生物化学-13核酸结构

核酸核苷酸核苷磷酸含氮碱基戊糖嘧啶（Pyrimidine）胞嘧啶Cytosine(DNA,RNA)尿嘧啶Uracil

(RNA)胸腺嘧啶Thymine

(DNA)嘌呤（Purine

）腺嘌呤Adenine

(DNA,RNA)鸟嘌呤Guanine

(DNA,RNA)含氮碱基（Nitrogenous

Base）戊糖（Pentose）组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为

β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖差异：2‘-OH

vs

2’-H核苷（nucleoside）核苷：戊糖+碱基核酸中的C-N糖苷键糖苷键均为型有核糖核苷（2’OH，组成RNA）和脱氧核糖核苷（2’H，组成DNA）稀有核苷多出现在tRNA中修饰核苷包括三种情况:由修饰碱基和糖组成的核苷由非修饰碱基和2-O-甲基核糖组成的核苷由碱基与糖连接方式特殊的核苷HNOONRHHHH5,6-dihydrouridine(D

or

hU)NCH3NH2ONdROHHOCH2HH

HOH

OCH3Ade5-Methyl-dC 2'-O-甲基腺苷(Am)Am表示甲基是修饰于核糖上H2HHHHOCHHN

NHOOO51'OH

OH假尿嘧啶核苷(pseudouridine)(ψ)修饰核苷的简写符号m2

N2取代位置核苷取代基取代基的数目一段RNA中pAmpm7GpDpψpTOH有几个稀有碱基，几个稀有核苷？核苷酸（nucleotide）核苷+磷酸戊糖+碱基+磷酸5’核糖核苷酸HH5’脱氧核糖核苷酸核酸（多聚核苷酸）Nucleic

Acids

-Polynucleotides多聚核苷酸是通过3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物多聚核苷酸链具有方向性，默认阅读方向为5′→3′RNA/DNADNA的结构DNA的一级结构：脱氧核糖核酸的排列顺序可以用碱基排列顺序表示连接键：3’，5’-磷酸二酯键磷酸与戊糖顺序相连形成主链骨架碱基形成侧链2.0nm小沟大沟DNA的二级结构—双螺旋模型两条链反向平行，右手螺旋两条链根据碱基配对原则互补（A-T，G-C）碱基在内，碱基平面垂直于螺旋轴戊糖与磷酸在外，以3’，5’-磷酸二酯键连接形成DNA的骨架双螺旋直径2nm，碱基堆积距离0.34nm，每转一周为10碱基对（bp）碱基的性质影响核酸的结构碱基环上的许多原子参与

，大部分键具有双键性质，碱基环形成平面，在260nm有强吸收峰碱基具有疏水性，平行堆积时碱基之间产生碱基堆积力（疏水相互作用，范得华力）碱基之间可以形成氢键，A＝T，G≡C，GC连接更稳定稳定双螺旋的力氢键（A＝T，G≡C）碱基堆积力（疏水相互作用及范德华力）离子键等（磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和）DNA变性剂破坏稳定双螺旋的力（热、pH、脲/酰胺、）DNA的双螺旋结构的意义该模型最有价值的是确认了碱基配对原则，是

遗传信息传递和表达的分子基础，是DNA

、转录和反转录的分子基础，揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征。该模型的提出是上世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。DNA双螺旋的不同构象三种DNA双螺旋构象比较ABZ外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.37nm1.84nm碱基直升0.23nm0.34nm0.38nm碱基夹角32.7034.6060.00每圈碱基数1110.412与碱基对关系2.46nm3.32nm4.56nm碱基倾角1901090反式

C、T反式，G顺式糖苷键构象

反式大沟

很窄很深

很宽较深小沟

很宽、浅

窄、深平坦较窄很深DNA的三级结构DNA的三级结构指双螺旋DNA分子通过

和折叠所形成的特定构象原核生物：环状双链DNA形成超螺旋真核生物：线性双链DNA生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以

白（nucleoprotein）的形式存在。DNA分子与蛋白质结合后被组装到有限的空间中环状DNA细菌

DNA是环状双链DNA提取过程中可获得三种形式的DNA超螺旋DNA（supercoiled

DNA），又称共价闭环DNA开环DNA，双链环状DNA的一条链断裂线性DNA，环状DNA的双链断裂螺旋和超螺旋电话线螺旋超螺旋L=25,T=25,W=0松弛环形152010523

1L=23,T=23,W=0解链环形5

10

152025L=23,T=25,W=–2负超螺旋152310

15

20右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成超螺旋状态的定量描述L=25,T=25,W=0松弛环形1520105L=T+WL——连环数（linkingnumber），DNA双螺旋中一条链以右手螺旋与另一条链缠绕的次数。T——DNA分子中的螺旋数（twisting

number）W——超螺旋数或缠绕数（writhing

number）23

1L=23,T=25,W=–2负超螺旋除连环数（L）不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体（topoisomerase）。DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构。细胞内拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。DNA超螺旋结构形成的意义使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中；推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如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

和转录。真核细胞DNA的包装真核细胞

DNA中，DNA与组蛋白结合成核小体的结构单位。核小体再进一步包装，通过螺旋再螺旋，再螺旋将DNA高度压缩。真核生物

DNA组装不同层次的结构DNA（2nm）核小体链（

11nm，每个核小体200bp）纤丝（

30nm，每圈6个核小体）突环（

150nm，每个突环大约75000bp）玫瑰花结（

300nm

，6个突环）螺旋圈（

700nm，每圈30个玫瑰花结）（

1400nm，每个

含10个螺旋圈）RNA的一级结构RNA分子中核苷酸的排列顺序RNA分子也是以3´-5´磷酸二酯键连接而成的线型多聚核苷酸OHOH5´3´5´O3´HDNA和RNA的差异糖DNA脱氧核糖RNA核糖碱基AGCT不含或很少AGCU含稀有碱基含稀有碱基为什么DNA含有T?C能自动脱氨变为U，修复酶能识别这种突变而将U替换为C。为区分DNA里本来的U还是C脱氨产生的U，所以DNA里没有U，而是T（5-甲基U）thymine为什么DNA

2‘-deoxy而RNA不是?RNA中的邻近OH

(2‘3’)使得RNA容易水解，不稳定DNA没有2‘OH，更稳定，作为遗传物质DNA需要更加稳定RNA结构特点碱基组成

A、G、C、U稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，局部形成螺旋（茎环结构）（A＝U/G≡C）分子较小RNA的类别信使RNA（messenger

RNA，mRNA）：在蛋白质中起模板作用；核糖体RNA（ribosomal

RNA，rRNA）：与蛋白质结合构成核糖体（ribosome）,核糖体是蛋白质的场所；转移RNA（transfor

RNA，tRNA）：在蛋白质时起着携带活化氨基酸的作用。mRNA是蛋白质 的模板原核生物的一条mRNA上有多个编码区，可以翻译成多条多肽链（多顺反子mRNA）5’pppA/G5’

UTRAUG

UAACistron1AUG

UAACistron2AUG

UAACistron3

3’UTRA

polycistronic

mRNAIntercistronic

non-coding

sequences真核生物的mRNA只编码一条多肽链（单顺反子mRNA）结构特点：5’

UTR3’UTRm7Gppp(A)n=2005’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为‘帽子’3’-末端有一段长达200个核苷酸左右的多聚腺苷酸(polyA)，称为“尾巴”，A

monocistronic

mRNAAUG

UAAOpen

reading

frame

(ORF)帽子的结构及类型：5´-capcap0:

m7G5´ppp5´

Npcap1:

m7G5´ppp5´

NmpNpcap2:

m7G5´ppp5´

NmpNmpNptRNA转移RNA，蛋白质

时识别

子和转移活化氨基酸，一种氨基酸对应最少一种RNA种类很多，共同特点：小，长度只有73-93核苷酸有保守的二级结构特征，呈三叶草形（cloverleaf

），四臂四环三级结构为倒L形含有很多稀有碱基（稀有核苷）如：次黄苷（I），假尿苷（），双氢尿嘧啶核苷（D），胸苷（T）以及甲基化的碱基tRNA

的二级结构反子,识别mRNA上的子反环氨基酸臂可变环TψC环3’末端都具有pCpCpAOH的结构,接受活化的氨基酸D环DDItRNA的三级结构rRNA的结构占RNA总量的80％与蛋白质组成核糖体，

2/3rRNA,1/3蛋白质，是蛋白质

的场所；有的rRNA还是ribozyme（比如E.

coli

的23S

rRNA

催化肽键的形成）以沉降系数表示rRNA分子大小核糖体核糖体由大小两个亚基组成原核生物核糖体70S50S30S5SrRNA23SrRNA34种蛋白质16S

rRNA21种蛋白质80S60S40S28SrRNA49种蛋白质18SrRNA33种蛋白质真核生物核糖体5SrRNA5.8SrRNA核酸的物理化学性质核酸的水解核酸的磷酸二酯键和糖苷键可以被水解室温条件下，DNA在碱中变性，但不水解，RNA水解，水解产物为

2’-和3’-核苷酸的混合物。加酸加热条件下，DNA和RNA能完全水解核酸的酶水解核酸水解酶的分类根据底物：核糖核酸酶（ribonuclease,

RNase）脱氧核糖核酸酶（deoxyribonuclease,

DNase）根据作用方式：核酸内切酶（endonuclease）核酸外切酶（exonuclease）根据磷酸二酯键断裂的方式核糖核酸酶类牛胰核糖核酸酶（pancreatic

ribonuclease,简称RNase

A或RNase

I）核糖核酸酶T1（ribonuclease

T1，简称RNaseT1）主要作用点为Gp残基核糖核酸酶T2（ribonuclease

T2，简称RNase

T2）