核酸核酸的結構

核酸核酸的結構第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)核酸的結構第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五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)核酸的分類DNA和RNA的結構異同第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五RNA的2‘-OH的親核性使其很不穩(wěn)定，更容易水解DNA缺乏2'-OH更加穩(wěn)定遺傳物質必須更加穩(wěn)定RNA需要的時候合成，不需要的時候需要迅速降解。為什么DNA2'-脫氧，RNA不是?第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五RNA處于單鏈狀態(tài)，使其能夠自我折疊成可以和蛋白質相媲美的各種類型的二級結構和三級結構，這是形成RNA結構多樣性的基礎，否則所有的RNA與DNA一樣，只能形成千篇一律的雙螺旋。RNA在三維結構的多樣性使其在細胞內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這項唯一的功能為什么RNA通常單鏈，DNA通常雙鏈？第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五不同類型的RNA的功能和分布第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五不同類型的RNA的功能和分布第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五一、核酸的一級結構概念核酸分子中核苷酸的排列順序，即堿基的排列順序連接鍵3,5-磷酸二酯鍵，即第一個核苷酸糖環(huán)上的游離3羥基與第二個核苷酸5磷酸組成3,5磷酸二酯鍵。書寫規(guī)則方向5

3，從繁到簡有多種表示方法。第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五AGP5PTPGPCPTPOH3一級結構的書寫方法簡寫為：5pApGpTpGpCpT-OH

3或5pA-G-T-G-C-TOH

3

和pAGTGCT第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五二、DNA的二級結構1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎上，根據DNA結晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結構模型，并對模型的生物學意義作出了科學的解釋和預測。第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五DNA結構的揭示第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五JamesWatson&FrancisCrick第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五"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."第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五已步入古稀之年的Watson（左）和Crick（右）在討論DNA雙螺旋結構模型第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五HappyBirthday,

DoubleHelix

第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五DNA分子X射線衍射照片RosalindFranklin

1、X射線衍射數據（一）雙螺旋結構模型建立的依據：不同來源的DNA纖維具有相似的X射線衍射圖譜第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五ErwinChargaff（1905-1995）（1）堿基組成規(guī)律：A=T,G=C，A+G=C+T,A和T(U)配對，形成兩個氫鍵；G和C配對，形成三個氫鍵。嘌呤堿總數=嘧啶堿總數（2）堿基組成具有生物種的特異性，即不同物種的DNA具有其獨特的堿基組成。（3）同一個體的不同器官或組織的DNA堿基組成相同。（4）DNA堿基組成不受年齡、營養(yǎng)狀況和環(huán)境的影響2、Chargaff規(guī)則第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五3、DNA的滴定曲線證明：1、DNA的磷酸基可以滴定2、嘌呤和嘧啶的可解離基團則不能滴定說明DNA兩條鏈之間是由氫鍵連接第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五Watson-Crick的DNA雙螺旋2.0nm結構特征第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（二）DNA雙螺旋結構模型要點1、DNA由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成，糖和磷酸基團形成的親水性主鏈沿同一中心軸形成右手螺旋結構；2、兩條鏈是互補的，通過氫鍵相連，A與T配對，形成兩個氫鍵，C與G配對，形成三個氫鍵；2.0nm小溝大溝第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五3、成對堿基位于螺旋主鏈內側，處于同一平面上，與螺旋軸垂直，形成堿基堆積力。對螺旋的穩(wěn)定器重要作用。4、螺旋的平均直徑為2nm，螺距為3.4nm，螺旋一周包含10個堿基對，相鄰堿基距離0.34nm；5、雙螺旋結構的表面形成了一個大溝(majorgroove)和一個小溝(minorgroove)。

2.0nm小溝大溝（二）DNA雙螺旋結構模型要點第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五堿基互補配對：鳥嘌呤/胞嘧啶第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五堿基互補配對：腺嘌呤/胸腺嘧啶第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五AT和GC堿基對的配對性質第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（三）穩(wěn)定DNA雙螺旋結構的作用力1、堿基堆積力(basestacking

interaction)

：主要作用力，是穩(wěn)定DNA雙螺旋的重要因素。包括堿基之間的范德華力和堿基疏水作用。堿基堆積后，在雙螺旋結構內部形成一個強大的疏水區(qū)，產生疏水作用。2、堿基對之間的氫鍵：基本作用力，比較弱3、離子鍵：磷酸殘基上的負電荷與介質中的陽離子之間形成的離子鍵。

第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五記憶技巧逆向平行雙螺旋；內有堿基配氫鍵；平行堿基堆積力；三個數字記心間。注意：一定不要和蛋白質的α螺旋結構特點混淆，尤其是幾個重要數字第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（四）DNA雙螺旋結構的其他類型第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五不同類型的DNA雙螺旋結構第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五B-DNA：92%相對濕度，接近細胞內的DNA構象，與Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相對濕度，與溶液中DNA-RNA雜交分子的構象相似，推測轉錄時發(fā)生B→A。其堿基平面傾斜20°，螺距與每一圈堿基對數目都有變化。Z-DNA：主鏈呈鋸齒型左向盤繞,直徑約1.8nm,螺距4.5nm，每一圈含12個bp,只有小溝。B-DNA與Z-DNA的相互轉換可能和基因的調控有關。DNA在不同鹽溶液及不同相對濕度下的存在狀態(tài)第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五旋向螺距(nm)堿基數（每圈）螺旋直徑（nm）骨架走行存在條件A型右手2.3112.5平滑體外脫水B型右手3.4102.3平滑DNA生理條件Z型左手4.5121.8鋸齒型CG序列三種DNA構型的比較第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五

※這些結構的多樣性并未影響Watson和Crick提出的DNA結構的主要性質：互補性雙鏈、反向平行、需要A＝T和G≡C堿基對。第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五1、回文結構（五）與DNA堿基序列相關的特殊結構

所謂回文序列就是指DNA某一片段旋轉180°后，順序不變的序列，回文序列中的單鏈可形成發(fā)夾結構。雙鏈可形成十字架結構。這種發(fā)夾結構或十字架結構在大腸桿菌細胞DNA中已有發(fā)現.第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五核酸分子中的回文序列第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（1）回文結構中的單鏈可形成發(fā)夾結構第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（2）雙鏈回文結構可形成十字架結構第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五2、鏡像結構

所謂鏡像結構就是指DNA某一片段在一條鏈上出現顛倒重復的序列。第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五

多嘌呤-多嘧啶的鏡像序列可形成三螺旋結構(H-螺旋或Hoogsteen螺旋):

該螺旋常處在許多真核細胞基因的表達調節(jié)區(qū)。可能與基因表達的調節(jié)有關。（六）DNA的多鏈螺旋結構第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3被質子化，可與鳥嘌呤的N-7形成氫鍵；同時，胞嘧啶的N-4的氫原子也可與鳥嘌呤的O-6形成氫鍵，這種氫鍵被稱為Hoogsteen氫鍵。Hoogsteen氫鍵Hoogsteen氫鍵，不破壞Watson-Crick氫鍵，由此形成了C＋GC的三鏈結構(triplex)。第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五組成三股螺旋的DNA單鏈，一般都由單一的嘌呤堿基（A和G）或單一的嘧啶堿基（C和T）所組成第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五三鏈結構第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結構(tetraplex)，可能存在于真核細胞染色體的端粒中。四鏈結構第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五

大多數原核生物為共價封閉的環(huán)狀雙螺旋分子，這種環(huán)狀結構可再次螺旋化—超螺旋結構超螺旋結構有兩種:

負超螺旋(右旋)

正超螺旋(左旋)三、DNA的高級結構1、環(huán)狀DNA的超螺旋結構第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五原核生物DNA的高級結構某些病毒、細菌質粒、真核線粒體、葉綠體、細菌染色體中的DNA在共價閉環(huán)雙螺旋基礎上進一步扭轉盤曲,形成超螺旋(supercoil)，體積進一步壓縮。

第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五超螺旋結構(superhelix或supercoil)

DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結構

正超螺旋(positivesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil)盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反，生物體內的主要存在形式第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五環(huán)狀DNA結構示意圖第50頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五超螺旋數(W)：螺旋軸的纏繞數扭曲數，拓撲連環(huán)數(L)：一條以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的總次數。數值等于沒有任何超螺旋下的螺旋數扭轉數(T)：雙螺旋的圈數，即DNA雙鏈的互相纏繞數,B-DNA模型螺旋數

W=L-T（L=W+T）

W=0

松弛環(huán)

W為負值負超螺旋（右手扭曲）

W為正值正超螺旋（左手扭曲）第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五2、真核生物染色體的結構在真核細胞內，由于DNA分子較原核細胞大得多，所以它們壓縮得更為致密。真核細胞的DNA與蛋白質結合，以染色質（chromatin）或染色體（chromosome）的形式存在于細胞核內。它們的基本結構單位都是核小體（nucleosome）。第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五真核生物DNA的高級結構著絲粒第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五核小體的形成第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五DNA雙螺旋核小體，壓縮7×螺線管，壓縮6×襻，壓縮40×

螺旋圈壓縮5×7×6×40×5=8400突環(huán)第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五DNA在真核生物細胞核內的組裝第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五四、DNA和基因組DNA的基本功能：復制和轉錄的模板。是以基因的形式攜帶遺傳信息，它是生命遺傳的物質基礎，也是個體生命活動的信息基礎。第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（一）基因和基因組的概念基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物細胞中DNA分子的最小功能單位。調節(jié)基因：只調節(jié)，不轉錄結構基因：為RNA或蛋白質編碼間隔序列：不轉錄為RNA，也無調節(jié)功能第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五基因組（genome）：某生物體（完整單倍體）所含全部遺傳物質的總和，包括：核基因組（擬核/核DNA）及核外（質粒/質體DNA）。bp（堿基對）

103104105106107108109101010111012人兩棲類魚類藻類酵母細菌E.Coli病毒質粒各種細胞、病毒和細菌質粒中基因組的大小第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（二）病毒和細菌基因組的特點（1）基因組較小，環(huán)形或鏈形（2）大部分編碼蛋白質，間隔序列很短（3）功能相關基因常串聯，有同一調控元件調控，轉錄同一mRNA，指導多種蛋白質合成，該結構稱為操縱子1、共同特點第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五tayz

opstructural

gene原核生物基因的調控序列promoter啟動子promoterterminator終止子terminatoroperator操縱元件operator第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五2、病毒基因組的特點①DNA或RNA，單鏈或雙鏈，閉合環(huán)形或線形②RNA病毒③有重疊基因：噬菌體中常見第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五3、細菌基因組的特點①環(huán)形或線形DNA，一個復制起點，有的含有質粒②編碼蛋白基因單拷貝③有多種調控區(qū)和少量重復序列，比病毒復雜④存在類似轉座子第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（三）真核生物基因組的特點（1）基因組大（2）無操縱子結構（3）有大量重復序列（4）有斷裂基因（內含子、外顯子）第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)RNA的結構和功能第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五RNA分子的堿基組成不像DNA那樣有嚴格的規(guī)律，即分子中的嘌呤堿基總數不一定等于嘧啶堿基的總數。RNA通常以單鏈的形式存在，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結構。不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)，稱為“發(fā)夾”結構。有復雜的局部二級結構或三級結構。RNA分子的雙螺旋中，堿基的配對情況也不象DNA那樣嚴格。G除了和C配對外，也和U配對，G-U配對形成的氫鍵較弱。RNA比DNA小的多，但種類、大小和結構遠比DNA表現出多樣性。一、RNA的特點第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五結構：單鏈線形分子，局部區(qū)域有雙螺旋。二、RNA的結構第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五（1）由70～90個核苷酸殘基組成，約占RNA總量的15%，具有很好的穩(wěn)定性。（2）含10～20%稀有堿基。（3）3′末端為-CCA-OH。（4）二級結構呈三葉草形。（5）三級結構呈倒L形。（一）轉移RNA(transferRNAs,tRNAs)1、tRNA的特點：第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五2、tRNA的二級結構tRNA的二級結構都呈“三葉草”型，由四環(huán)四臂組成：氨基酸臂DHU（D）環(huán)和D臂反密碼環(huán)和反密碼子臂TψC環(huán)和TψC臂額外環(huán)第71頁，共80頁，2023年，2月20日，星期五攜帶氨基酸辨認并結合氨基酰tRNA合成酶識別mRNA上的密碼識別并結合核糖體氨基酸臂