核酸核酸的結(jié)構(gòu)

關(guān)于核酸核酸的結(jié)構(gòu)第1頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)第2頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三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(jié)構(gòu)異同第3頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三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(zhì)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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三RNA處于單鏈狀態(tài)，使其能夠自我折疊成可以和蛋白質(zhì)相媲美的各種類型的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)，這是形成RNA結(jié)構(gòu)多樣性的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)的多樣性使其在細胞內(nèi)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(zhì)這項唯一的功能為什么RNA通常單鏈，DNA通常雙鏈？第5頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三不同類型的RNA的功能和分布第6頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三不同類型的RNA的功能和分布第7頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三一、核酸的一級結(jié)構(gòu)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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三AGP5PTPGPCPTPOH3一級結(jié)構(gòu)的書寫方法簡寫為：5pApGpTpGpCpT-OH

3或5pA-G-T-G-C-TOH

3

和pAGTGCT第9頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三5′-末端3′-末端CGA磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵第10頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第11頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三二、DNA的二級結(jié)構(gòu)1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和分子模型，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三DNA結(jié)構(gòu)的揭示第13頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三JamesWatson&FrancisCrick第14頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三"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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三已步入古稀之年的Watson（左）和Crick（右）在討論DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型第16頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三HappyBirthday,

DoubleHelix

第17頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三DNA分子X射線衍射照片RosalindFranklin

1、X射線衍射數(shù)據(jù)（一）雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立的依據(jù)：不同來源的DNA纖維具有相似的X射線衍射圖譜第18頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第19頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三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(shù)=嘧啶堿總數(shù)（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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第21頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3、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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三Watson-Crick的DNA雙螺旋2.0nm結(jié)構(gòu)特征第23頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（二）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3、成對堿基位于螺旋主鏈內(nèi)側(cè)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型要點第25頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三堿基互補配對：鳥嘌呤/胞嘧啶第26頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三堿基互補配對：腺嘌呤/胸腺嘧啶第27頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三AT和GC堿基對的配對性質(zhì)第28頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（三）穩(wěn)定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一個強大的疏水區(qū)，產(chǎn)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(zhì)中的陽離子之間形成的離子鍵。

第29頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三記憶技巧逆向平行雙螺旋；內(nèi)有堿基配氫鍵；平行堿基堆積力；三個數(shù)字記心間。注意：一定不要和蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)特點混淆，尤其是幾個重要數(shù)字第30頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（四）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的其他類型第31頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三不同類型的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)第32頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三B-DNA：92%相對濕度，接近細胞內(nèi)的DNA構(gòu)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(gòu)象相似，推測轉(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)換可能和基因的調(diào)控有關(guān)。DNA在不同鹽溶液及不同相對濕度下的存在狀態(tài)第33頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三旋向螺距(nm)堿基數(shù)（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(gòu)型的比較第34頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

※這些結(jié)構(gòu)的多樣性并未影響Watson和Crick提出的DNA結(jié)構(gòu)的主要性質(zhì)：互補性雙鏈、反向平行、需要A＝T和G≡C堿基對。第35頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三1、回文結(jié)構(gòu)（五）與DNA堿基序列相關(guān)的特殊結(jié)構(gòu)

所謂回文序列就是指DNA某一片段旋轉(zhuǎn)180°后，順序不變的序列，回文序列中的單鏈可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。雙鏈可形成十字架結(jié)構(gòu)。這種發(fā)夾結(jié)構(gòu)或十字架結(jié)構(gòu)在大腸桿菌細胞DNA中已有發(fā)現(xiàn).第36頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三核酸分子中的回文序列第37頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（1）回文結(jié)構(gòu)中的單鏈可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)第38頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（2）雙鏈回文結(jié)構(gòu)可形成十字架結(jié)構(gòu)第39頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2、鏡像結(jié)構(gòu)

所謂鏡像結(jié)構(gòu)就是指DNA某一片段在一條鏈上出現(xiàn)顛倒重復的序列。第40頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

多嘌呤-多嘧啶的鏡像序列可形成三螺旋結(jié)構(gòu)(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(diào)節(jié)區(qū)?？赡芘c基因表達的調(diào)節(jié)有關(guān)。（六）DNA的多鏈螺旋結(jié)構(gòu)第41頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3被質(zhì)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(jié)構(gòu)(triplex)。第42頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三組成三股螺旋的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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三三鏈結(jié)構(gòu)第44頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三鳥嘌呤之間通過Hoogsteen氫鍵形成特殊的四鏈結(jié)構(gòu)(tetraplex)，可能存在于真核細胞染色體的端粒中。四鏈結(jié)構(gòu)第45頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三

大多數(shù)原核生物為共價封閉的環(huán)狀雙螺旋分子，這種環(huán)狀結(jié)構(gòu)可再次螺旋化—超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)有兩種:

負超螺旋(右旋)

正超螺旋(左旋)三、DNA的高級結(jié)構(gòu)1、環(huán)狀DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)第46頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三原核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)某些病毒、細菌質(zhì)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(chǔ)上進一步扭轉(zhuǎn)盤曲,形成超螺旋(supercoil)，體積進一步壓縮。

第47頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第48頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)

DNA雙螺旋鏈再盤繞即形成超螺旋結(jié)構(gòu)

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(nèi)的主要存在形式第49頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三環(huán)狀DNA結(jié)構(gòu)示意圖第50頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三超螺旋數(shù)(W)：螺旋軸的纏繞數(shù)扭曲數(shù)，拓撲連環(huán)數(shù)(L)：一條以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的總次數(shù)。數(shù)值等于沒有任何超螺旋下的螺旋數(shù)扭轉(zhuǎn)數(shù)(T)：雙螺旋的圈數(shù)，即DNA雙鏈的互相纏繞數(shù),B-DNA模型螺旋數(shù)

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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第52頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2、真核生物染色體的結(jié)構(gòu)在真核細胞內(nèi)，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(zhì)結(jié)合，以染色質(zhì)（chromatin）或染色體（chromosome）的形式存在于細胞核內(nèi)。它們的基本結(jié)構(gòu)單位都是核小體（nucleosome）。第53頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三真核生物DNA的高級結(jié)構(gòu)著絲粒第54頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三核小體的組成DNA：約200bp組蛋白：H1H2A，H2BH3H4第55頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三核小體的形成第56頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝第58頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三四、DNA和基因組DNA的基本功能：復制和轉(zhuǎn)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(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)。第59頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（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(diào)節(jié)基因：只調(diào)節(jié)，不轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)基因：為RNA或蛋白質(zhì)編碼間隔序列：不轉(zhuǎn)錄為RNA，也無調(diào)節(jié)功能第60頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三基因組（genome）：某生物體（完整單倍體）所含全部遺傳物質(zhì)的總和，包括：核基因組（擬核/核DNA）及核外（質(zhì)粒/質(zhì)體DNA）。bp（堿基對）

103104105106107108109101010111012人兩棲類魚類藻類酵母細菌E.Coli病毒質(zhì)粒各種細胞、病毒和細菌質(zhì)粒中基因組的大小第61頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（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(zhì)，間隔序列很短（3）功能相關(guān)基因常串聯(lián)，有同一調(diào)控元件調(diào)控，轉(zhuǎn)錄同一mRNA，指導多種蛋白質(zhì)合成，該結(jié)構(gòu)稱為操縱子1、共同特點第62頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三tayz

opstructural

gene原核生物基因的調(diào)控序列promoter啟動子promoterterminator終止子terminatoroperator操縱元件operator第63頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2、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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3、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(zhì)粒②編碼蛋白基因單拷貝③有多種調(diào)控區(qū)和少量重復序列，比病毒復雜④存在類似轉(zhuǎn)座子第65頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（三）真核生物基因組的特點（1）基因組大（2）無操縱子結(jié)構(gòu)（3）有大量重復序列（4）有斷裂基因（內(nèi)含子、外顯子）第66頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)RNA的結(jié)構(gòu)和功能第67頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三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(shù)不一定等于嘧啶堿基的總數(shù)。RNA通常以單鏈的形式存在，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)，稱為“發(fā)夾”結(jié)構(gòu)。有復雜的局部二級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)遠比DNA表現(xiàn)出多樣性。一、RNA的特點第68頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三結(jié)構(gòu)：單鏈線形分子，局部區(qū)域有雙螺旋。二、RNA的結(jié)構(gòu)第69頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（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(jié)構(gòu)呈三葉草形。（5）三級結(jié)構(gòu)呈倒L形。（一）轉(zhuǎn)移RNA(transferRNAs,tRNAs)1、tRNA的特點：第70頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三2、tRNA的二級結(jié)構(gòu)tRNA的二級結(jié)構(gòu)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，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三攜帶氨基酸辨認并結(jié)合氨基酰tRNA合成酶識別mRNA上的密碼識別并結(jié)合核糖體氨基酸臂二氫尿嘧啶環(huán)反密碼環(huán)可變環(huán)TC環(huán)第72頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三3、tRNA的三級結(jié)構(gòu)*tRNA的三級結(jié)構(gòu)——倒L型*tRNA的功能活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。第73頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三（二）核糖體RNA(ribosomalRNAs，rRNAs)1）占RNA總量的80%，是細胞內(nèi)含量最多的RNA2）與核糖體結(jié)合，構(gòu)成核糖體的骨架，為蛋白質(zhì)合成提供場所。3）許多rRNA的一級結(jié)構(gòu)及由一級結(jié)構(gòu)推導出來的二級結(jié)構(gòu)都已闡明，但是對許多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。第74頁，講稿共83頁，2023年5月2日，星期三核糖體的組成原核生物（以大腸桿菌為