《核酸的结构》课件.ppt

第14章核酸的结构 NucleicAcid 核酸 DNA和RNA 是线性多聚核苷酸 基本结构单元是核苷酸DNA与RNA结构相似 组成成份上略有不同 核酸的组成 核酸 核苷酸 水解 核酸 代表戊糖 对DNA而言为脱氧核糖 对RNA而言为核糖 代表碱基 代表磷酸基 核苷酸 一 核苷酸 nucleotide 一 碱基 嘌呤碱 腺嘌呤 鸟嘌呤嘧啶碱 胸腺嘧啶 胞嘧啶 尿嘧啶稀有碱基 嘌呤环 嘧啶环 1 嘌呤碱 2 嘧啶碱 uracil cytosine thymine RNA DNA 尿嘧啶U 胸腺嘧啶T 胞嘧啶C 鸟嘌呤G 腺嘌呤A 胺式亚胺式互变异构 酮式烯醇式互变异构 3 稀有碱基 嘌呤 次黄嘌呤 1 甲基次黄嘌呤 N2 N2 二甲基鸟嘌呤 嘧啶 5 甲基胞嘧啶 5 羟甲基胞嘧啶 二氢尿嘧啶 4 巯尿嘧啶都是基本碱基的化学修饰型 二 核苷 核糖 碱基 DNA含 D 2 脱氧核糖RNA含 D 核糖 核苷nucleoside 糖与碱基之间的C N键 C N糖苷键 且都是 糖苷键 C1 N1 嘧啶 C1 N9 嘌呤 碱基与糖环平面垂直 核苷nucleoside 核苷nucleoside 稀有核苷 1 2 0 甲基 核糖 核苷2 稀有碱基DHU3 连接方式 假尿嘧啶核苷 假尿苷 pseudouridine 三 核苷酸 磷酸 碱基 戊糖 H2O H2O 碱基 磷酸 戊糖 核苷键 酯键 核苷酸 碱基连接 核苷键 酯键 对DNA为H 1 2 3 4 5 核苷酸 AMP GMP UMP CMP脱氧核苷酸 dAMP dGMP dTMP dCMP M 单 D 二 T 三 P 磷酸RNA的名称为单 二 三苷酸 DNA在单 二 三前加脱氧两字 如AMP称腺苷一磷酸 或腺苷酸 dAMP称为脱氧腺苷一磷酸 脱氧腺苷酸 稀有核苷酸与上类似 四 核苷酸的衍生物 生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物 1 ATP 腺嘌呤核糖核苷三磷酸 ATP的性质 是重要的能量转换中间体ATP含两个高能磷酸键 水解时可释放大量自由能 推动体内各种需能反应 ATP也是磷酰化剂 磷酰化的底物具较高能量 活化分子 是许多生物化学反应的激活步骤 2 GTP 鸟嘌呤核糖核苷三磷酸 生物体内游离存在 也是一种高能化合物具有类似ATP的结构主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体在许多情况下 ATP和GTP可以相互转换 3 cAMP和cGMP cAMP3 5 环腺嘌呤核苷一磷酸cGMP3 5 环鸟嘌呤核苷一磷酸 细胞间信使cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键 pH7 4时水解能约为43 9kJ mol 比ATP水解能高得多 二 核酸的共价结构 DNA一级结构是指DNA上的核苷酸排列顺序 核苷酸相当于氨基酸 单糖的角色 一 DNA的一级结构 脱H2O脂键相连 3 5 磷酸二酯键 首 尾 H H H H H H H 1 核苷酸间以3 5 磷酸二酯键相连 2 一端称为5 磷酸端 5 P表示 一端称为3 羟基端 3 OH表示 3 多聚核苷酸链具有方向性 表示时 需注明方向 5 3 或是3 5 一 核酸的一级结构 定义核酸分子中核苷酸的连接方式以及核苷酸的排列顺序 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同 所以也称为碱基序列 主链 戊糖 磷酸骨架位于外侧侧链 碱基对位于内侧方向 3 DNA一级结构的简写形式 A 核苷酸 首端 末端 pApCpTpG pA C T G 核苷酸顺序又称碱基顺序 二 RNA的一级结构 核糖核苷酸通过磷酸二酯键相连形成的长链 研究最多 tRNA rRNA及一些小分子RNA 1 tRNA分子特点 约由73 93个核苷酸组成分子中含有较多的修饰成分 10 20 3 末端都具有 CCA OH的结构5 末端磷酸化 常为G pC RNA一级结构特点 tRNA的功能 结合活化氨基酸 3 CCA OH 搬运氨基酸到核糖体 识别mRNA密码子 参与蛋白质的翻译 5 末端帽子结构 m7GpppN 3 末端有多聚腺苷酸尾巴结构 polyA 单顺反子 一条mRNA链上有一个编码区 2 mRNA一级结构的特点 1 真核细胞mRNA 真核生物mRNA的共价结构 帽子结构 帽子结构 识别翻译起始polyA 维持mRNA的稳定性 功能 原核生物mRNA为多顺反子 无修饰碱基 多顺反子mRNA polycistronicmRNA 一条mRNA链上有多个编码区 2 原核细胞mRNA mRNA的功能 蛋白质合成的模板 rRNA的种类 根据沉降系数 真核生物5SrRNA28SrRNA5 8SrRNA18SrRNA 原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA 3 rRNA一级结构特点 rRNA的功能作为核糖体的骨架 催化肽键的形成 4 其他小分子RNA及RNA组学 除上述三种RNA外的其他种类的小分子RNA 统称为非mRNA小RNA smallnon messengerRNAs snmRNAs 1 snmRNAs 核内小RNA snRNA 核仁小RNA snoRNA snmRNAs胞质小RNA scRNA 催化性小RNA 即ribozyme 小片段干涉RNA siRNA snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运 核不均一RNA RNA组学研究细胞中snmRNAs的种类 结构和功能 同一生物体内不同种类的细胞 同一细胞在不同时间 不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性 RNA组学 一 DNA双螺旋结构的研究背景 碱基组成分析Chargaff规则 A T G C 嘌呤碱 嘧啶碱 已知核酸的化学结构 DNA纤维的X 射线衍射图谱分析 三 DNA的高级结构 ChargaffDNA碱基组成具有 生物种的特异性 无组织 器官特异性 不受生长发育 营养状况及环境条件的影响 Chargaff规则 1 A T 2 G C 3 A C G T 4 A G C T 碱基互补配对 T A C G G Cpair heldtogetherbythreehydrogenbondsA Tpair heldtogetherbytwohydrogenbonds DNA一股的核苷酸序列与另一股的序列互补 A T G C Franklin RosalindElsie 1920 58 Britishbiophysicist BorninLondon shewaseducatedinphysicalchemistryatNewnhamCollege Cambridge FranklinconductedX raydiffractionstudiesonthestructureoftheDNAmolecule thecarrierofhereditaryinformation whileworkinginthelaboratoryofBritishbiophysicistMauriceWilkins ThisworkenabledAmericanbiochemistJamesDeweyWatsonandtheBritishFrancisCricktodeterminethehelicalstructureoftheDNAmolecule 二 DNA二级结构 B型双螺旋 JamesWatson left andFrancisCrick 1953 大部分DNA所具有的双螺旋结构 亦称为B型 反向 平行 右手螺旋2链间碱基配对相连每10个碱基对螺旋上升一周疏水碱基位于内部相邻碱基平面互相平行 垂直于螺旋轴 1 两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴缠绕 为右手螺旋 1 结构特征 2 碱基位于双螺旋的内侧 磷酸和核糖在外侧 通过3 5 磷酸二酯键构成骨架 碱基平面与纵轴垂直 糖环平面与纵轴平行 大沟 宽1 2nm 深0 85nm 小沟 宽0 6nm 深0 75nm 3 主要参数 双螺旋的直径为2nm 碱基堆积距离为0 34nm 两个核苷酸之间的夹角36 每圈螺旋含10个核苷酸 螺距3 4nm 4 两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而结合 A TG C 5 碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制 但根据碱基配对原则 一条核苷酸链序列可决定另一条互补链的序列 双螺旋的补充 1 夹角和碱基对的数目变化 2 碱基对沿长轴旋转一定的角度 碱基堆积力形成疏水环境 主要因素 碱基配对的氢键 GC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DNA稳定 碱基处于双螺旋内部的疏水环境中 可免受水溶性活性小分子的攻击 2 稳定双螺旋结构的因素 3 DNA双螺旋结构的多样性 DNA的类型类型结晶状态螺距碱基距离每圈旋转 nm nm bp数方向A相对湿度75 2 80 25611右手DNA钠盐B相对湿度92 3 40 3410右手DNA钠盐C相对湿度66 3 10 3329 3右手DNA锂盐Zd GCGCGC 4 440 3712左手 4 三股螺旋DNAK Hoogsteen1963 通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸 寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合 oligo Py oligo Pu oligo Py Pu 图13 11H DNA的结构 基因表达调控的机制之一 四股螺旋DNA分子 G 四碱基体 在真核生物染色体端粒DNA中 富含TTGGGG 以Hoogsteen氢键连接 形成G G碱基对反平行四螺旋结构 稳定染色体结构 结构特点 LinkedbyHoogsteenBonding6 17 2 2 poly T4G4 2 poly G4C4 结构特点 GGGGTTTGGGGTTTGGGGTTT 真核生物染色体端粒DNA结构 G quadruplex 可能的功能 A稳定真核生物染色体结构 B保证DNA末端准确复制 C与DNA分子的组装有关 D与染色体的meiosis mitosis有关 DNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象 包括 不同二级结构单元间的相互作用单链与二级结构单元间的相互作用DNA的拓扑特征超螺旋是DNA三级结构的主要形式 三 DNA的三级结构 环形DNA 一条链断裂 开环分子 ocDNA 两条链断裂 线型分子 linearDNA 1 环状DNA的三种典型构象 1 松弛环形DNA 2 解链环形DNA 3 正超螺旋与负超螺旋DNA 超螺旋结构DNA leadstoleft handedsuperhelix positivesupercoiled Leadstoright handedsuperhelix 所有生物的DNA几乎有5 为NegativeSuperhelix NegativeSupercoiled 2 三种环形DNA的拓扑学特性 连环数 linkingnumber L DNA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 twistingnumber T DNA分子中的Watson Crick螺旋数目 以T表示 超螺旋数 缠绕数 writhingnumber W L T W 比连环差 specificlinkingdifference 表示DNA的超螺旋程度 Superhelixdensity L L0 L0 每一圈初级螺旋 10bp 360 出现超螺旋数L0是指松驰环形DNA的L值 3 拓扑异构酶改变DNA拓扑异构体的L值 拓扑异构酶酶I 解旋酶 能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA 每次催化使L值增加1 拓扑异构酶酶II 促旋酶 能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA 每次催化使L减少2 l拓扑异构酶 topoisomeraseI II 参与构型的改变 TopI对负超螺旋处的单链DNA具有极强的亲合力 TopII TopIcannotactonpositivelysupercoiledDNA 消除负超螺旋 引入负超螺旋 真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构 四 DNA与蛋白质的复合体 1 染色体 H2A H2B H3 H4 2 含拓扑异构酶 及H1 与DNA复制及转录有关 2 原核细胞的拟核3 病毒4 核糖体 RNA和蛋白质核心 突环由双链DNA结合碱性蛋白质所组成 细菌拟核的突环结构 RNA通常是单链线形分子自身回折形成局部双螺旋 二级结构 进而折叠 三级结构 多数形成核蛋白复合物 四级结构 如核糖体 拼接体 编辑体等 RNA病毒是具有感染性的RNA复合物 四 RNA的高级结构 RNA中的碱基配对原则A UG C 氨基酸臂 由7对bp组成 富含G 末端为CCA 接受活化AA 二氢尿嘧啶环 D环 由8 12个核苷酸组成 反密码环 识别密