第13章 核酸的結(jié)構(gòu)

1、 核苷酸核苷酸 核酸的共價結(jié)構(gòu)核酸的共價結(jié)構(gòu) DNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu) RNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu)核酸的結(jié)構(gòu)核酸的結(jié)構(gòu)2 核苷酸核苷酸磷酸磷酸堿基堿基戊糖戊糖一、核苷酸一、核苷酸3堿基（堿基（base）嘧啶嘧啶pyrimidine嘌呤嘌呤purine4腺嘌呤（腺嘌呤（A）（6-氨基嘌呤）氨基嘌呤）鳥嘌呤（鳥嘌呤（G）（2-氨基氨基-6-氧嘌呤）氧嘌呤）胞嘧啶（胞嘧啶（C）（2-氧氧-4-氨基嘧啶）氨基嘧啶）胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（T）（5-甲基尿嘧啶）甲基尿嘧啶）尿嘧啶（尿嘧啶（U）2,4-二氧嘧啶二氧嘧啶稀有堿基稀有堿基假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷次黃嘌呤核苷次黃嘌呤核苷二氫尿嘧啶核苷二氫尿嘧啶核

2、苷甲基鳥嘌呤核苷甲基鳥嘌呤核苷5176G+核糖核糖 G+脫氧核糖脫氧核糖C+核糖核糖 RNA A+脫氧核糖脫氧核糖 DNAU+核糖核糖 T+脫氧核糖脫氧核糖9111堿基堿基 的名稱的名稱+核苷（脫氧核苷）核苷（脫氧核苷）核苷（核苷（nucleoside）N9-C1 N1-C1 7核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸核苷或脫氧核苷與磷酸通過酯鍵結(jié)合構(gòu)成核苷酸(ribonucleotide)或脫氧核苷酸或脫氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸（核苷酸（ribonucleotide）NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷鍵糖苷鍵酯鍵酯鍵核

3、苷酸：核苷酸：AMP GMPUMP CMP脫氧核苷酸：脫氧核苷酸：dAMP dGMPdTMP dCMP 89Adenosine 5 -monophosphate (AMP)Adenosine 5 -diphosphate (ADP)Adenosine 5 -triphosphate (ATP)dAMP5 -phosphate esterH10環(huán)化核苷酸：環(huán)化核苷酸：cAMP、cGMP，是細胞信是細胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的第二信使。NOCH2OOHONNNNH2POOHcAMP核苷酸衍生物核苷酸衍生物1112AMP、ADP、ATPGMP、GDP、GTPCMP、CDP、CTPUMP、UD

4、P、UTPdAMP、dADP、dATPdGMP、dGDP、dGTPdCMP、dCDP、dCTPdTMP、dTDP、dTTP核苷酸的類別核苷酸的類別作為核酸的單體作為核酸的單體細胞中的攜能物質(zhì)（如細胞中的攜能物質(zhì)（如ATP、GTP、CTP、UTP）酶的輔助因子的結(jié)構(gòu)成分（如酶的輔助因子的結(jié)構(gòu)成分（如NAD+）細胞通訊的媒介（如細胞通訊的媒介（如cAMP、cGMP）核苷酸的生物學(xué)功能核苷酸的生物學(xué)功能133 , 5 -磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵二、核酸的共價結(jié)構(gòu)二、核酸的共價結(jié)構(gòu)（一）核酸中核苷酸的連接方式（一）核酸中核苷酸的連接方式14A G P5 P T PG PC PT P OH 3 核酸一級結(jié)構(gòu)

5、的書寫方法核酸一級結(jié)構(gòu)的書寫方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 155 end3 end5 end3 endRNADNA（二）（二）DNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu) （三）（三）RNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu) DNA和和RNA的一級結(jié)構(gòu)是指的一級結(jié)構(gòu)是指核苷酸核苷酸的排列順序，即的排列順序，即堿基堿基的排列順序。的排列順序。16TAGC1718原核生物：多順反子（原核生物：多順反子（polycistronic mRNA)真核生物：單順反子，斷裂基因（真核生物：單順反子，斷裂基因（splited gene)RNA的一級結(jié)構(gòu)的一級結(jié)構(gòu) 19真核生物真核生物mRNA結(jié)構(gòu)

6、特點結(jié)構(gòu)特點1. 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的5 末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個末端均在轉(zhuǎn)錄后加上一個7-甲甲基鳥苷，同時第一個核苷酸也可甲基化，形成帽子基鳥苷，同時第一個核苷酸也可甲基化，形成帽子結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：m7GpppNm-。2. 大多數(shù)真核大多數(shù)真核mRNA的的3 末端有一個多聚腺苷酸末端有一個多聚腺苷酸 (polyA)結(jié)構(gòu)，稱為多聚結(jié)構(gòu)，稱為多聚A尾。尾。205 -5 三、三、DNADNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu)（一）（一） DNA堿基組成的堿基組成的Chargaff 規(guī)則規(guī)則（1）所有生物的）所有生物的DNA中，中， A=T，G=C，A+C=G+T，且，且A+G=C+T。（2）DNA的堿基組

7、成具有種的特異性。的堿基組成具有種的特異性。（3）DNA堿基組成沒有組織和器官的特異性。堿基組成沒有組織和器官的特異性。（4）年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境等因素不影響）年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境等因素不影響DNA的堿基組成。的堿基組成。Erwin Chargaff (1905-2002) 1950年年22 Franklin的的X衍射照片顯示衍射照片顯示DNA是雙鏈并呈螺旋分子。是雙鏈并呈螺旋分子。Watson-Crick的的DNA雙螺旋雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型。23（二）（二） DNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)Watson-Crick的的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型24穩(wěn)定因素：穩(wěn)定因素： 氫鍵：維持雙螺旋

8、橫向穩(wěn)定氫鍵：維持雙螺旋橫向穩(wěn)定 堿基堆積力：維持縱向穩(wěn)定堿基堆積力：維持縱向穩(wěn)定 兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈繞同兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈繞同一中心軸，形成右手螺旋的結(jié)構(gòu)。一中心軸，形成右手螺旋的結(jié)構(gòu)。 磷酸磷酸-戊糖骨架位于外側(cè)，兩條鏈上戊糖骨架位于外側(cè)，兩條鏈上的堿基以的堿基以A=T、G=C相連，構(gòu)成堿基相連，構(gòu)成堿基平面，位于螺旋內(nèi)側(cè)，堿基平面平面，位于螺旋內(nèi)側(cè)，堿基平面與螺與螺旋軸近乎垂直旋軸近乎垂直。 螺距為螺距為3.4 nm，旋轉(zhuǎn)一周為，旋轉(zhuǎn)一周為10個堿個堿基對。螺旋直徑為基對。螺旋直徑為2 nm。 major groove minor groove25堿基互補配對堿基互補配對

9、26穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素 堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。 堿基配對的氫鍵。堿基配對的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。含量越多，越穩(wěn)定。 磷酸基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽離子或組蛋白的正離子磷酸基上的負(fù)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(fù)電荷間的斥力，之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負(fù)電荷間的斥力，有助于有助于DNA穩(wěn)定。穩(wěn)定。 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。小分子的攻擊。27DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義的雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義 該模型揭示

10、了該模型揭示了DNA作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有作為遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性特征，最有價值的是確認(rèn)了價值的是確認(rèn)了堿基配對原則堿基配對原則，這是，這是DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和反轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達的分子基礎(chǔ)。該模錄的分子基礎(chǔ)，亦是遺傳信息傳遞和表達的分子基礎(chǔ)。該模型的提出是上世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物型的提出是上世紀(jì)生命科學(xué)的重大突破之一，它奠定了生物化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。化學(xué)和分子生物學(xué)乃至整個生命科學(xué)飛速發(fā)展的基石。28DNA構(gòu)象的多態(tài)性構(gòu)象的多態(tài)性在不同的濕度和離子強度時，還可形成在不同的濕度和離子強度時，還可形成A、Z等各種

11、構(gòu)象。等各種構(gòu)象。B-DNA典型的典型的Watson-Crick雙螺旋雙螺旋DNA。右手雙螺旋。右手雙螺旋。A-DNA右手雙螺旋，外形粗短。右手雙螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA雜交分子雜交分子具有這種結(jié)構(gòu)。具有這種結(jié)構(gòu)。Z-DNA左手螺旋，外形細長。左手螺旋，外形細長。天然天然B-DNA的局部區(qū)域可以形成的局部區(qū)域可以形成Z-DNA。A B Z外型外型 粗短粗短 適中適中 細長細長螺旋方向螺旋方向 右手右手 右手右手 左手左手螺旋直徑螺旋直徑 2.55nm 2.37nm 1.84nm堿基直升堿基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm堿基夾角堿基夾角 32.70 34.6

12、0 60.00每圈堿基數(shù)每圈堿基數(shù) 11 10.4 12軸心與堿軸心與堿基對關(guān)系基對關(guān)系2.46nm 3.32nm 4.56nm堿基傾角堿基傾角 190 10 90大溝大溝 很窄很深很窄很深 很寬較深很寬較深 平坦平坦小溝小溝 很寬、淺很寬、淺 窄、深窄、深 較窄很深較窄很深A(yù)、B、Z型型DNA比較比較30 三股螺旋三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963年年通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合：旋的大溝結(jié)合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中間是寡嘌呤

13、，第三股可以是寡嘧啶或寡第一股是寡嘧啶，中間是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤嘌呤31第三股與寡嘌呤之間同向平行，并按第三股與寡嘌呤之間同向平行，并按Hoogsteen配對。配對。T= A : A , CG ： C+T= A : T CG ： G32 DNA三股螺旋結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)在三股螺旋結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組的起始位點復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組的起始位點或調(diào)節(jié)位點，如啟動子區(qū)?；蛘{(diào)節(jié)位點，如啟動子區(qū)。 第三股鏈的存在可能使一些調(diào)控蛋白或第三股鏈的存在可能使一些調(diào)控蛋白或RNA聚合酶等難以與該聚合酶等難以與該區(qū)段結(jié)合，從而阻遏有關(guān)遺傳信息的表達。區(qū)段結(jié)合，從而阻遏有關(guān)遺傳信息的表達。33（三）

14、（三）DNA的三級結(jié)構(gòu)的三級結(jié)構(gòu) 三級結(jié)構(gòu)是指三級結(jié)構(gòu)是指DNA在雙螺旋的基礎(chǔ)上通過扭曲和折疊在雙螺旋的基礎(chǔ)上通過扭曲和折疊形成的構(gòu)象。超螺旋是形成的構(gòu)象。超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式。三級結(jié)構(gòu)的主要形式。DNA雙螺旋鏈再盤繞即成超螺旋結(jié)構(gòu)雙螺旋鏈再盤繞即成超螺旋結(jié)構(gòu)正超螺旋正超螺旋：盤繞的方向與：盤繞的方向與DNA雙螺旋方向雙螺旋方向相同相同負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋：盤繞的方向與：盤繞的方向與DNA雙螺旋方向雙螺旋方向相反相反34超螺旋超螺旋螺旋和超螺旋電話線螺旋和超螺旋電話線螺旋螺旋35L=25,T=25,W=0松弛環(huán)形松弛環(huán)形1152010523L=23,T=23,W=0解鏈環(huán)形解鏈環(huán)形15

15、101520231510152025L=23,T=25,W=2負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋121482316131510152023右手旋轉(zhuǎn)擰松兩匝后的線形右手旋轉(zhuǎn)擰松兩匝后的線形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成3637連環(huán)數(shù)連環(huán)數(shù)（linking number , 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)雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù)扭轉(zhuǎn)數(shù)扭轉(zhuǎn)數(shù)（twisting number , T）DNA分子中的分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)目，以螺旋數(shù)目，以T表示表示超螺旋數(shù)超螺旋數(shù)（纏繞數(shù)（纏繞數(shù) , writhing number , W）L=T+W連環(huán)數(shù)（連環(huán)數(shù)（

16、L）扭轉(zhuǎn)數(shù)（扭轉(zhuǎn)數(shù)（T）纏繞數(shù)纏繞數(shù)W松馳環(huán)松馳環(huán)25250解鏈環(huán)解鏈環(huán)23230超螺旋超螺旋2325-238比連環(huán)差比連環(huán)差（specific linking difference , ）表示表示DNA的超螺旋程度的超螺旋程度(Superhelix density)=（LL0）/L0 = 每一圈初級螺旋（每一圈初級螺旋（10bp，360）出現(xiàn)超螺旋數(shù)）出現(xiàn)超螺旋數(shù)L0是指松馳環(huán)形是指松馳環(huán)形DNA的的L值值 負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋DNA是由于兩條鏈的纏繞不足引起（是由于兩條鏈的纏繞不足引起（L），），很易解鏈，易于參加很易解鏈，易于參加DNA的復(fù)制、重組和轉(zhuǎn)錄等。的復(fù)制、重組和轉(zhuǎn)錄等。39拓?fù)洚悩?gòu)

17、酶拓?fù)洚悩?gòu)酶改變改變DNA拓?fù)洚悩?gòu)體的拓?fù)洚悩?gòu)體的L值。值。拓?fù)洚悩?gòu)酶酶拓?fù)洚悩?gòu)酶酶I（解旋酶）（解旋酶）能使雙鏈負(fù)超螺旋能使雙鏈負(fù)超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松馳形環(huán)狀轉(zhuǎn)變成松馳形環(huán)狀DNA，每次催化使，每次催化使L值增加值增加1。拓?fù)洚悩?gòu)酶酶拓?fù)洚悩?gòu)酶酶II（促旋酶）（促旋酶）能使松馳環(huán)狀能使松馳環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋形轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋形DNA，每次催化使，每次催化使L減少減少2。40 41 DNA雙鏈重新連接雙鏈重新連接DNA雙鏈穿過雙鏈穿過DNA的釋放的釋放重復(fù)重復(fù)起始起始DNA雙鏈斷裂雙鏈斷裂42 所有細菌、某些病毒以及真核細胞中的所有細菌、某些病毒以及真核細胞中的線粒體或葉綠體中的線粒體或葉

18、綠體中的DNA都是都是環(huán)形分子環(huán)形分子。43DNA超螺旋結(jié)構(gòu)形成的意義超螺旋結(jié)構(gòu)形成的意義 使使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中； 推動推動DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。如結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。如負(fù)超螺旋負(fù)超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導(dǎo)致局部變性，利于復(fù)制分子所受張力會引起互補鏈分開導(dǎo)致局部變性，利于復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。和轉(zhuǎn)錄。44（四）（四）DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu) 生物體內(nèi)的核酸通常都與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，生物體內(nèi)的核酸通常都與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，以以核蛋白核蛋白（nucleoprotein）的形式存在。）的形式

19、存在。DNA分子十分巨分子十分巨大，與蛋白質(zhì)結(jié)合后被組裝到有限的空間中。大，與蛋白質(zhì)結(jié)合后被組裝到有限的空間中。四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)451. 病毒病毒噬菌體噬菌體T2結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)頭部頭部頸圈頸圈尾部尾部基板基板尾絲尾絲尖釘尖釘46動物病毒切面模式圖動物病毒切面模式圖被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣殼（蛋白質(zhì)）衣殼（蛋白質(zhì)）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒病毒粒47細菌擬核（細菌擬核（nucleoid ）的突環(huán)結(jié)構(gòu)）的突環(huán)結(jié)構(gòu)RNA-蛋白質(zhì)核心蛋白質(zhì)核心突環(huán)由雙鏈突環(huán)由雙鏈DNA結(jié)合結(jié)合堿性蛋白質(zhì)組成堿性蛋白質(zhì)組成平均一個突環(huán)含平均一個突環(huán)含有約有約40kbDNA2. 細

20、菌的擬核細菌的擬核483. 真核生物的染色體真核生物的染色體1組蛋白與組蛋白與DNA的結(jié)合的結(jié)合核小體核小體49真核生物染色體真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)組裝不同層次的結(jié)構(gòu)DNA （2nm）核小體鏈（核小體鏈（ 11nm，每個核小體，每個核小體200bp）纖絲（纖絲（ 30nm，每圈，每圈6個核小體）個核小體）突環(huán)（突環(huán)（ 150nm，每個突環(huán)大約，每個突環(huán)大約75000bp）玫瑰花結(jié)（玫瑰花結(jié)（ 300nm ，6個突環(huán)）個突環(huán)）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm，每圈，每圈30個玫瑰花）個玫瑰花）染色體（染色體（ 1400nm，每個染色單體含，每個染色單體含 10個螺旋圈）個螺旋圈）50四、四、RNARNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu) 天然天然RNA分子多數(shù)是單鏈線形分子，分子多數(shù)是單鏈線形分子，只有部分區(qū)域是雙螺旋結(jié)構(gòu)。只有部分區(qū)域是雙螺旋結(jié)構(gòu)。51酵母酵母tRNA Ala 的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu)DHU環(huán)環(huán)IGC反密碼子反密碼子反密碼環(huán)反密碼環(huán)氨基酸臂氨基酸臂可變環(huán)可變環(huán)TC環(huán)環(huán)CCAAla3 5 三葉草形三葉草形（一）（一）tRNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu)52tRNA三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)倒倒L形形5354tRNA的高級結(jié)構(gòu)的高級結(jié)構(gòu) 70-90b，分子量在，分子量在25kd左右，沉降系數(shù)左右，沉降系數(shù)4S左右左右 有較多有較多稀有堿基稀有堿基 3 末端為末端為CCA-O