第二章 核酸化学2

1、 （一）（一）DNA的一级结构的一级结构 一、一、DNADNA的分子结构的分子结构 1.定义定义： DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖 核酸（核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，）按一定顺序， 通过通过3 ,5 磷酸二酯键磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。连成的直线形或环形分子。 核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。 2. DNA的书写顺序是的书写顺序是53。 3.DNA中有中有4种类型的核苷酸，有种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的个核苷酸组成的DNA链链 中可能有的不同序列总数为中可能有的不

2、同序列总数为4n 1 2 4、DNA一级结构的表示方法一级结构的表示方法结构式结构式/线条式线条式/字母式字母式 （1 1）结构式）结构式（碱基用单字母表示）（碱基用单字母表示） 戊糖 P 53 首端首端末端末端 P PPPP P （2 2）线条式）线条式 （碱基用单字母表示（碱基用单字母表示 磷酸基团用磷酸基团用P P表示）表示） （3 3）字母式）字母式 （单字母（单字母ATGC在式中表示脱氧核苷，省略在式中表示脱氧核苷，省略d） 二、二、 DNA的二级结构（双螺旋）的二级结构（双螺旋） 定义：定义：DNA的二级结构指DNA的双螺旋结构。 1. 1. 双螺旋结构的研究背景双螺旋结构的研究背

3、景 （1 1）X X射线衍射数据射线衍射数据WilkinsWilkins和和FranklinFranklin发现不同来源的发现不同来源的DNADNA纤维具纤维具 有相似的有相似的X X射线衍射图谱。射线衍射图谱。 （2 2）1950195019531953碱基成对证据碱基成对证据ChargaffChargaff研究小组对研究小组对DNADNA的化学组成进的化学组成进 行了研究，发现：行了研究，发现： 所有所有DNADNA中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（即中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，（即A=TA=T）; ;鸟嘌呤与胞鸟嘌呤与胞 嘌呤的摩尔含量相等，（即嘌呤的摩尔含量相等，（即G=CG=

4、C）。）。碱基当量定律：嘌呤碱总量碱基当量定律：嘌呤碱总量= =嘧啶碱总量。嘧啶碱总量。 （即（即A+G=T+CA+G=T+C） 不同生物不同生物DNADNA的碱基组成有很大差异，可用的碱基组成有很大差异，可用不对称比率：不对称比率：A+T/G+CA+T/G+C表示。表示。 亲缘相近的生物，其亲缘相近的生物，其DNADNA的碱基组成相近，即不对称比率相近。的碱基组成相近，即不对称比率相近。 同一种生物所有体细胞同一种生物所有体细胞DNADNA的碱基组成相同，可作为该物种的特征。的碱基组成相同，可作为该物种的特征。 Pauling Pauling 和和CoreyCorey发现发现A A与与T T

5、生成生成2 2个氢键、个氢键、C C与与G G生成生成3 3个氢键。个氢键。 （3）电位滴定行为电位滴定行为电位滴定证明，电位滴定证明， DNA中的磷酸基可滴定，而嘌呤与嘧啶的可中的磷酸基可滴定，而嘌呤与嘧啶的可 解离基团不能滴定，因为碱基间是由氢键连解离基团不能滴定，因为碱基间是由氢键连 接。接。 （4）1953年由年由Wilkins研究小组完成的研究研究小组完成的研究 工作，发现了工作，发现了DNA晶体的晶体的X线衍射图谱中存线衍射图谱中存 在两种周期性反射，并证明在两种周期性反射，并证明DNA是一种螺旋是一种螺旋 构象。构象。 （5）1953年年 watson和和crick的双螺旋模型的

6、双螺旋模型 2.DNA2.DNA双螺旋结构的要点双螺旋结构的要点 （1 1）DNADNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链( (简称简称DNADNA单链单链) )组成。组成。 两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。 螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5353，而，而 另一条链的方向为另一条链的方向为3535。 （2 2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖 基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环基

7、位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环 平面与碱基环平面成平面与碱基环平面成9090角。角。 （3）螺旋横截面的）螺旋横截面的 直径约为直径约为2nm， 每条链相邻两个每条链相邻两个 碱基平面之间的碱基平面之间的 距离为距离为0.34 nm， 每每10个核苷酸形个核苷酸形 成一个螺旋，其成一个螺旋，其 螺矩（即螺旋旋螺矩（即螺旋旋 转一圈的高度）转一圈的高度） 为为3.4 nm。 腺嘌呤腺嘌呤胸腺嘧啶胸腺嘧啶 鸟嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶胞嘧啶 （4）维持两条）维持两条DNA 链相互结合的力链相互结合的力 是链间碱基对形是链间碱基对形 成的氢键。碱基成的氢键。碱基 结合具有严格的结合具有严格的 配

8、对规律配对规律:A与与T 结合，结合，G与与C结合，结合， 这种配对关系，这种配对关系， 称为碱基互补。称为碱基互补。 A和和T之间形成两之间形成两 个氢键，个氢键，G与与C之之 间形成三个氢键。间形成三个氢键。 在在DNA分子中，分子中， 嘌呤碱基的总数嘌呤碱基的总数 与嘧啶碱基的总与嘧啶碱基的总 数相等。数相等。 （5）螺旋表面形成大沟）螺旋表面形成大沟 (major groove)及小沟及小沟 (minor groove)，彼此，彼此 相间排列。小沟较浅；相间排列。小沟较浅； 大沟较深，是蛋白质大沟较深，是蛋白质 识别识别DNA碱基序列的碱基序列的 基础。基础。 计算机模拟计算机模拟DN

9、A双双 螺旋结构（螺旋结构（蓝色蓝色） 大沟中结合着肽大沟中结合着肽 （红色红色） 双螺旋中的大沟对 于DNA和蛋白质结 合时的相互识别很重 要 ，在沟内可以辨 认碱基的顺序。 双螺旋结构模型双螺旋结构模型(double helix model)要点要点 （1）反平行双链：脱氧核糖）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基磷酸骨架位于外侧，碱基 对位于内侧对位于内侧 （2）碱基互补配对：）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），配对（两个氢键），GC配对配对 （三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴 （3）右手双螺旋：螺距为）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为，直径

10、为2.0 nm， 10bp/圈圈 （4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别 DNA碱基序列的基础碱基序列的基础 （5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱 基堆积力维持螺旋纵向稳定基堆积力维持螺旋纵向稳定 3.3.双螺旋结构的稳定因素双螺旋结构的稳定因素 nDNADNA双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。双螺旋在生理状态下十分稳定，结构不发生变化。 n维持这种稳定性的因素包括：两条维持这种稳定性的因素包括：两条DNADNA链之间形成的链之间形成的氢氢 键，碱基堆积力键，碱基堆积

11、力。 n双螺旋结构双螺旋结构内部形成的疏水区内部形成的疏水区，消除了介质中水分子，消除了介质中水分子 对碱基之间氢键的影响；对碱基之间氢键的影响； n介质中的介质中的阳离子阳离子（如（如NaNa+ +、K K+ +和和MgMg2+ 2+）中和了磷酸基团的 ）中和了磷酸基团的 负电荷，降低了负电荷，降低了DNADNA链之间的排斥力等。链之间的排斥力等。 n改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。 4、DNA双螺旋的类型双螺旋的类型 n(1)B-DNA螺旋：螺旋： DNA在在92%相对湿度的钠盐中的构型。相对湿度的钠盐中的构型。 标准的标准的 右

12、手双螺旋，细胞正常状态下右手双螺旋，细胞正常状态下DNA存在的构型。存在的构型。 n(2)A-DNA螺旋螺旋：DNA在在75%相对湿度的钠盐中的构型。相对湿度的钠盐中的构型。 n(3)Z-DNA螺旋：螺旋：左手的左手的DNA螺旋螺旋，这种螺旋可能在基因，这种螺旋可能在基因 表达的调控中起作用。表达的调控中起作用。 DNA double helix类型类型 helix type bp/turn 碱基轴升碱基轴升 螺距螺距 helical d A 11 0.23nm 2.53nm 2.55nm B 10 0.34nm 3.54nm 2.37nm Z 12 0.38nm 4.56nm 1.84nm

13、B-DNA n 反密码区反密码区; n 二氢尿嘧啶区二氢尿嘧啶区; n T C区区; n 可变区可变区. n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。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、tRNA的二级结构的二级结构 tRNA的三叶草型二级结构的三叶草型二级结构 1 1 2 2 4 4 反密码子环反密码子环 反密码子反密码子 RNA中的碱基配对中的碱基配对 原则原则 3 3 额外环额外环 二氢尿二氢尿 嘧啶环嘧啶环 次黄嘌呤次黄嘌呤 不同的不同的tRNA具具 有不同的有不同的额外额外 环（可变环）环（可变环）， 所以额外环是所以额外环是 tRNA分类的重分类的

14、重 要指标要指标 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷胸胸 腺嘧啶核糖核苷环腺嘧啶核糖核苷环 n(1)氨基酸接受区氨基酸接受区 包含有包含有tRNA的的3-末端和末端和5-末端，末端， 3-末端的最后末端的最后3个核苷酸残基都是个核苷酸残基都是 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。酸的作用。 (2)反密码区反密码区 与氨基酸接受区相对，一般环中含有与氨基酸接受区相对，一般环中含有7个核苷酸残基，臂中含有个核苷酸残基，臂中含有5对碱基。对碱基。 其中环中正中的其中环中正中的3个核苷酸残基称为反密码子。个核苷酸残

15、基称为反密码子。 n（3)二氢尿嘧啶区二氢尿嘧啶区 n 该区含有二氢尿嘧啶。环由该区含有二氢尿嘧啶。环由8-12个核苷酸组成，臂由个核苷酸组成，臂由3-4对碱基组成。对碱基组成。 n (4) T C区区 n 该区与二氢尿嘧啶区相对，该区与二氢尿嘧啶区相对， 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷环胸腺嘧啶核糖核苷环(T C)由由 7个核苷酸组成，通过由个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区对碱基组成的双螺旋区(T C臂臂)与与tRNA的其余部的其余部 分相连。除个别例外，几乎所有分相连。除个别例外，几乎所有tBNA在此环中都含有在此环中都含有T C 。 n (5)可变区可变区 n 位于反

16、密码区与位于反密码区与T C区之间，不同的区之间，不同的tRNA该区变化较大，一般有该区变化较大，一般有3-18个个 核苷酸组成核苷酸组成。 2、tRNA的的“倒倒L”型三级结构型三级结构 l在三叶草型二级结构的基础上，由于整个分子的扭曲而在三叶草型二级结构的基础上，由于整个分子的扭曲而 形成，目前已知的形成，目前已知的tRNA的三级结构均为倒的三级结构均为倒L型型 （二）（二）mRNA的结构的结构 n 信使信使RNA（messenger RNA，mRNA） n 不均一核不均一核RNA（heterogeneou nuclear RNA，hnRNA）：）： 在细胞核内合成的在细胞核内合成的mRN

17、A的初级产物，经过剪接成为成熟的初级产物，经过剪接成为成熟 的的mRNA并移到细胞质。并移到细胞质。 n mRNA的功能：是把核内的功能：是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补的碱基顺序按照碱基互补 的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。的原则，抄录并转送至胞质，指导蛋白质的合成。 1、mRNA一级结构的特点一级结构的特点 z 真核生物成熟真核生物成熟mRNA的结构特点及与原核生物的区别：的结构特点及与原核生物的区别： 1）5端帽子结构（端帽子结构（cap sequence): 帽子结构能促进核蛋白体与帽子结构能促进核蛋白体与mRNA的结合加速翻译起始速度，同时可以增的结合加速翻译起始速度

18、，同时可以增 强强mRNA的稳定性。的稳定性。 2）3-端的多聚腺苷酸端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴结构。尾巴结构。 极大多数真核细胞极大多数真核细胞mRNA在在3-末端有一段长约末端有一段长约20200个多聚腺苷酸的个多聚腺苷酸的 polyA。 polyA是在转录后经是在转录后经polyA聚合酶的作用而添加上去的。聚合酶的作用而添加上去的。 polyA的功能：的功能： 1、与、与mRNA从细胞核转移到细胞质有关；从细胞核转移到细胞质有关； 2、与、与mRNA的半寿期有关，新合成的的半寿期有关，新合成的mRNA， polyA链较长，而衰老的链较长，而衰老的 mRNA ，polyA链缩短链缩短

19、 3)真核生物真核生物mRNA是单顺反子的，而原核生物的是单顺反子的，而原核生物的mRNA 是多顺反子的。是多顺反子的。 顺反子：顺反子：是由顺反试验所规定的遗传单位是由顺反试验所规定的遗传单位 相当于一个基因，含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全相当于一个基因，含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全 部核苷酸序列。部核苷酸序列。 多顺反子：多顺反子：是指携带一种以上蛋白质合成信息的是指携带一种以上蛋白质合成信息的mRNA 也就是说：原核生物也就是说：原核生物mRNA可编码几条不同的多肽链。可编码几条不同的多肽链。 单顺反子：单顺反子：只编码一条多肽链。只编码一条多肽链。 nmRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提 供模板。供模板。 n mRNA很不稳定，当它不再被用作模板时，很快就被分很不稳定，当它不再被用作模板时，很快就被分 解。解。 n mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质分子中每三个相邻的核苷酸组