楊榮武生物化學第六章 核酸的結構與功能

第六章核酸的結構與功能提要一、核酸的分類二、核酸的一級結構三、核酸的高級結構DNA的高級結構RNA的高級結構四、核酸與蛋白質(zhì)的相互作用DNA與蛋白質(zhì)形成的復合體RNA與蛋白質(zhì)形成的復合體五、核酸的功能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C自發(fā)脫氨基變成U修復酶能夠識別這些突變，以用C取代這些U。如何區(qū)分正常的U和突變而來的U?使用T就很容易解決以上問題。CU為什么DNA的第四個堿基通常是T?RNA臨近的-OH使其更容易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?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(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？不同類型的RNA的功能和分布不同類型的RNA的功能和分布定義：核苷酸或堿基的排列順序?qū)懛ǎ簭淖蟮接遥?'端到3'端意義：DNA一級結構貯存各種遺傳信息核酸的一級結構構成DNA和RNA核苷酸的結構和連接方式DNA的二級結構主要是各種形式的螺旋，特別是B-型雙螺旋，此外還有A-型雙螺旋、Z-型雙螺旋、三鏈螺旋和四鏈螺旋等DNA的二級結構HappyBirthday,

DoubleHelix

"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."已步入古稀之年的Watson（左）和Crick（右）在討論DNA雙螺旋結構模型DNA二級結構的主要形式為Watson和Crick于1953年提出的B型雙螺旋，其主要內(nèi)容是：DNA由兩條呈反平行的多聚核苷酸鏈組成，兩條鏈相互纏繞形成右手雙螺旋；組成右手雙螺旋的兩條鏈是互補的，它們通過特殊的堿基對結合在一起，一條鏈上的A總是與另一條鏈的T，G總是和C配對。其中AT堿基對有二個氫鍵，GC堿基對有3個氫鍵；堿基對位于雙螺旋的內(nèi)部，并垂直于暴露在外的脫氧核糖磷酸骨架。堿基對之間通過疏水鍵和范德華力相互垛疊在一起，對雙螺旋的穩(wěn)定起一定的作用；雙螺旋的表面含有明顯的大溝和小溝（其寬度分別為2.2nm和1.2nm；雙螺旋的其他常數(shù)包括相鄰堿基對距離為0.34nm，并相差約36°。螺旋的直經(jīng)為2nm，每一轉(zhuǎn)完整的螺旋含有10個堿基對，其高度為3.4nm。B型雙螺旋AT和GC堿基對的配對性質(zhì)B-型DNA雙螺旋結構的主要特征大溝和小溝的秘密X射線衍射數(shù)據(jù)Chargaff規(guī)則堿基的互變異構DNA雙螺旋結構的證據(jù)物種A:TG:CA:G人1.001.001.56大麻哈魚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不同物種DNA的A/T、G/C和A/G的比率氫鍵氫鍵固然重要，但它們主要決定堿基配對的特異性，而對雙螺旋穩(wěn)定的貢獻不是最重要的。對雙螺旋穩(wěn)定起決定性作用的是堿基的堆集力。堿基堆集力這是堿基對之間在垂直方向上的相互作用所產(chǎn)生的力。它包括疏水作用和范德華力。堿基間相互作用的強度與相鄰堿基之間環(huán)重疊的面積成正比。總的趨勢是嘌呤與嘌呤之間>嘌呤與嘧啶之間>嘧啶與嘧啶之間。另外堿基的甲基化能提高堿基的堆積力。陽離子或帶正電荷的化合物對磷酸基團的中和雙螺旋穩(wěn)定的因素DNA的ABZ雙螺旋和三螺旋A型雙螺旋、B型雙螺旋和Z型雙螺旋的比較由AlexRich發(fā)現(xiàn)存在于DNA富含G:C的區(qū)域G為順式構象C保持反式，但整個胞苷酸（堿基和脫氧核糖）翻轉(zhuǎn)180度結果是G:C氫鍵在Z-DNA中得以保持!Z-DNA細胞內(nèi)的DNA在特殊的條件下還可能形成其他幾種非標準的二級結構。這些特殊的條件包括：DNA受到某些蛋白質(zhì)的作用（如組蛋白）；DNA本身所具有的特殊基序，例如反向重復序列，回文結構，鏡像重復，直接重復，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）滑動錯配DNA（SMP-DNA）DNA的非標準二級結構DNA彎曲十字形DNA的形成三螺旋DNA（H-DNA）Hoogsteen堿基對與Watson-Crick堿基對

DNA雙螺旋上某一個位置的C發(fā)生的翻轉(zhuǎn)DNA四連結構滑動錯配DNA如果通過某種手段使得DNA雙螺旋每一圈的堿基對數(shù)目多于或少于10對，將導致DNA雙螺旋纏繞過多或纏繞不足；如果這時的DNA兩端被固定或者DNA本來是共價閉環(huán)的，則DNA會因張力無法釋放而自發(fā)地形成超螺旋結構。DNA超螺旋分為正超螺旋和負超螺旋，其中正超螺旋為左手超螺旋，由DNA雙螺旋過度纏繞引起，負超螺旋為右手超螺旋，由DNA雙螺旋纏繞不足引起。DNA的三級結構——超螺旋正超螺旋與負超螺旋DNA復制過程中正超螺旋DNA的形成從DNA雙螺旋到染色體電鏡下的核小體結構

核小體結構模型RNA的二級結構主要取決于它的堿基組成