核酸的结构课件

第十章核酸的结构核酸核苷酸核苷磷酸碱基戊糖

核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核苷和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。核酸的各种水解产物可用层析或电泳等方法分离鉴定。

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。一、核酸的化学组成

元素组成：CHONP

(一)戊糖RiboseDeoxyribose(二)碱基1.嘌呤（Purine）123456978

腺嘌呤AdenineA鸟嘌呤guanineG(三)核苷（nucleoside）核苷戊糖+碱基

糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)AdenosineGuanosineCytidineUridine(四)核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+碱基+磷酸

HHHHHHHHHOH

AMP

dAMP

核苷一磷酸可以进一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。下图给出了腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）的结构。2.环化磷酸化cAMPcGMP3.肌苷酸及鸟苷酸(强力味精)4.辅酶

NAD、NADP、FMNIMPGMP

核酸中核苷酸是通过3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键连接的

交替的戊糖和磷酸基团形成多核苷酸链的共价骨架。碱基给出了核酸序列上的变化。聚合酶催化细胞中的RNA和DNA的合成。

核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP是RNA合成的底物，而dATP、dGTP、dCTP和dTTP是DNA合成的底物。聚合酶通过催化一个核苷酸的3ˊ-OH与另一个核苷酸的5ˊ-磷酸之间形成3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键,将核苷单磷酸加到生长的多核苷酸链上，下图给出了DNA分子的延长反应。

由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸链是核糖核酸（RNA）；由脱氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸链是脱氧核糖核酸（DNA）。

核酸的一级结构是通过3ˊ,5ˊ-磷酸二酯键连接的核苷酸序列。

DNA和RNA的生物合成都是按照5ˊ→3ˊ方向进行的，没有特别指定时，核苷酸序列都是按照5ˊ→3ˊ方向读写。磷酸二酯键5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羟基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH

DNA中碱基组成的这些定量关系，也称为Chargaff法则，后来又被其他的研究者证实。碱基之间的这些定量关系对于建立DNA的三维结构以及遗传信息是如何编码,在DNA中一代一代传下去是一个关键。不同来源的DNA的碱基组成（摩尔百分比）和碱基比例二.DNA的结构(一)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；

DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。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；多核苷酸链均有5’-末端和3’-末端

2.基因与基因组基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物细胞中DNA

分子的最小功能单位。

蛋白质（mRNA蛋白质）产物tRNARNArRNA

调节功能：调节基因无产物

作用未知结构基因3.原核生物基因组特点重复序列少，多位编码区多为操纵子形式组织有重叠基因存在

真核生物基因组特点以染色体存在重复序列多基因组计划人类基因组计划（HumanGenomeProject，HGP）酵母基因组计划（YGP）大肠杆菌（E.Coli）(二)DNA的二级结构

DNA的双螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和Chargaff法则等前人工作，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。

DNA二级结构是一个双螺旋结构

肺炎球菌的转化实验以及噬菌体感染实验使科学家们相信DNA是遗传物质，但遗传信息是如何贮存在DNA分子中的呢？当时摆在研究者面前的问题就是建立一个DNA分子的三维模型，该模型要能够解释Chargaff法则，以及遗传规律等问题。

提出DNA双螺旋模型的是年仅25岁的沃森和35岁的克里克，1962年沃森、克里克和威尔金斯三人获得了诺贝尔医学和生理学奖。但不要忘记富兰克林以及查加夫等人的贡献，正是由于富兰克林拍摄的DNAX-射线衍射图成就了沃森和克里克。

1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick依据X-射线衍射数据和Chargaff法则等进行DNA研究工作，建立一个DNA分子的三维模型，称为DNA双螺旋结构模型，这一模型可以圆满地解释有关DNA的所有数据，包括DNA晶体X-射线衍射数据和Chargaff法则，这一模型现在来看也基本是正确的。

Watson和Crick于1953年的4月25日在Natue上发表了题为“核酸的分子结构――脱氧核糖核酸的结构”的文章，阐述了双螺旋结构模型的要点。DNA双螺旋结构要点：

1、两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴缠绕，形成一个右手的双螺旋。即两条链均为右手螺旋，一条是5ˊ→3ˊ方向，另一条是3ˊ→5ˊ方向。一条链上的碱基通过氢键与另一条链上的碱基连接，形成碱基对。G与C配对，A与T配对（碱基互补），G和C之间可形成三个氢键，而A和T之间只能形成二个氢键。2、交替的脱氧核糖和带负电荷的磷酸基团骨架位于双螺旋的外侧，糖环平面几乎与碱基平面成直角。两条链上的嘌呤碱基与嘧啶碱基堆积在双螺旋的内部，碱基平面与螺旋的长轴垂直。3、双螺旋的平均直径为2nm，相邻碱基对的距离为0.34nm，相邻核苷酸的夹角为36。沿螺旋的长轴每一转含有10个碱基对，其螺距为3.4nm。

G和C之间形成三个氢键

A和T之间形成二个氢键

双螺旋结构模型提供了DNA复制的机理，解释了遗传物质自我复制的机制。模型是两条链，而且碱基互补。复制之前，氢键断裂，两条链彼此分开，每条链都作为一个模板复制出一条新的互补链，这样就得到了两对链，解决了一个基本的生物学问题－遗传复制中样板的分子基础。亲本链子链子链

DNA双螺旋存在几种不同类型的构象在Watson和Crick的DNA双螺旋模型公布之后，通过对合成的已知序列的寡核苷酸的X-射线晶体衍射图的研究发现，存在着B型、A型和Z型DNA。B-DNA和A-DNA都是右手双螺旋结构，而Z-DNA是左手双螺旋结构。B-DNA、A-DNA和Z-DNA双螺旋结构特点

双螺旋DNA的结构参数类型旋转方向螺旋直径（nm）螺距（nm)每转碱基对数目碱基对间垂直距离（nm）碱基对与水平面倾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720º0º7º

DNA双螺旋进一步扭曲，构成三级结构.

用两手分别捏住线性DNA分子的两端，捻动其中的一端或两端同时向相反的方向捻动。当向右捻动时（即沿右手螺旋方向捻动），等于紧旋（所谓的“上劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种超过原有旋转状态的状态，所以称为过旋。当将处于松弛状态（B构型）的双螺旋向左捻动时，等于解旋（所谓的“卸劲”）。处于这样状态的DNA分子相对于它的松弛状态是一种没有达到原有旋转状态的状态，所以称之欠旋。当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目的是维持B型构象。过旋DNA会自动形成额外左手螺旋，而欠旋形成额外右手螺旋，称为负超螺旋。(三)DNA的三级结构

向左捻向右捻松弛型正超螺旋负超螺旋

DNA拓扑学特性

(1)连环数:

在双螺旋DNA中,一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数,以字母L表示。在松弛环状DNA中,L=25

在解链环状DNA中及超螺旋分子中,L=23

这三种环状DNA分子具有相同的结构,但L不同,为拓扑异构体,拓扑异构体酶可以催化拓扑异构体之间的转化。

(2)扭转数:指DNA分子中的Watson-Crick螺旋数,以T表示.(3)超螺旋数:(缠绕数),以W表示。

L,T,W三者之间的关系:L=T+W

（四）真核细胞核内DNA和组蛋白形成染色质

染色质的主要蛋白质成分通称为组蛋白。大多数真核细胞中都含有H1、H2A、H2B、H3和H45种组蛋白。当染色质用低离子强度的溶液处理时，染色质去折叠后电子显微镜照片象是一条线上穿了许多“珠”子一样。“珠子”是DNA-组蛋白的复合体，称为核小体，而“线”是双螺旋DNA。每个核小体是由各2分子的H2A、H2B、H3和H4的八聚体和大约200个DNA碱基对组成，DNA大约缠绕1.75圈，有146个DNA的碱基对处于与组蛋白复合体紧密结合的状态，形成一个核小体核心颗粒。核心颗粒之间的“线”称之连接DNA，大约有54个碱基对长。第5个组蛋白H1既与连接DNA结合，又和核小体核心颗粒结合。H2A、H2B、H3和H4形成八聚体组蛋白和DNA形成核小体

与伸展开的B-DNA长度相比，DNA和组蛋白形成核小体后，长度被压缩了10倍。串珠状的核小体核心颗粒本身可以卷曲成一个螺旋管状，产生一种称之30nm纤维结构。纤维结构可以形成大的环，在一个大的染色体上大约存在着多达2000个环。环可以附着在RNA-蛋白质的支架上，象是被固定一样，可以形成超螺旋。超螺旋还可形成附加的额外的超螺旋，使得DNA一步一步地被压缩。

真核双链线性DNA（dsDNA）

DNA双链以左手螺旋缠绕在组蛋白形成的八聚体核心上即核小体念珠状结构核小体链进一步盘绕、折叠形成染色质丝组成突环玫瑰花结螺线圈由螺线圈组装成染色单体。

真核生物的染色体的组装过程染色体的结构组装过程

核小体（nucleosome）由146bpDNA围绕8个组蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4个2个），绕1¾圈，H1结合在连接区，每个核小体大致包含200bpDNA。

总结：染色体的结构组装过程由6个核小体念珠绕成30nm纤维（fiber）。

总结：染色体的结构组装过程再扭曲成突环（loop），约75000bp。总结：染色体的结构组装过程

形成（玫瑰）花结（rosette），每1花结包括6个突环。在此基础上，由30个花结绕成螺管（coil），最后形成染色单体chromatid）。染色体总结：三.RNA的结构与功能(一)RNA结构特点碱基组成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有碱基较多，稳定性较差，易水解多为单链结构，少数局部形成螺旋分子较小分类mRNAtRNArRNA少数RNA病毒(二)tRNA占RNA总量的15％一种氨基酸对应最少一种tRNA分子量25000左右，大约由70－90个核苷酸组成，沉降系数为4S左右。分子中含有较多的修饰成分。3'-末端都具有CpCpAOH的结构。tRNA的高级结构1、tRNA的二级结构tRNA的二级结构大都呈“三叶草”形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为四臂四环：包括氨基酸接受臂、反密码（环）臂、二氢尿嘧啶（环）臂、TC（环）臂和可变环。除了氨基酸接受区外，其余每个区均含有一个突环和一个臂。

(1)氨基酸接受区

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为腺苷酸。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。

(2)反密码区

与氨基酸接受区相对，一般环中含有7个核苷酸残基，臂中含有5对碱基。其中环中正中的3个核苷酸残基称为反密码子。（3)二氢尿嘧啶区

该区含有二氢尿嘧啶。环由8-12个核苷酸组成，臂由3-4对碱基组成。

(4)TC区

该区与二氢尿嘧啶区相对，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tBNA在此环中都含有TC。

(5)可变区

位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大，一般有3-18个核苷酸组成。假尿苷胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（tRNA）2、tRNA的三级结构

在三叶草型二级