第二章_核酸的结构和功能

1、第二章 核酸的结构和功能 l 双螺旋结构的其他形式双螺旋结构的其他形式l DNA二级结构的其它形式二级结构的其它形式 第二节第二节DNA的高级结构的高级结构l DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 l 真核生物染色体的组装模型真核生物染色体的组装模型脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA） 核糖核酸核糖核酸（ribonucleicacid,RNA） 碱碱 基基 核苷（核苷（nucleoside)：由：由D核糖或核糖或D2脱氧脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核苷有八种。合物。核酸中的主要核苷有八种。

2、核苷酸核苷酸(nucleotide)：核苷酸核苷酸与磷酸残基构成的化合物，即与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。分子的结构单元。 3,5磷酸二酯键磷酸二酯键：核酸是由众多核苷酸：核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸，相邻二个核苷酸聚合而成的多聚核苷酸，相邻二个核苷酸之间的连接键即：之间的连接键即：3，5磷酸二酯键。磷酸二酯键。 核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构核酸的化学组成与共价结构DNA分子的一级结构分子的一级结构:共价结构共价结构 (DNA sequence)1、 多聚核苷酸链多聚核苷酸链

3、主链是核糖和磷酸主链是核糖和磷酸 侧链为碱基侧链为碱基由由3,5磷酸二酯键磷酸二酯键连接连接2、 链的方向：同一个磷酸基链的方向：同一个磷酸基 的的3酯键到酯键到5酯键的方向酯键的方向 (53) 5-UCAGGCUA-3 = UCAGGCUA 默认书写顺序默认书写顺序53351953. Watson & Crick1953. Watson & Crick Watson（沃森）（沃森） 和和 Crick（克里克）建立的双螺旋模型（克里克）建立的双螺旋模型 Chatgaff （查塔姆）对（查塔姆）对DNA碱基组成的研究结果碱基组成的研究结果 Wilkins（威尔金斯）及其同事（威尔金斯）及其同事F

4、ranklin（富兰克林）等用（富兰克林）等用X射射线衍射方法获得的线衍射方法获得的DNA结构资料结构资料 双螺旋双螺旋DNA的结构特点：的结构特点：l右手反平行双螺旋右手反平行双螺旋l主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧，核糖平面与主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧，核糖平面与旋转轴接近平行旋转轴接近平行l两条链间存在碱基互补两条链间存在碱基互补l螺旋的螺旋的每条链相邻两个碱基平面之间的距离为每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每，每10个核苷酸形成一个螺旋，个核苷酸形成一个螺旋，螺距为螺距为3.4nm，直径为，直径为2nml大沟（大沟（major groove，2.2nm）和小沟（）和

5、小沟（minor groove，1.2nm）模型中的碱基配对有何重要性？模型中的碱基配对有何重要性？A-T,G-C配对可形成很好的线性氢键；配对可形成很好的线性氢键；A-T对和对和G-C对的几何形状一样，使双链对的几何形状一样，使双链距离相近，使双螺旋保持均一；距离相近，使双螺旋保持均一；碱基对处在同一平面内。不论核苷酸的碱基对处在同一平面内。不论核苷酸的顺序如何，都不影响双螺旋的结构；顺序如何，都不影响双螺旋的结构；为为DNA半保留复制奠定了基础。半保留复制奠定了基础。影响双螺旋结构稳定性的因素影响双螺旋结构稳定性的因素 碱基堆积的棒状实体碱基堆积的棒状实体 l 氢键氢键 (Hydrogen

6、 bond 46 kc / mol)(Hydrogen bond 46 kc / mol) 弱键弱键, 可加热解链可加热解链氢键堆积氢键堆积, 有序排列有序排列(线性线性, 方向方向) l 碱基堆积力碱基堆积力 (非特异性结合力非特异性结合力)3.4A 磷酸骨架磷酸骨架, 氨基氨基, 酮基周围水分子间的有序排列酮基周围水分子间的有序排列 嘌呤环与嘧啶环作用半径嘌呤环与嘧啶环作用半径(0.34 nm/碱基对间距碱基对间距) 疏水作用力疏水作用力 (Hydrophobic interaction) 每一个核苷酸的磷酸基上都带有一个负电荷。每一个核苷酸的磷酸基上都带有一个负电荷。如果这些负电荷没有被

7、中和，双链之间的这种强如果这些负电荷没有被中和，双链之间的这种强有力的静电排斥作用将驱使两条链分开有力的静电排斥作用将驱使两条链分开 l 碱基分子的内能碱基分子的内能 l 碱基分子的内能碱基分子的内能 DNA的构象现已知有的构象现已知有A，B，C，D，E，T，Z 7种。引起种。引起DNA双链构象改变有以双链构象改变有以下因素：下因素： （1）核苷酸顺序；）核苷酸顺序； （2）碱基组成；）碱基组成； （3）盐的种类；）盐的种类； （4）相对湿度。）相对湿度。双螺旋结构的其他形式双螺旋结构的其他形式B-DNA：生理状态下，每螺圈：生理状态下，每螺圈10.4个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；A

8、-DNA：高盐浓度下，每螺圈：高盐浓度下，每螺圈11个碱基对，右手螺旋；个碱基对，右手螺旋；Z-DNA：序列富含序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈，嘌呤和嘧啶交替出现，每螺圈12个碱基个碱基对，左手螺旋对，左手螺旋 DNA钠盐在相对湿度钠盐在相对湿度92或或活细胞生理状态下，以及活细胞生理状态下，以及AT较丰富的大多数自然较丰富的大多数自然DNA。DNARNA杂交杂交分子或分子或RNA双链双链在高盐的条件下，嘌呤在高盐的条件下，嘌呤-嘧啶嘧啶相间排列，在活细胞中如果相间排列，在活细胞中如果胞嘧啶被甲基化的（胞嘧啶被甲基化的（m5C） ZDNA的生物学意义：的生物学意义： 应当指出应当指出

9、ZDNA的形成通常在热力学上的形成通常在热力学上是不利的。因为是不利的。因为ZDNA中带负电荷的磷酸根中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物静电排斥。但是，距离太近了，这会产物静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。解链位点。DNA解螺旋却是解螺旋却是DNA复制和转录复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因调节有关与基因调节有关。 DNA二级结构的其它形式二级结构的其它形式 l单链核酸形成的发夹结构单链核酸形成的发夹结构 l回文序列形成的十字形结构回文序列形成的十字形结构 l三股

10、螺旋三股螺旋DNA 当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接当同一个核酸分子中一段碱基序列附近紧接着一段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折着一段它的互补序列时，核酸链有可能自身回折配对产生一个反向平行的双螺旋结构，称为发夹配对产生一个反向平行的双螺旋结构，称为发夹（hairpin）。由茎（配对区）和环（非配对区）。由茎（配对区）和环（非配对区）组成。组成。 单链核酸形成的发夹结构单链核酸形成的发夹结构四股螺旋四股螺旋DNA ( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ) 1958. Poly(G) X-ray photograph 碱基形成环状氢键连接结构碱基形成环

11、状氢键连接结构Tetrable Helix DNA 均有形成均有形成四股螺旋四股螺旋DNA的可能的可能 5-TTAGGGTTAGGGTTAGGG-33-AATCCCAATCCC-5 Poly (G), 4 (dG) 染色体端粒高度重复的染色体端粒高度重复的 DNA序列序列 着丝点附近的高度重复序列着丝点附近的高度重复序列 形成条件串联重复的鸟苷酸形成条件串联重复的鸟苷酸 已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构已有实验结果表明真核细胞端粒中存在四链结构 结结 构构 特特 点点Linked by Hoogsteen BondingGGGG可能的功能可能的功能 A、 稳定真核生物染色体结构稳定真

12、核生物染色体结构 B、 保证保证DNA末端准确复制末端准确复制C、 与与DNA分子的组装有关分子的组装有关 D、 与染色体的与染色体的 meiosis & mitosis 有有关关 第二节DNA的高级结构DNA的超螺旋结构的超螺旋结构 超螺旋是超螺旋是DNA三级结构的主要形式，双螺旋三级结构的主要形式，双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成。进一步扭曲盘绕则形成。超螺旋是有方向的，有超螺旋是有方向的，有正超螺旋正超螺旋和和负超螺旋负超螺旋两种两种 超螺旋结构的方向性超螺旋结构的方向性B-DNA紧缠紧缠overwinding overwinding (右旋右旋) 正超螺旋（正超螺旋（positive

13、supercoiled positive supercoiled ）导致左手超螺旋导致左手超螺旋以一根绳子做实验：以一根绳子做实验：原来的绳子的两股以原来的绳子的两股以右旋方向缠绕；在绳右旋方向缠绕；在绳子的一端向紧缠方向子的一端向紧缠方向捻转，再将绳子的两捻转，再将绳子的两端连接起来，则产生端连接起来，则产生一个左旋的超螺旋以一个左旋的超螺旋以解除外加捻转的协变解除外加捻转的协变B-DNA松缠松缠unwindingunwinding (左旋左旋) 负超螺旋（负超螺旋（Negative Supercoiled ）导致右手超螺旋导致右手超螺旋在绳子的一端向松缠在绳子的一端向松缠方向捻转，再将绳子

14、方向捻转，再将绳子的两端连接起来，则的两端连接起来，则产生一个右旋的超螺产生一个右旋的超螺旋以解除外加捻转的旋以解除外加捻转的协变协变DNA超螺旋的产生超螺旋的产生 DNA超螺旋都是由超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的拓扑异构酶产生的 l 拓扑异构酶拓扑异构酶I识别负超螺旋识别负超螺旋DNA ，引入正超螺旋，引入正超螺旋l 拓扑异构酶拓扑异构酶II 主要功能为引入负超螺旋主要功能为引入负超螺旋 ，在，在DNA复复制中起十分重要的作用制中起十分重要的作用 生物体通过拓扑异构酶生物体通过拓扑异构酶1和和II的相反作用而的相反作用而使负超螺旋达到一个稳定状态使负超螺旋达到一个稳定状态。 DNA拓扑异

15、构酶催化反应本质拓扑异构酶催化反应本质是先是先切断切断DNA的磷酸二脂键，改变的磷酸二脂键，改变DNA的链环数之后再的链环数之后再连接连接之，兼具之，兼具DNA内切酶和内切酶和DNA连接酶的功连接酶的功能然而它们并不能连接事先已经存在的断裂能然而它们并不能连接事先已经存在的断裂DNA，也就是说，其断，也就是说，其断裂反应与连接反应是相互耦联的。裂反应与连接反应是相互耦联的。l原核生物、线粒体、叶绿体、质粒的原核生物、线粒体、叶绿体、质粒的DNA存存在方式，使在方式，使DNA形成高度致密状态从而得以装形成高度致密状态从而得以装入核中；入核中；lDNA结构的转化以满足功能上的需要。如负结构的转化以

16、满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部解链形成呼吸泡，利于复制和转录部解链形成呼吸泡，利于复制和转录 超螺旋的意义超螺旋的意义 真核生物染色体的组装模型真核生物染色体的组装模型 在细胞分离间期，基因组以染色质形式存在在细胞分离间期，基因组以染色质形式存在 在细胞分裂期，基因在细胞分裂期，基因组以染色体形式存在组以染色体形式存在 l 常染色质常染色质DNA的压缩比为的压缩比为1000-2000 ，主要为单拷贝基因和中等重复序列，是基因的活跃表达区域。主要为单拷贝基因和中等重复序列，是基因的活跃表达区域。 l 异染色质异染色质 DN

17、A折叠压缩程度比较高，以凝集状态存在，对碱性染料着色较深，折叠压缩程度比较高，以凝集状态存在，对碱性染料着色较深，分为分为永久性的异染色质永久性的异染色质和和功能性异染色质功能性异染色质 染色体的化学组成染色体的化学组成 核小体核小体染色体的结构染色体的结构基本单位基本单位核小体的结构核小体的结构 组蛋白核心组蛋白核心l 八聚体（八聚体（H2AH2NH3H4 各各两分子）。两分子）。 DNAl 左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈每圈80bp，共，共1.75圈，约圈，约146bp ；l 相邻核心颗粒之间为一段相邻核心颗粒之间为一段60bp的的连接线连接线DNA。组蛋白组蛋白H1l 锁合两端。锁合两端。染色体的包装染色体的包装 DNA核小体链核小体链 纤丝纤丝 突环突环 螺旋圈