第三節(jié)核酸的分子結構

核酸的組成成分核酸nucleicacid核苷酸nucleotide核苷nucleoside磷酸phosphate嘌呤堿purinebase

或嘧啶堿pyrimidinebase（堿基base）核糖ribose

或脫氧核糖deoxyribose

（戊糖amylsugar）

第三節(jié)核酸的分子結構(書227頁）冷春玲2010.10本節(jié)內(nèi)容：一、核酸的一級結構二、核酸的空間結構（一）DNA的二級結構（secondarystructure）（二）DNA的三級結構——超螺旋結構（三）DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝三、RNA的結構（一）信使RNA的結構與功能（二）tRNA的結構與功能（三）rRNA的結構與功能（四）其他小分子RNA及RNA組學核酸的一級結構：

堿基的排列順序

DNA

5'-ATGCATGC……3'3'-TACGTACG……3'

RNA5'-AUGCAUGC……3'核酸的二級結構：

形成雙螺旋和單鏈環(huán)核酸的三級結構：

空間構象核酸的結構層次一、一級結構（primarystructure）一級結構是指核酸分子中核苷酸的排列順序及連接方式。核苷酸的排列順序代表了遺傳信息。1、核苷酸的連接方式：3

,5

磷酸二酯鍵DNA是dAMP、dGMP、dCMP、dTMP通過3’、5’-磷酸二酯鍵連接起來的線形或環(huán)形多聚體。5ˊ-末端磷酸3ˊ-末端羥基3ˊ，5ˊ-磷酸二酯鍵

DNA一級結構2、核酸的基本結構形式：多核苷酸鏈信息量：DNA中有4種類型的核苷酸，有n個核苷酸組成的DNA鏈中可能有的不同序列總數(shù)為4n。末端：5

端、3

端多核苷酸鏈的方向：5ˊ端→3ˊ端(由左至右)3、表示方法：結構式、線條式、文字縮寫4、DNA一級結構的不均一性重復序列★正向重復(repeat)★反向重復（回文序列）(invertedrepeat,palindromesequence)較長的回文結構，可形成莖環(huán)結構(發(fā)夾結構)或十字形結構較短的回文序列，可作為一種特別信號，如限制性核酸內(nèi)切酶的識別位點。轉錄的終止作用與回文結構有關?！镧R象重復（mirrorrepeat)越是高等的真核生物其調(diào)控序列和重復序列的比例越大。富含AT的序列高等生物中，A+T與C+G的含量差不多相等，但在它們的染色體的某一區(qū)域，AT含量可能很高。在很多有重要調(diào)節(jié)功能（不是蛋白質(zhì)編碼區(qū)）的DNA區(qū)段都富含AT堿基對。特別是在復制起點和啟動的Pribnow框的DNA區(qū)中，富含AT對。這對于復制和轉錄的起始十分重要，因為GC對有三個氫鍵，而AT對只有兩個氫鍵，此處雙鍵易解開。二、DNA的空間結構（書230頁）（一）DNA的二級結構（secondarystructure）1、堿基組成規(guī)則(Chargaff規(guī)則)[A]=[T]，[G]=[C]；

[A]+[G]=[T]+[C](嘌呤與嘧啶的總數(shù)相等)有種屬特異性無組織、器官特異性不受年齡、營養(yǎng)、性別及其他環(huán)境等影響

1、堿基組成規(guī)則2、雙螺旋結構特征3、維持雙螺旋穩(wěn)定的因素4、其他形式的DNA1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎上，根據(jù)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,因此而獲得了諾貝爾(1962)醫(yī)學和生理學獎。DNA分子由兩條DNA單鏈組成。DNA的雙螺旋結構是分子中兩條DNA單鏈之間基團相互識別和作用的結果。雙螺旋結構是DNA二級結構的最基本形式。

DNA雙螺旋結構的特點doublehelixmodel2、

Watson-Crick雙螺旋結構模型(B-DNA)★兩條反平行的多核苷酸鏈繞同一中心軸相纏繞，形成右手雙股螺旋，一條5’→3’，另一條3’→5’★磷酸與脫氧核糖彼此通過3‘、5‘-磷酸二酯鍵相連接，構成DNA分子的骨架。磷酸與脫氧核糖在雙螺旋外側，嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行★每圈螺旋含10個核苷酸，堿基堆積距離0.34nm，螺距為34nm，雙螺旋平均直徑2nm，★兩條核苷酸鏈之間依靠堿基間的氫鏈結合在一起。Ａ＼Ｔ之間兩個氫鍵；Ｇ＼Ｃ之間三個氫鍵。螺圈之間主要靠堿基平面間的堆積力維持★堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制。但當一條多核苷酸鏈的序列確定后，即可決定另一條互補鏈的順序。這就表明，遺傳信息由堿基的序列所攜帶。DNA雙螺旋結構的要點（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈(簡稱DNA單鏈)組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結構。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向為5′端→3′端，而另一條鏈的方向為3′端→5′端?！锪姿崤c脫氧核糖彼此通過3‘、5‘-磷酸二酯鍵相連接，構成DNA分子的骨架。★磷酸與脫氧核糖在雙螺旋外側，嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側?！飰A基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行★兩條核苷酸鏈之間依靠堿基間的氫鏈結合在一起?！锫萑χg主要靠堿基平面間的堆積力維持★每圈螺旋10.4nt，堿基堆積距0.34nm，雙螺旋平均直徑2nm，★大溝：寬1.2nm，深0.85nm，★小溝：寬0.6nm，深0.75nm.是蛋白質(zhì)識別DNA堿基序列的基礎。3、維持雙螺旋穩(wěn)定的因素①堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。②堿基配對的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。③磷酸基上的負電荷與介質(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電荷間的斥力，有助于DNA穩(wěn)定。④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?；仡櫍弘p螺旋結構模型(doublehelixmodel)1、Watson-Crick雙螺旋結構模型(B-DNA)（1）反平行雙鏈：脫氧核糖-磷酸骨架位于外側，堿基對位于內(nèi)側（2）堿基互補配對：AT配對（兩個氫鍵），GC配對（三個氫鍵）；堿基對平面垂直縱軸（3）右手雙螺旋：螺距為3.4nm，直徑為2.0nm，10bp/圈（4）表面功能區(qū)：小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識別DNA堿基序列的基礎

（5）維持結構穩(wěn)定的力量：氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定，堿基堆積力維持螺旋縱向穩(wěn)定4、其他螺旋形式B-DNA：92%相對濕度，接近細胞內(nèi)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19°，螺距與每一轉堿基對數(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，每一轉含12個bp，只有小溝。B-DNA與Z-DNA的相互轉換可能和基因的調(diào)控有關。與轉錄活性有關。Z-DNA轉換成B-DNA將產(chǎn)生使雙螺旋鏈解開的張力，因而暴露出蛋白質(zhì)結合位點，此位點包括復制起始點以及調(diào)控轉錄的啟動子和增強子順序。A-DNAB-DNAZ-DNA三股螺旋DNA(triplehelixDNA,又稱H-DNA)三股DNA是由三條脫氧核苷酸鏈按一定的規(guī)律繞成的螺旋狀結構。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）所組成結構：是在Watson-Crick雙螺旋基礎上形成的，其中大溝中容納第三條鏈形成三股螺旋。在三螺旋DNA中三個堿基配對(Hoogsteenbasepairing)形成三堿基體:T-A-T，C-G-C。作用：H-DNA存在于基因調(diào)控區(qū)和其他重要區(qū)域，因而具有重要意義。

（二）DNA的三級結構——超螺旋結構

DNA的三級結構是指DNA分子（雙螺旋）通過扭曲和折疊所形成的特定構象，包括不同二級結構單元間的相互作用、單鏈與二級結構單元間的相互作用以及DNA的拓撲特征。

超螺旋是DNA三級結構的一種形式。DNA雙螺旋進一步扭曲即成三級結構。天然DNA有雙鏈DNA（dsDNA），有的病毒為單鏈DNA（ssDNA）在dsDNA中：線形分子（大多數(shù)）環(huán)狀分子（dcDNA）：質(zhì)粒、線粒體、葉綠體、病毒、細菌1）共價封閉的環(huán)狀雙螺旋分子2）超螺旋結構：雙螺旋基礎上的螺旋化正超螺旋(positivesupercoil):盤繞方向與雙螺旋方同相同負超螺旋(negativesupercoil):盤繞方向與雙螺旋方向相反負超螺旋是由于兩條鏈纏繞不足引起的，很容易解鏈，它的存在對于轉錄和復制都是必要的

。天然DNA中，大約每100bp上有3-9個負超螺旋。（三）DNA在真核生物細胞核內(nèi)的組裝核小體(nucleosome)：由DNA和組蛋白構成。DNA：以負超螺旋纏繞在組蛋白上組蛋白核心：H2B,H2A,H3,H4H1組蛋白在核小體之間核小體的結構：

H2AH2BH3H4各2分子

H11分子組蛋白八聚體：DNA盤繞八聚體1.６５圈，共146bp,中間連接60bp，每個核小體重復單位約占DNA200bp。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)DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式荷載遺傳信息，并作為基因復制和轉錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎，也是個體生命活動的信息基礎?；驈慕Y構上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。三、RNA的分子結構Ｐ２２０

三、RNA的結構（一）信使RNA的結構與功能（二）tRNA的結構與功能（三）rRNA的結構與功能（四）其他小分子RNA及RNA組學

RNA是單鏈分子，因此在RNA分子中，嘌呤的總數(shù)不一定等于嘧啶的總數(shù)。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結構，不能形成雙螺旋的部分，則形成單鏈突環(huán)。這種結構稱為“發(fā)夾型”結構。在RNA的雙螺旋結構中，堿基的配對情況不象DNA中嚴格。G除了可以和C配對外，也可以和U配對。G-U配對形成的氫鍵較弱。不同類型的RNA,其二級結構有明顯的差異。tRNA中除了常見的堿基外，還存在一些稀有堿基，這類堿基大部分位于突環(huán)部分.RNA的結構特點（一）信使RNA的結構與功能*真核生物mRNA的結構特點（書229頁）1.大多數(shù)真核mRNA的5′末端均在轉錄后加上一個7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C′2也是甲基化，形成帽子結構：m7GpppNm-。2.大多數(shù)真核mRNA的3′末端有一個多聚腺苷酸(polyA)結構，稱為多聚A尾?！?/p>

5’-帽子：m7G5’-ppp5’-Nm（

Nm）p-O型：m7G5’-ppp5’-Np-I：m7G5’-ppp5’-Nmp-Np-II:m7G5’-ppp5’-Nmp-Nmp-Np-甲基鳥苷5’，5’-三磷酸由甲基化酶催化可抵抗5’核酸外切酶降解mRNA?？蔀楹颂求w提供識別位點，使mRNA很快與核糖體結合，促進蛋白質(zhì)合成起始復合物的形成。帽子結構和多聚A尾的功能3’-端有一段約30-300核苷酸的polyA。●轉錄后由poly(A)聚合酶催化加尾●PolyA是mRNA由核進入胞質(zhì)所必需的形式。●polyA與mRNA半壽期有關，PolyA大大提高mRNA在胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。

原核mRNA的結構（多順反子）★由先導區(qū)、插入序列、翻譯區(qū)和末端序列組成。沒有5’帽子和3’polyA?！颯D序列：5’端先導區(qū)中，有一段富含嘌呤的堿基序列，典型的為5’-AGGAGGU-3’，位于起始密碼子AUG前約10核苷酸處，此序列由Shine和Dalgarno發(fā)現(xiàn)，稱SD序列?！颯D序列和核糖體16S的rRNA的3’末端富含嘧啶堿基的序列互補。*mRNA的功能把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序。DNAmRNA蛋白轉錄翻譯原核細胞細胞質(zhì)細胞核DNA內(nèi)含子外顯子轉錄轉錄后剪接轉運mRNAhnRNA翻譯蛋白真核細胞（二）tRNA的結構與功能（書239頁）*

tRNA的一級結構特點含10~20%稀有堿基，如DHU3′末端為-CCA-OH5′末端大多數(shù)為G

具有T

C雙氫尿嘧啶(DHU)假尿嘧啶()次黃嘌呤(I)*tRNA的二級結構——三葉草形

氨基酸臂

DHU環(huán)反密碼環(huán)額外環(huán)

TΨC環(huán)氨基酸臂額外環(huán)*tRNA的功能：活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質(zhì)的翻譯。1、分子較小，含較多的稀有堿基和非標準堿基配對2、5’端一般為鳥嘌呤核苷酸，3’端為CCA-OH3’。3、二級結構為“三葉草”型（cloverleafpattern）小結反密碼環(huán)：反密碼環(huán)中部的三個堿基可以與mRNA的三聯(lián)體密碼形成堿基互補配對，解讀遺傳密碼，稱為反密碼子（anticodon）。ACCDHU環(huán)T

環(huán)反密碼環(huán)5’額外環(huán)氨基酸臂：3`末端的CCA-OH3`單鏈用于連接該tRNA轉運的氨基酸。

二氫尿嘧啶環(huán)（DHU）：識別氨酰-tRNA合成酶TΨC環(huán)：識別核蛋白體（核糖體）4、“倒L”型三級結構（三）rRNA的結構與功能

1)占RNA總量的80%，是構成核糖體的骨架。2)核糖體功能：pro合成的部位.3）結構：分大、小亞基一、二級結構多已確定，但功能不清。原核生物（以大腸桿菌為例）真核生物（以小鼠肝為例）小亞基30S40SrRNA16S1542個核苷酸18S1874個核苷酸蛋白質(zhì)21種占總重量的40%33種占總重量的50%大亞基50S60SrRNA23S5S2940個核苷酸120個核苷酸28S5.85S5S4718個核苷酸160個核苷酸120個核苷酸蛋白質(zhì)31種占總重量的30%49種占總重量的35%核蛋白體的組成組成核糖體催化肽鍵形成在于23SrRNA上參與tRNA與mRNA的結合第四節(jié)核酸的理化性質(zhì)（245頁）大多數(shù)DNA為線性分子，分子極不對稱，粘度極高，而RNA的粘度較??；核酸的水解二.核酸的酸堿性質(zhì)既有磷酸基，又有堿性基團，為兩性電解質(zhì)，通常表現(xiàn)為酸性；三.核酸的紫外吸收四.核酸的變性、復性及雜交一、核酸的水解糖苷鍵和磷酸二酯鍵(一).酸水解：糖苷鍵比磷酸二酯鍵易被酸水解；嘌呤堿的糖苷鍵比嘧啶堿的糖苷鍵穩(wěn)定性差；（二）.堿水解：RNA的磷酸二酯鍵易水解，DNA的較穩(wěn)定；（三）.酶水解：非特異的磷酸二酯酶：蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3’-核苷酸★特異的磷酸二酯酶：核酸酶（一）酸水解★對酸的敏感性：糖苷鍵＞磷酸酯鍵嘌呤糖苷鍵＞嘧啶糖苷鍵★脫嘌呤：pH1.6，37℃，對水透析pH2.8，100℃，1h★脫嘧啶：98-100%甲酸，175℃，2h三氟乙酸，155℃，60min（DNA）或80min（RNA）★利用酸水解可以研究核酸的堿基組成（二）、

堿水解★RNA的磷酸酯鍵對堿敏感室溫，0.3~1mol/LKOH，24h，可將RNA完全水解，得到2’-或3’-核苷酸的混合物?！顳NA抗堿水解★生理意義：DNA更穩(wěn)定，遺傳信息。RNA是DNA的信使，完成任務后迅速降解。（三）、

酶水解★非特異的磷酸二酯酶：蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5’-核苷酸牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3’-核苷酸★特異的磷酸二酯酶：核酸酶核酸酶的分類★底物專一性：核糖核酸酶RNase脫氧核糖核酸酶DNase★作用方式：核酸外切酶（exonuclease)、核酸內(nèi)切酶(endonuclease)單鏈核酸酶、雙鏈核酸酶、雜鏈核酸酶★磷酸二酯鍵的斷裂方式：5’-（寡）核苷酸3’-（寡）核苷酸二、

核酸的酸堿性質(zhì)

核酸的堿基、核苷和核苷酸均能發(fā)生兩性解離。核苷酸含有磷酸和堿基，為兩性電介質(zhì)，在一定條件下形成兼性離子DNA等電點4—4.5RNA等電點2—2.5三、

核酸的紫外吸收堿基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的紫外波段有強烈的光吸收，λmax=260nm1、

鑒定純度純DNA的A260/A280應為1.8（1.65-1.85）純RNA的A260/A280應為2.0。若溶液中含有雜蛋白或苯酚，則A260/A280比值明顯降低。2、

含量計算1ABS值即A1%260表示260nm吸收值為1相當于：50ug/mL雙螺旋DNA或：40ug/mL單鏈D