第13章 核酸的结构

1、 核苷酸核苷酸 核酸的共价结构核酸的共价结构 DNA的高级结构的高级结构 RNA的高级结构的高级结构核酸的结构核酸的结构2 核苷酸核苷酸磷酸磷酸碱基碱基戊糖戊糖一、核苷酸一、核苷酸3碱基（碱基（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）鸟嘌呤（鸟嘌呤（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碱基稀有碱基假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷次黄嘌呤核苷次黄嘌呤核苷二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核

2、苷甲基鸟嘌呤核苷甲基鸟嘌呤核苷5176G+核糖核糖 G+脱氧核糖脱氧核糖C+核糖核糖 RNA A+脱氧核糖脱氧核糖 DNAU+核糖核糖 T+脱氧核糖脱氧核糖9111碱基碱基 的名称的名称+核苷（脱氧核苷）核苷（脱氧核苷）核苷（核苷（nucleoside）N9-C1 N1-C1 7核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。核苷酸（核苷酸（ribonucleotide）NNNN9NH2OO HO HHHHCH2H1 2OPO- -HOO糖苷键糖苷键酯键酯键核

3、苷酸：核苷酸：AMP GMPUMP CMP脱氧核苷酸：脱氧核苷酸：dAMP dGMPdTMP dCMP 89Adenosine 5 -monophosphate (AMP)Adenosine 5 -diphosphate (ADP)Adenosine 5 -triphosphate (ATP)dAMP5 -phosphate esterH10环化核苷酸：环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信是细胞信号转导中的第二信使。号转导中的第二信使。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核苷酸的类别核苷酸的类别作为核酸的单体作为核酸的单体细胞中的携能物质（如细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、UTP）酶的辅助因子的结构成分（如酶的辅助因子的结构成分（如NAD+）细胞通讯的媒介（如细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）核苷酸的生物学功能核苷酸的生物学功能133 , 5 -磷酸二酯键磷酸二酯键二、核酸的共价结构二、核酸的共价结构（一）核酸中核苷酸的连接方式（一）核酸中核苷酸的连接方式14A G P5 P T PG PC PT P OH 3 核酸一级结构

5、的书写方法核酸一级结构的书写方法5 pApCpTpGpCpT-OH 3 5 A C T G C T 3 155 end3 end5 end3 endRNADNA（二）（二）DNA的一级结构的一级结构 （三）（三）RNA的一级结构的一级结构 DNA和和RNA的一级结构是指的一级结构是指核苷酸核苷酸的排列顺序，即的排列顺序，即碱基碱基的排列顺序。的排列顺序。16TAGC1718原核生物：多顺反子（原核生物：多顺反子（polycistronic mRNA)真核生物：单顺反子，断裂基因（真核生物：单顺反子，断裂基因（splited gene)RNA的一级结构的一级结构 19真核生物真核生物mRNA结构

6、特点结构特点1. 大多数真核大多数真核mRNA的的5 末端均在转录后加上一个末端均在转录后加上一个7-甲甲基鸟苷，同时第一个核苷酸也可甲基化，形成帽子基鸟苷，同时第一个核苷酸也可甲基化，形成帽子结构：结构：m7GpppNm-。2. 大多数真核大多数真核mRNA的的3 末端有一个多聚腺苷酸末端有一个多聚腺苷酸 (polyA)结构，称为多聚结构，称为多聚A尾。尾。205 -5 三、三、DNADNA的高级结构的高级结构（一）（一） DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff 规则规则（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的碱基组

7、成具有种的特异性。的碱基组成具有种的特异性。（3）DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。碱基组成没有组织和器官的特异性。（4）年龄、营养状况、环境等因素不影响）年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成。的碱基组成。Erwin Chargaff (1905-2002) 1950年年22 Franklin的的X衍射照片显示衍射照片显示DNA是双链并呈螺旋分子。是双链并呈螺旋分子。Watson-Crick的的DNA双螺旋双螺旋结构模型。结构模型。23（二）（二） DNA的二级结构的二级结构Watson-Crick的的DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型24稳定因素：稳定因素： 氢键：维持双螺旋

8、横向稳定氢键：维持双螺旋横向稳定 碱基堆积力：维持纵向稳定碱基堆积力：维持纵向稳定 两条反向平行的脱氧核苷酸链绕同两条反向平行的脱氧核苷酸链绕同一中心轴，形成右手螺旋的结构。一中心轴，形成右手螺旋的结构。 磷酸磷酸-戊糖骨架位于外侧，两条链上戊糖骨架位于外侧，两条链上的碱基以的碱基以A=T、G=C相连，构成碱基相连，构成碱基平面，位于螺旋内侧，碱基平面平面，位于螺旋内侧，碱基平面与螺与螺旋轴近乎垂直旋轴近乎垂直。 螺距为螺距为3.4 nm，旋转一周为，旋转一周为10个碱个碱基对。螺旋直径为基对。螺旋直径为2 nm。 major groove minor groove25碱基互补配对碱基互补配对

9、26稳定双螺旋结构的因素稳定双螺旋结构的因素 碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。 碱基配对的氢键。碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。 磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于有助于DNA稳定。稳定。 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。小分子的攻击。27DNA的双螺旋结构的意义的双螺旋结构的意义 该模型揭示

10、了该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了价值的是确认了碱基配对原则碱基配对原则，这是，这是DNA复制、转录和反转复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是上世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物型的提出是上世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。28DNA构象的多态性构象的多态性在不同的湿度和离子强度时，还可形成在不同的湿度和离子强度时，还可形成A、Z等各种

11、构象。等各种构象。B-DNA典型的典型的Watson-Crick双螺旋双螺旋DNA。右手双螺旋。右手双螺旋。A-DNA右手双螺旋，外形粗短。右手双螺旋，外形粗短。RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子杂交分子具有这种结构。具有这种结构。Z-DNA左手螺旋，外形细长。左手螺旋，外形细长。天然天然B-DNA的局部区域可以形成的局部区域可以形成Z-DNA。A B Z外型外型 粗短粗短 适中适中 细长细长螺旋方向螺旋方向 右手右手 右手右手 左手左手螺旋直径螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm碱基直升碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm碱基夹角碱基夹角 32.70 34.6

12、0 60.00每圈碱基数每圈碱基数 11 10.4 12轴心与碱轴心与碱基对关系基对关系2.46nm 3.32nm 4.56nm碱基倾角碱基倾角 190 10 90大沟大沟 很窄很深很窄很深 很宽较深很宽较深 平坦平坦小沟小沟 很宽、浅很宽、浅 窄、深窄、深 较窄很深较窄很深A、B、Z型型DNA比较比较30 三股螺旋三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963年年通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：旋的大沟结合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤

13、，第三股可以是寡嘧啶或寡第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤嘌呤31第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对。配对。T= A : A , CG ： C+T= A : T CG ： G32 DNA三股螺旋结构常出现在三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始位点复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。或调节位点，如启动子区。 第三股链的存在可能使一些调控蛋白或第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。33（三）

14、（三）DNA的三级结构的三级结构 三级结构是指三级结构是指DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象。超螺旋是形成的构象。超螺旋是DNA三级结构的主要形式。三级结构的主要形式。DNA双螺旋链再盘绕即成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即成超螺旋结构正超螺旋正超螺旋：盘绕的方向与：盘绕的方向与DNA双螺旋方向双螺旋方向相同相同负超螺旋负超螺旋：盘绕的方向与：盘绕的方向与DNA双螺旋方向双螺旋方向相反相反34超螺旋超螺旋螺旋和超螺旋电话线螺旋和超螺旋电话线螺旋螺旋35L=25,T=25,W=0松弛环形松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形解链环形15

15、101520231510152025L=23,T=25,W=2负超螺旋负超螺旋121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成3637连环数连环数（linking number , L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数扭转数扭转数（twisting number , T）DNA分子中的分子中的Watson-Crick螺旋数目，以螺旋数目，以T表示表示超螺旋数超螺旋数（缠绕数（缠绕数 , writhing number , W）L=T+W连环数（连环数（

16、L）扭转数（扭转数（T）缠绕数缠绕数W松驰环松驰环25250解链环解链环23230超螺旋超螺旋2325-238比连环差比连环差（specific linking difference , ）表示表示DNA的超螺旋程度的超螺旋程度(Superhelix density)=（LL0）/L0 = 每一圈初级螺旋（每一圈初级螺旋（10bp，360）出现超螺旋数）出现超螺旋数L0是指松驰环形是指松驰环形DNA的的L值值 负超螺旋负超螺旋DNA是由于两条链的缠绕不足引起（是由于两条链的缠绕不足引起（L），），很易解链，易于参加很易解链，易于参加DNA的复制、重组和转录等。的复制、重组和转录等。39拓扑异构

17、酶拓扑异构酶改变改变DNA拓扑异构体的拓扑异构体的L值。值。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶I（解旋酶）（解旋酶）能使双链负超螺旋能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状转变成松驰形环状DNA，每次催化使，每次催化使L值增加值增加1。拓扑异构酶酶拓扑异构酶酶II（促旋酶）（促旋酶）能使松驰环状能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形转变成负超螺旋形DNA，每次催化使，每次催化使L减少减少2。40 41 DNA双链重新连接双链重新连接DNA双链穿过双链穿过DNA的释放的释放重复重复起始起始DNA双链断裂双链断裂42 所有细菌、某些病毒以及真核细胞中的所有细菌、某些病毒以及真核细胞中的线粒体或叶绿体中的线粒体或叶

18、绿体中的DNA都是都是环形分子环形分子。43DNA超螺旋结构形成的意义超螺旋结构形成的意义 使使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；形成高度致密状态从而得以装入核中； 推动推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。和转录。44（四）（四）DNA与蛋白质复合物的结构与蛋白质复合物的结构 生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，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，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。四级结构四级结构451. 病毒病毒噬菌体噬菌体T2结构结构头部头部颈圈颈圈尾部尾部基板基板尾丝尾丝尖钉尖钉46动物病毒切面模式图动物病毒切面模式图被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣壳（蛋白质）衣壳（蛋白质）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒病毒粒47细菌拟核（细菌拟核（nucleoid ）的突环结构）的突环结构RNA-蛋白质核心蛋白质核心突环由双链突环由双链DNA结合结合碱性蛋白质组成碱性蛋白质组成平均一个突环含平均一个突环含有约有约40kbDNA2. 细

20、菌的拟核细菌的拟核483. 真核生物的染色体真核生物的染色体1组蛋白与组蛋白与DNA的结合的结合核小体核小体49真核生物染色体真核生物染色体DNA组装不同层次的结构组装不同层次的结构DNA （2nm）核小体链（核小体链（ 11nm，每个核小体，每个核小体200bp）纤丝（纤丝（ 30nm，每圈，每圈6个核小体）个核小体）突环（突环（ 150nm，每个突环大约，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（玫瑰花结（ 300nm ，6个突环）个突环）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm，每圈，每圈30个玫瑰花）个玫瑰花）染色体（染色体（ 1400nm，每个染色单体含，每个染色单体含 10个螺旋圈）个螺旋圈）50四、四、RNARNA的高级结构的高级结构 天然天然RNA分子多数是单链线形分子，分子多数是单链线形分子，只有部分区域是双螺旋结构。只有部分区域是双螺旋结构。51酵母酵母tRNA Ala 的二级结构的二级结构DHU环环IGC反密码子反密码子反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环TC环环CCAAla3 5 三叶草形三叶草形（一）（一）tRNA的高级结构的高级结构52tRNA三级结构三级结构倒倒L形形5354tRNA的高级结构的高级结构 70-90b，分子量在，分子量在25kd左右，沉降系数左右，沉降系数4S左右左右 有较多有较多稀有碱基稀有碱基 3 末端为末端为CCA-O