生物化学第13章核酸的结构

1、第13章 核酸的结构 (Structure of nucleic acid) 一、核苷酸一、核苷酸 二、核酸的共价结构二、核酸的共价结构 三、三、 DNA的高级结构的高级结构 四、四、 RNA的高级结构的高级结构 核酸的组成成分 核糖核糖 碱基碱基 核苷酸核苷酸核糖核酸核糖核酸 RNA 核苷核苷 磷酸磷酸 聚合聚合 脱氧核糖脱氧核糖 碱基碱基 脱氧脱氧 核苷酸核苷酸 脱氧脱氧 核糖核酸核糖核酸 DNA 脱氧脱氧 核苷核苷 磷酸磷酸 聚合聚合 一、核苷酸 核酸中的碱基种类 DNARNA 嘌呤碱嘌呤碱 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 腺嘌呤腺嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 嘧啶碱嘧啶碱 胞嘧啶胞嘧啶 胸腺嘧啶胸腺

2、嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 尿嘧啶尿嘧啶 嘌呤环和嘧啶环的结构 核酸中的嘌呤 和嘧啶 碱基酮式和烯醇式的互变异构 稀有碱基 几种嘌呤碱基 次黄嘌呤（次黄嘌呤（I I） 黄嘌呤（黄嘌呤（X X） 尿酸尿酸 茶叶碱茶叶碱 可可碱可可碱 咖啡碱咖啡碱 核糖和脱氧核糖 核糖（链式）核糖（链式） 核糖（环式）核糖（环式） 脱氧核糖（链式）脱氧核糖（链式） 脱氧核糖（环式）脱氧核糖（环式） 核苷 (nucleoside) 糖苷键糖苷键 碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。 DNA和RNA中的各种核苷 核苷酸 (nucleotide) 核苷酸

3、(nucleotide) 5- 5-腺苷酸腺苷酸 3-3-腺苷酸腺苷酸 2-2-腺腺 苷酸苷酸 多磷酸核苷酸 环化核苷酸 （cAMP） （cGMP） 二、核酸的共价结构 5 3 核酸中核苷酸的 连接方式 5 3 核酸结构的简写式 53 两种磷酸二酯酶的水解位点 三、DNA的高级结构 Chargaff 等在等在20世纪世纪40年代应用纸层析及年代应用纸层析及 紫外分光光度技术测定各种生物紫外分光光度技术测定各种生物DNA的碱基组的碱基组 成，结果发现，成，结果发现，DNA的碱基组成具有生物种的的碱基组成具有生物种的 特异性。不同物种的特异性。不同物种的DNA有其独特的碱基组成有其独特的碱基组成

4、，而同一物种不同组织和器官的，而同一物种不同组织和器官的DNA碱基组成碱基组成 是一样的，不受生长发育、营养状况以及环境是一样的，不受生长发育、营养状况以及环境 条件的影响。条件的影响。 DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff规则规则 不同生物 DNA的 碱基组成 不同生物 DNA的 碱基组成 （1）A = T （2）G = C （3）嘌呤碱基的总数等于嘧啶）嘌呤碱基的总数等于嘧啶 碱基的总数，即碱基的总数，即A+G=C+T。这个规则为。这个规则为Watson和和Crick提提 出出DNA双螺旋结构提供了重要根据。双螺旋结构提供了重要根据。 DNA的X光衍射图 DNA的二级结构 1953年

5、，年，Watson和和Crick提出了提出了DNA分子的分子的 双螺旋模型，并因此双螺旋模型，并因此和威尔金斯一起分享了和威尔金斯一起分享了1962 年的诺贝尔医学或生理学奖。年的诺贝尔医学或生理学奖。 DNA的二级结构 DNA分子双螺旋模型具有以下特征：分子双螺旋模型具有以下特征： （1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心 轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。 （2）嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与）嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与 核糖形成的主链在外侧，碱基平面与纵轴垂直，核糖形成的主链在外侧，碱基平面与纵轴垂直，

6、 糖环平面与纵轴平行。两条链的配对偏向一侧，糖环平面与纵轴平行。两条链的配对偏向一侧， 形成一条大沟和一条小沟。形成一条大沟和一条小沟。 DNA分子的双螺旋结构 DNA的二级结构 （3）双螺旋的平均直径为）双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱，两个相邻的碱 基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为0.34nm ，两个核苷酸之间的夹角为，两个核苷酸之间的夹角为36。因此，沿中心。因此，沿中心 轴每旋转一圈有轴每旋转一圈有10个核苷酸，每一圈的高度（螺个核苷酸，每一圈的高度（螺 距）为距）为3.4nm。 （4）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢）两条核苷酸链依靠

7、彼此碱基之间形成的氢 键而结合在一起，键而结合在一起，A必须与必须与T配对，配对，G必须与必须与C配配 对。对。AT之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，GC之间形成之间形成3个氢个氢 键。键。 （5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限 制，但根据碱基配对的原则，当一条链上的碱基制，但根据碱基配对的原则，当一条链上的碱基 序列确定后，另一条链上的碱基序列必须与之互序列确定后，另一条链上的碱基序列必须与之互 补。两条链互为互补链。补。两条链互为互补链。 配对碱基之间的氢键 配对碱基之间的氢键 碱基堆积力 The bases are stacked on the

8、inside of the structure; these heterocyclic bases, as a consequence of their -electron clouds, are hydrophobic on their flat sides. 碱基堆积力使 DNA成为双螺旋 DNA其它构象的发现 后来，后来，K. Dickerson等人用人工合成的多等人用人工合成的多 聚脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行聚脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行X射射 线衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与线衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与 Watson和和Crick模型非常相似，但在结构上

9、并模型非常相似，但在结构上并 不像不像Watson-Crick模型那样均一。这是由于碱模型那样均一。这是由于碱 基序列不同，以致在局部结构上有较大差异。基序列不同，以致在局部结构上有较大差异。 Dickerson结构的差异处 （1）在）在Dickerson的十二聚体中，两个碱基之间的的十二聚体中，两个碱基之间的 夹角可由夹角可由28至至42不等，实际平均每一圈含不等，实际平均每一圈含10.4 个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变 动。动。 （2）在）在Dickerson的十二聚体中，组成碱基对的两的十二聚体中，组成碱基对的两 个碱基的分布并非

10、在同一平面上，而是碱基对沿长个碱基的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长 轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶 片那样，故称为螺旋桨状扭曲（片那样，故称为螺旋桨状扭曲（propeller twisting ）。这种结构可提高碱基堆积力，使）。这种结构可提高碱基堆积力，使DNA结构更结构更 稳定。稳定。 Dickerson模型中碱基对的 螺旋桨状扭曲 不同类型的DNA双螺旋 Watson和和Crick模型代表模型代表DNA钠盐在较高湿度钠盐在较高湿度 下（下（92%）制得的纤维的结构，该结构称为）制得的纤维的结构，该结构称为B型。型。 由于它的

11、水分含量较高，可能比较接近大部分由于它的水分含量较高，可能比较接近大部分 DNA在细胞中的构象。在细胞中的构象。DNA能以多种不同的构象能以多种不同的构象 存在，除存在，除B型外通常还有型外通常还有A型、型、C型、型、D型、型、E型，型， 以及左手螺旋的以及左手螺旋的Z型。其中型。其中A型和型和B型是型是DNA的两的两 种基本的构象，种基本的构象， C型、型、D型、型、E型与型与B型类似，型类似，Z型型 则比较特殊。则比较特殊。 ADNA 在在相对湿度相对湿度75%以下获得的以下获得的DNA纤维的纤维的X射射 线衍射分析表明，这种线衍射分析表明，这种DNA纤维具有不同于纤维具有不同于B型型 的

12、结构特点，称为的结构特点，称为A型。型。ADNA也是由两条反也是由两条反 向的多核苷酸链组成的右手双螺旋，但螺体较宽向的多核苷酸链组成的右手双螺旋，但螺体较宽 而短，碱基对与中心轴有而短，碱基对与中心轴有19的倾角。的倾角。RNA分子分子 的双螺旋区以及的双螺旋区以及RNADNA杂合双链也具有与杂合双链也具有与A DNA相似的结构。相似的结构。 DNA双螺旋的A、B、Z型 DNA双螺旋的大小沟 在在ADNA中，碱基对倾角大，并偏向中，碱基对倾角大，并偏向 双螺旋的边缘，给出一个深且狭的大沟和一双螺旋的边缘，给出一个深且狭的大沟和一 个宽且浅的小沟。而个宽且浅的小沟。而BDNA中大沟比小沟中大沟

13、比小沟 宽，但深度相近。宽，但深度相近。ZDNA只有小沟，没有只有小沟，没有 大沟。大沟。 DNA双螺旋的A、B、Z型 A型型 B型型 Z型型 DNA中糖环的构象 核糖的核糖的呋喃糖环并非平面，糖环上通常有一呋喃糖环并非平面，糖环上通常有一 个或两个原子偏离平面。若偏离的原子偏向个或两个原子偏离平面。若偏离的原子偏向C5 一侧称为内式，若偏向另一侧称为外式。一侧称为内式，若偏向另一侧称为外式。A型型 DNA的糖环为的糖环为C3内式，内式，B型为型为C2内式。内式。 A型型B型型 DNA中碱基的顺反构象 碱基平面碱基平面绕绕N糖苷键旋转就产生顺式（糖苷键旋转就产生顺式（ syn）和反式（）和反式

14、（anti）构象，反式构象是指嘌呤）构象，反式构象是指嘌呤 的六元环或嘧啶的的六元环或嘧啶的2位位O远离糖链方向，顺式构远离糖链方向，顺式构 象是指它们靠近糖链方向象是指它们靠近糖链方向。 DNA中碱基的顺反构象 顺式顺式 反式反式 反式反式 DNA中碱基的顺反构象 BDNA中碱基的反式构象中碱基的反式构象 ZDNA中碱基的顺式构象中碱基的顺式构象 B型DNA中碱基的反式构象 ZDNA A. Rich在研究人工合成的在研究人工合成的d（CGCGCG）寡）寡 核苷酸结构时发现了核苷酸结构时发现了DNA左手螺旋的结构，它每左手螺旋的结构，它每 12个碱基对为一圈，螺距个碱基对为一圈，螺距4.56n

15、m，只有小沟。，只有小沟。dC 是是C2内式、碱基反式；内式、碱基反式；dG是是C3内式，碱基顺式。内式，碱基顺式。 磷酸和糖的骨架呈现磷酸和糖的骨架呈现Z字形走向。随后发现天然字形走向。随后发现天然 DNA局部也有局部也有Z型结构。型结构。Z型型DNA的序列必须含鸟的序列必须含鸟 嘌呤，并且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。嘌呤，并且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。 各型各型DNA可在一定条件下相互转变。可在一定条件下相互转变。 B型DNA中的局部Z型结构 A、B、Z型 DNA 结构参数的比较 DNA三股螺旋 早早在在20世纪世纪50年代双螺旋发现之后不久，就观年代双螺旋发现之后不久，就观 察到了一些人工合成

16、的寡核苷酸能够形成三股螺旋察到了一些人工合成的寡核苷酸能够形成三股螺旋 （triplex），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脱氧核糖），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脱氧核糖 核苷酸。核苷酸。K. Hoogsteen于于1963年首先描述了三股螺年首先描述了三股螺 旋结构。在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸旋结构。在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸 链与寡嘧啶核苷酸寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结链与寡嘧啶核苷酸寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结 合。第三股链的碱基可与合。第三股链的碱基可与Watson-Crick碱基对中的碱基对中的 嘌呤碱形成嘌呤碱形成Hoogsteen配对。第三股链与寡嘌呤核配对。第三股链与寡嘌

17、呤核 苷酸之间为同向平行。苷酸之间为同向平行。 Hoogsteen 配对 3 3 3 3 DNA三股螺旋图 三股螺旋中的第三股三股螺旋中的第三股 可以来自分子间，也可以来自分子间，也 可以来自分子内。可以来自分子内。 DNA的三级结构 DNA的三级结构是指双螺旋的的三级结构是指双螺旋的DNA分子通过分子通过 扭曲和折叠形成特定的构象，包括不同二级结构扭曲和折叠形成特定的构象，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单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相 互作用，以及互作用，以及DNA的拓扑特征。超螺旋是三级结的拓扑特征。超螺旋是三级结 构的一种主要形式。构的一种主要形式

18、。 DNA超螺旋的产生 当当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存 在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如 果使这种正常的果使这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转分子额外地多转几圈或少转 几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的 末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放 出来，出来，DNA将恢复成正常的松弛态双螺旋。但如将恢复成正常的松弛态双螺旋。但如 果果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，分子的两端是

19、固定的，或者是环状分子， 这种额外的张力就不能释放，这种额外的张力就不能释放，DNA分子本身就会分子本身就会 发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋。 电话线的超螺旋 DNA的三种形式 从生物体中分离出的从生物体中分离出的DNA有三种形式：有三种形式： 线状线状DNA（linear DNA） 共价闭合环共价闭合环DNA（covalently closed circular DNA，cccDNA） 开环开环DNA（open circular DNA，ocDNA） cccDNA常以超螺旋形式存在，常以超螺旋形式存在，ocDNA和和 linear DNA

20、为松弛态。为松弛态。 DNA的三种形式 linear DNA cccDNA ocDNA DNA的超螺旋形式 不同超螺旋程度的 双链环状DNA 超螺旋程度增加超螺旋程度增加 cccDNA的一些重要拓扑学特性 （1）连环数（）连环数（linking number）这是环状）这是环状DNA 的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋 DNA中，一条链中，一条链以右手螺旋以右手螺旋绕另一条链缠绕的绕另一条链缠绕的 圈数，以字母圈数，以字母L表示。表示。L值不同的相同值不同的相同DNA分分 子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化拓扑子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化

21、拓扑 异构体之间的转变。异构体之间的转变。 cccDNA的一些重要拓扑学特性 （2）扭转数（）扭转数（twisting number）指）指DNA分子分子 中的中的Watson-Crick螺旋数，以螺旋数，以T表示。表示。 （3）超螺旋数（）超螺旋数（number of turns of superhelix ）或缠绕数（）或缠绕数（writhing number）以）以W表示。表示。 三者之间的关系为三者之间的关系为 L = T + W cccDNA的一些重要拓扑学特性 （4）比连环差（）比连环差（specific linking difference）以）以表示表示 ，用以表示，用以表示D

22、NA的超螺旋程度。的超螺旋程度。 =（LL0）/ L0 式中式中L为双螺旋为双螺旋DNA分子的连环数，分子的连环数，L0为同一为同一 DNA分子松弛状态时的连环数。分子松弛状态时的连环数。越大则超螺旋程越大则超螺旋程 度越高。天然环状度越高。天然环状DNA分子一般都以负超螺旋构象分子一般都以负超螺旋构象 存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在0.05左右左右 。 拓扑异构体的电泳图 同样大小的同样大小的 DNA L值递值递 减减1 环状DNA的正超螺旋 环状DNA的负超螺旋 环状DNA的不同构象 负超螺旋为右手螺旋，正超螺旋为左手螺旋。负超螺旋为右手螺旋，正超

23、螺旋为左手螺旋。 线状DNA的负超螺旋 L=-2, 负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。 染色体DNA中的超螺旋 拓扑异构酶的作用 拓扑异构酶有两种类型，拓扑异构酶有两种类型，型酶能使双链型酶能使双链 超螺旋超螺旋DNA转变成松弛型环状转变成松弛型环状DNA，每一次催，每一次催 化作用可消除一个负超螺旋，即使化作用可消除一个负超螺旋，即使L值增加值增加1。 型酶刚好相反，可使松弛型环状型酶刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成转变成 负超螺旋负超螺旋DNA，每催化一次使，每催化一次使L值减少值减少2。 DNA的十字结构 有反向重复序列时可形成十字结构有反向重复序列时可形成十字结构 DNA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生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成 复合物，以核蛋白的形式存在。复合物，以核蛋白的形式存在。DNA存在于病存在于病 毒颗粒中，细菌的拟核中，真核细胞的细胞核和毒颗粒中，细菌的拟核中，真核细胞的细胞核和 线粒体、叶绿体中。由于线粒体、叶绿体中。由于DNA分子很长，必须分子很长，必须 以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。 病毒的结构 噬菌体噬菌体fdfd 噬菌体噬菌体T2T2 动物病毒动物病毒 细菌中的细菌中