杨荣武生物化学核酸的结构与功能

提要一、核酸分类二、核酸一级结构三、核酸高级结构DNA高级结构RNA高级结构四、核酸与蛋白质相互作用DNA与蛋白质形成复合体RNA与蛋白质形成复合体五、核酸功效杨荣武生物化学核酸的结构与功能第1页DNA——一个类型，一个功效

RNA——各种类型，各种功效

编码RNA和非编码(NcRNA)核酸分类DNA和RNA结构异同杨荣武生物化学核酸的结构与功能第2页C自发脱氨基变成U修复酶能够识别这些突变，以用C取代这些U。怎样区分正常U和突变而来U?使用T就很轻易处理以上问题。CU为何DNA第四个碱基通常是T?杨荣武生物化学核酸的结构与功能第3页RNA临近-OH使其更轻易DNA缺乏2'-OH愈加稳定

遗传物质必须愈加稳定RNA需要时候合成，不需要时候需要快速降解。为何DNA2'-脱氧，RNA不是?杨荣武生物化学核酸的结构与功能第4页RNA处于单链状态，使其能够自我折叠成能够和蛋白质相媲美各种类型二级结构和三级结构，这是形成RNA结构多样性基础，不然全部RNA与DNA一样，只能形成千篇一律双螺旋。RNA在三维结构多样性使其在细胞内能行使多项生物学功效。DNA通常是双链，使其能够充分地行使作为遗传物质这项唯一功效为何RNA通常单链，DNA通常双链？杨荣武生物化学核酸的结构与功能第5页不一样类型RNA功效和分布杨荣武生物化学核酸的结构与功能第6页不一样类型RNA功效和分布杨荣武生物化学核酸的结构与功能第7页定义：核苷酸或碱基排列次序写法：从左到右，5'端到3'端意义：DNA一级结构贮存各种遗传信息核酸一级结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第8页组成DNA和RNA核苷酸结构和连接方式杨荣武生物化学核酸的结构与功能第9页DNA二级结构主要是各种形式螺旋，尤其是B-型双螺旋，另外还有A-型双螺旋、Z-型双螺旋、三链螺旋和四链螺旋等DNA二级结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第10页HappyBirthday,

DoubleHelix

杨荣武生物化学核酸的结构与功能第11页"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."杨荣武生物化学核酸的结构与功能第12页已步入古稀之年Watson（左）和Crick（右）在讨论DNA双螺旋结构模型杨荣武生物化学核酸的结构与功能第13页DNA二级结构主要形式为Watson和Crick于1953年提出B型双螺旋，其主要内容是：DNA由两条呈反平行多聚核苷酸链组成，两条链相互缠绕形成右手双螺旋；组成右手双螺旋两条链是互补，它们经过特殊碱基对结合在一起，一条链上A总是与另一条链T，G总是和C配对。其中AT碱基对有二个氢键，GC碱基对有3个氢键；碱基对位于双螺旋内部，并垂直于暴露在外脱氧核糖磷酸骨架。碱基对之间经过疏水键和范德华力相互垛叠在一起，对双螺旋稳定起一定作用；双螺旋表面含有显著大沟和小沟（其宽度分别为2.2nm和1.2nm；双螺旋其它常数包含相邻碱基对距离为0.34nm，并相差约36°。螺旋直经为2nm，每一转完整螺旋含有10个碱基对，其高度为3.4nm。B型双螺旋杨荣武生物化学核酸的结构与功能第14页AT和GC碱基正确配对性质杨荣武生物化学核酸的结构与功能第15页B-型DNA双螺旋结构主要特征杨荣武生物化学核酸的结构与功能第16页大沟和小沟秘密杨荣武生物化学核酸的结构与功能第17页X射线衍射数据Chargaff规则碱基互变异构DNA双螺旋结构证据杨荣武生物化学核酸的结构与功能第18页物种A:TG:CA:G人1.001.001.56大麻哈鱼1.021.021.43小麦1.000.971.22酵母1.031.021.67大肠杆菌1.090.991.05粘质沙雷菌0.950.860.70不一样物种DNAA/T、G/C和A/G比率杨荣武生物化学核酸的结构与功能第19页氢键氢键当然主要，但它们主要决定碱基配正确特异性，而对双螺旋稳定贡献不是最主要。对双螺旋稳定起决定性作用是碱基堆集力。碱基堆集力这是碱基对之间在垂直方向上相互作用所产生力。它包含疏水作用和范德华力。碱基间相互作用强度与相邻碱基之间环重合面积成正比。总趋势是嘌呤与嘌呤之间>嘌呤与嘧啶之间>嘧啶与嘧啶之间。另外碱基甲基化能提升碱基堆积力。阳离子或带正电荷化合物对磷酸基团中和双螺旋稳定原因杨荣武生物化学核酸的结构与功能第20页DNAABZ双螺旋和三螺旋杨荣武生物化学核酸的结构与功能第21页A型双螺旋、B型双螺旋和Z型双螺旋比较杨荣武生物化学核酸的结构与功能第22页由AlexRich发觉存在于DNA富含G:C区域G为顺式构象C保持反式，但整个胞苷酸（碱基和脱氧核糖）翻转180度结果是G:C氢键在Z-DNA中得以保持!Z-DNA杨荣武生物化学核酸的结构与功能第23页细胞内DNA在特殊条件下还可能形成其它几个非标准二级结构。这些特殊条件包含：DNA受到一些蛋白质作用（如组蛋白）；DNA本身所含有特殊基序，比如反向重复序列，回文结构，镜像重复，直接重复，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含A序列和富含G序列。（1）弯曲（2）十字形（3）三链螺旋与H-DNA（4）碱基翻转（5）四链螺旋与G-四联体（6）滑动错配DNA（SMP-DNA）DNA非标准二级结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第24页DNA弯曲杨荣武生物化学核酸的结构与功能第25页十字形DNA形成杨荣武生物化学核酸的结构与功能第26页三螺旋DNA（H-DNA）杨荣武生物化学核酸的结构与功能第27页Hoogsteen碱基对与Watson-Crick碱基对

杨荣武生物化学核酸的结构与功能第28页DNA双螺旋上某一个位置C发生翻转杨荣武生物化学核酸的结构与功能第29页DNA四连结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第30页滑动错配DNA杨荣武生物化学核酸的结构与功能第31页假如经过某种伎俩使得DNA双螺旋每一圈碱基对数目多于或少于10对，将造成DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；假如这时DNA两端被固定或者DNA原来是共价闭环，则DNA会因张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为左手超螺旋，由DNA双螺旋过分缠绕引发，负超螺旋为右手超螺旋，由DNA双螺旋缠绕不足引发。DNA三级结构——超螺旋杨荣武生物化学核酸的结构与功能第32页正超螺旋与负超螺旋杨荣武生物化学核酸的结构与功能第33页DNA复制过程中正超螺旋DNA形成杨荣武生物化学核酸的结构与功能第34页从DNA双螺旋到染色体杨荣武生物化学核酸的结构与功能第35页电镜下核小体结构

杨荣武生物化学核酸的结构与功能第36页核小体结构模型杨荣武生物化学核酸的结构与功能第37页RNA二级结构主要取决于它碱基组成，其二级结构多样性能够和蛋白质相媲美。少数病毒RNA由两条互补多聚核糖核苷酸链组成，它二级结构为A型双螺旋。多数RNA仅由一条链组成，它们二级结构主要是由链内碱基互补性决定：链内互补碱基能够相互作用形成链内A型双螺旋，非互补碱基则游离在双螺旋之外，形成各种二级结构。在RNA双螺旋内经常能够发觉GU碱基对。RNA二级结构RNA分子中GU碱基对杨荣武生物化学核酸的结构与功能第38页RNA各种二级结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第39页GNRA四环结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第40页RNA三级结构是在二级结构基础上深入折叠、包装而成，其复杂性不亚于蛋白质。其中双螺旋区域主要充当刚性框架结构来组织其它结构或功效部件。组成突起、内部环、发夹环和末端环单链区域对于RNA最终三级结构形成至关主要，其作用相当于氨基酸残基侧链基团对于蛋白质三级结构形成贡献。正是因为这些单链区之间以及单链区与双链区之间核苷酸相互作用，才使得一个RNA最终能够折叠成特有三级结构。RNA折叠，尤其是较大RNA，就像大多数蛋白质折叠一样，也需要分子伴侣帮助，方便让大多数RNA能快速折叠成正确构象。为了与参加蛋白质折叠分子伴侣区分开来，通常将帮助RNA折叠分子伴侣称为RNA伴侣。RNA伴侣与正在折叠RNA分子结合以后，一旦有错误折叠，就会破坏错误折叠RNA分子内部次级键，形成RNA蛋白体复合物，在这种复合物里，RNA能快速重新折叠成最终正确构象。RNA三级结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第41页枯草杆菌TPP核开关三级结构形成

杨荣武生物化学核酸的结构与功能第42页组成RNA三级结构主要元件有假节结构、“吻式”发夹结构和发夹环突触结构等三种形式。tRNA则可形成倒L型三级结构RNA三级结构杨荣武生物化学核酸的结构与功能第43页氨基酸运载工具tRNA只由一条链组成，含有73~94个核苷酸，其中有不少是修饰，3′端最终三个核苷酸总是CCA，链内大多数