義：核苷酸或堿基排列次序?qū)懛ǎ簭淖蟮接遥?'端到3'端意義：DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)貯存各種遺傳信息核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第8頁(yè)組成DNA和RNA核苷酸結(jié)構(gòu)和連接方式楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第9頁(yè)DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)主要是各種形式螺旋，尤其是B-型雙螺旋，另外還有A-型雙螺旋、Z-型雙螺旋、三鏈螺旋和四鏈螺旋等DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第10頁(yè)HappyBirthday,

DoubleHelix

楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第11頁(yè)"MolecularStructureofNucleicAcids:

AStructureforDeoxyriboseNucleicAcid"

(Nature,April25,1953.volume171:737-738.)

"Thenovelfeatureofthestructureisthemannerinwhichthetwochainsareheldtogetherbythepurineandpyrimidinebases...The(bases)arejoinedtogetherinpairs,asinglebasefromonechainbeinghydrogen-bondedtoasinglebasefromtheotherchain,sothatthetwoliesidebyside...Oneofthepairmustbeapurineandtheotherapyrimidineforbondingtooccur....Onlyspecificpairsofbasescanbondtogether.Thesepairsare:adenine(purine)withthymine(pyrimidine),andguanine(purine)withcytosine(pyrimidine).""...inotherwords,ifanadenineformsonememberofapair,oneitherchain,thenontheseassumptionstheothermembermustbethymine;similarlyforguanineandcytosine.Thesequenceofbasesonasinglechaindoesnotappeartoberestrictedinanyway.However,ifonlyspecificpairsofbasescanbeformed,itfollowsthatifthesequenceofbasesononechainisgiven,thenthesequenceontheotherchainisautomaticallydetermined.""...Ithasnotescapedournoticethatthespecificpairingwehavepostulatedimmediatelysuggestsapossiblecopyingmechanismforthegeneticmaterial.Thestructureitselfsuggestedthateachstrandcouldseparateandactasatemplateforanewstrand,thereforedoublingtheamountofDNA,yetkeepingthegeneticinformation,intheformoftheoriginalsequence,intact."楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第12頁(yè)已步入古稀之年Watson（左）和Crick（右）在討論DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第13頁(yè)DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)主要形式為Watson和Crick于1953年提出B型雙螺旋，其主要內(nèi)容是：DNA由兩條呈反平行多聚核苷酸鏈組成，兩條鏈相互纏繞形成右手雙螺旋；組成右手雙螺旋兩條鏈?zhǔn)腔パa(bǔ)，它們經(jīng)過(guò)特殊堿基對(duì)結(jié)合在一起，一條鏈上A總是與另一條鏈T，G總是和C配對(duì)。其中AT堿基對(duì)有二個(gè)氫鍵，GC堿基對(duì)有3個(gè)氫鍵；堿基對(duì)位于雙螺旋內(nèi)部，并垂直于暴露在外脫氧核糖磷酸骨架。堿基對(duì)之間經(jīng)過(guò)疏水鍵和范德華力相互垛疊在一起，對(duì)雙螺旋穩(wěn)定起一定作用；雙螺旋表面含有顯著大溝和小溝（其寬度分別為2.2nm和1.2nm；雙螺旋其它常數(shù)包含相鄰堿基對(duì)距離為0.34nm，并相差約36°。螺旋直經(jīng)為2nm，每一轉(zhuǎn)完整螺旋含有10個(gè)堿基對(duì)，其高度為3.4nm。B型雙螺旋楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第14頁(yè)AT和GC堿基正確配對(duì)性質(zhì)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第15頁(yè)B-型DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)主要特征楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第16頁(yè)大溝和小溝秘密楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第17頁(yè)X射線(xiàn)衍射數(shù)據(jù)Chargaff規(guī)則堿基互變異構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)證據(jù)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第18頁(yè)物種A:TG:CA:G人1.001.001.56大麻哈魚(yú)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不一樣物種DNAA/T、G/C和A/G比率楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第19頁(yè)氫鍵氫鍵當(dāng)然主要，但它們主要決定堿基配正確特異性，而對(duì)雙螺旋穩(wěn)定貢獻(xiàn)不是最主要。對(duì)雙螺旋穩(wěn)定起決定性作用是堿基堆集力。堿基堆集力這是堿基對(duì)之間在垂直方向上相互作用所產(chǎn)生力。它包含疏水作用和范德華力。堿基間相互作用強(qiáng)度與相鄰堿基之間環(huán)重合面積成正比?？傏厔?shì)是嘌呤與嘌呤之間>嘌呤與嘧啶之間>嘧啶與嘧啶之間。另外堿基甲基化能提升堿基堆積力。陽(yáng)離子或帶正電荷化合物對(duì)磷酸基團(tuán)中和雙螺旋穩(wěn)定原因楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第20頁(yè)DNAABZ雙螺旋和三螺旋楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第21頁(yè)A型雙螺旋、B型雙螺旋和Z型雙螺旋比較楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第22頁(yè)由AlexRich發(fā)覺(jué)存在于DNA富含G:C區(qū)域G為順式構(gòu)象C保持反式，但整個(gè)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!Z-DNA楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第23頁(yè)細(xì)胞內(nèi)DNA在特殊條件下還可能形成其它幾個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)結(jié)構(gòu)。這些特殊條件包含：DNA受到一些蛋白質(zhì)作用（如組蛋白）；DNA本身所含有特殊基序，比如反向重復(fù)序列，回文結(jié)構(gòu)，鏡像重復(fù)，直接重復(fù)，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(dòng)錯(cuò)配DNA（SMP-DNA）DNA非標(biāo)準(zhǔn)二級(jí)結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第24頁(yè)DNA彎曲楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第25頁(yè)十字形DNA形成楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第26頁(yè)三螺旋DNA（H-DNA）楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第27頁(yè)Hoogsteen堿基對(duì)與Watson-Crick堿基對(duì)

楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第28頁(yè)DNA雙螺旋上某一個(gè)位置C發(fā)生翻轉(zhuǎn)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第29頁(yè)DNA四連結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第30頁(yè)滑動(dòng)錯(cuò)配DNA楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第31頁(yè)假如經(jīng)過(guò)某種伎倆使得DNA雙螺旋每一圈堿基對(duì)數(shù)目多于或少于10對(duì)，將造成DNA雙螺旋纏繞過(guò)多或纏繞不足；假如這時(shí)DNA兩端被固定或者DNA原來(lái)是共價(jià)閉環(huán)，則DNA會(huì)因張力無(wú)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(fù)超螺旋，其中正超螺旋為左手超螺旋，由DNA雙螺旋過(guò)分纏繞引發(fā)，負(fù)超螺旋為右手超螺旋，由DNA雙螺旋纏繞不足引發(fā)。DNA三級(jí)結(jié)構(gòu)——超螺旋楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第32頁(yè)正超螺旋與負(fù)超螺旋楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第33頁(yè)DNA復(fù)制過(guò)程中正超螺旋DNA形成楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第34頁(yè)從DNA雙螺旋到染色體楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第35頁(yè)電鏡下核小體結(jié)構(gòu)

楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第36頁(yè)核小體結(jié)構(gòu)模型楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第37頁(yè)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)主要取決于它堿基組成，其二級(jí)結(jié)構(gòu)多樣性能夠和蛋白質(zhì)相媲美。少數(shù)病毒RNA由兩條互補(bǔ)多聚核糖核苷酸鏈組成，它二級(jí)結(jié)構(gòu)為A型雙螺旋。多數(shù)RNA僅由一條鏈組成，它們二級(jí)結(jié)構(gòu)主要是由鏈內(nèi)堿基互補(bǔ)性決定：鏈內(nèi)互補(bǔ)堿基能夠相互作用形成鏈內(nèi)A型雙螺旋，非互補(bǔ)堿基則游離在雙螺旋之外，形成各種二級(jí)結(jié)構(gòu)。在RNA雙螺旋內(nèi)經(jīng)常能夠發(fā)覺(jué)GU堿基對(duì)。RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)RNA分子中GU堿基對(duì)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第38頁(yè)RNA各種二級(jí)結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第39頁(yè)GNRA四環(huán)結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第40頁(yè)RNA三級(jí)結(jié)構(gòu)是在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上深入折疊、包裝而成，其復(fù)雜性不亞于蛋白質(zhì)。其中雙螺旋區(qū)域主要充當(dāng)剛性框架結(jié)構(gòu)來(lái)組織其它結(jié)構(gòu)或功效部件。組成突起、內(nèi)部環(huán)、發(fā)夾環(huán)和末端環(huán)單鏈區(qū)域?qū)τ赗NA最終三級(jí)結(jié)構(gòu)形成至關(guān)主要，其作用相當(dāng)于氨基酸殘基側(cè)鏈基團(tuán)對(duì)于蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)形成貢獻(xiàn)。正是因?yàn)檫@些單鏈區(qū)之間以及單鏈區(qū)與雙鏈區(qū)之間核苷酸相互作用，才使得一個(gè)RNA最終能夠折疊成特有三級(jí)結(jié)構(gòu)。RNA折疊，尤其是較大RNA，就像大多數(shù)蛋白質(zhì)折疊一樣，也需要分子伴侶幫助，方便讓大多數(shù)RNA能快速折疊成正確構(gòu)象。為了與參加蛋白質(zhì)折疊分子伴侶區(qū)分開(kāi)來(lái)，通常將幫助RNA折疊分子伴侶稱(chēng)為RNA伴侶。RNA伴侶與正在折疊RNA分子結(jié)合以后，一旦有錯(cuò)誤折疊，就會(huì)破壞錯(cuò)誤折疊RNA分子內(nèi)部次級(jí)鍵，形成RNA蛋白體復(fù)合物，在這種復(fù)合物里，RNA能快速重新折疊成最終正確構(gòu)象。RNA三級(jí)結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第41頁(yè)枯草桿菌TPP核開(kāi)關(guān)三級(jí)結(jié)構(gòu)形成

楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第42頁(yè)組成RNA三級(jí)結(jié)構(gòu)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(jí)結(jié)構(gòu)RNA三級(jí)結(jié)構(gòu)楊榮武生物化學(xué)核酸的結(jié)構(gòu)與功能第43頁(yè)氨基酸運(yùn)載工具tRNA只由一條鏈組成，含有73~94個(gè)核苷酸，其中有不少是修飾，3′端最終三個(gè)核苷酸總是CCA，鏈內(nèi)大多數(shù)