分子生物学核酸的结构与功能

1、第二章 DNA和RNA的结构第一节 核酸的化学组成与结构n核酸 核苷酸n核苷酸 核苷 磷酸n核苷 碱基n 戊糖 一、核苷(nucleoside)n由碱基与戊糖通过N糖苷键连接而形成的。n游离形式存在于细胞中。 (一)碱基嘌呤n腺嘌呤(A)n鸟嘌呤(G)嘧啶n胞嘧啶(C)n胸腺嘧啶 (T)n尿嘧啶(U) 稀有碱基， n定量分析-碱基对波长为260nm的紫外线有最大光吸收；n减色效应-碱基堆积力使核酸形成稳定的三维结构；将杂环内的共轭键遮蔽起来所造成。 (二)戊糖D核糖n核糖核酸(RNA)D2脱氧核糖 n脱氧核糖核酸(DNA)RNA不如DNA分子稳定nC-2上连有1个羟基二、核苷酸n核苷酸核苷的戊

2、糖上C5位的羟基与1个磷酸基团以酯键连接n二磷酸核苷酸n三磷酸核苷酸n环腺苷酸(cAMP)或环鸟苷酸(cGMP) 三、核酸的结构n核苷酸通过3，5磷酸二酯键连接成无分支的线性大分子n骨架由戊糖与磷酸基团组成n 每股核酸链都有5和3两个的末端，习惯上按照5-3的方向书写。第二节 DNA的结构一、研究历史n1928年，Griffith的肺炎球菌转化实验n1944年，Avery等人指出脱氧核糖核酸是导致肺炎球菌转化的基本单位”n1951年，Herriott发现噬菌体T2n1952年，Hershey和Chase为此用32P和35S进行了同位素掺入实验n1950年，Chargaff提出DNA分子的碱基组

3、成是有规律的n1951年，Wilkins发现这DNA分子是由2条链组成的螺旋结构n1953年， Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型 二、DNA的结构n一级结构核酸分子中核苷酸的线性排列顺序二级结构双螺旋结构n其他高级结构分子规律地压缩 (二)DNA的二级结构模型Watson-Crick模型nDNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕形成的右手螺旋n直径2nm，每环绕一周升高 3.4nm，两个相邻碱基对之间相距0.34nm，n每周都由10个碱基对形成。n磷酸与核糖组成的骨架位于双螺旋的外侧，碱基位于内侧。n上下相邻的碱基平面相互平行，且与中心轴垂直。核糖平面与中

4、心轴平行。n 两条反向平行链的稳定性由疏水相互作用和众多氢键来维持。Watson-Crick模型 n位于同一平面上的两个碱基间的配对是有规律的，其中A与T通过两对氢键配对，G与C通过三对氢键配对。n碱基对互补原则(basepair complementarity)是碱基的大小、形状和化学组成共同限定的结果。Watson-Crick模型nDNA分子的双螺旋结构形成大小不等的两条螺旋形凹沟。n较大的1条称大沟(major groove)，较小的一条称小沟(minor groove)。n 每个碱基都会有一部分在此区域“暴露”出来，以便与其他的DNA结合分子相接触。Watson-Crick模型DNA构

5、象种类n1、B构象Watson-Crick模型，是DNA结构的平均特征n2、A、C、D、E、Z构象n3、构象变化的因素自身特定的碱基序列周围环境条件 A构象n特征每一螺旋有11个碱基对显得比B-DNA短粗n部位DNA.RNA杂交链单链RNA的局部互补双链Z构象n1979年Rich等发现n特征二级结构更为细长左手螺旋的DNA具有独特的锯齿形(ZigZag)骨架 ZDNA的生物学意义 影响DNA的超螺旋状态，影响 DNA与其他分子的结合状态，影响基因活性。 有利于调节蛋白识别并结合于特定的核酸序列 ZDNA参加真核生物染色质结构的形成 所有基因的增强子均含有形成ZDNA的序列DNA二级结构的维持n

6、1氢键G-C的配对强度高于AT维持 DNA分子结构的稳定性n 2.碱基堆积力实质是疏水相互作用和范德华引力维持DNA的二级结构起重要作用。DNA二级结构的破坏（变性） n1、DNA变性因素加热pH值变化有机溶剂 (尿素、酰胺) n2、DNA变性的用途n3、增色效应DNA变性后在260nm处的紫外光吸收将增强(三) DNA的三级结构n DNA的三级结构的定义是指双螺旋结构基础上的卷曲 包括线状双链的扭结和超螺旋、多重螺旋单链形成的环环状DNA中的扭结、超螺旋和连环n 三级结构的普遍形式环形DNA双螺旋链进一步盘绕形成的超螺旋。DNA封闭环状结构n真核DNADNA结合蛋白组成的支架使DNA形成许多

7、连续的环状功能单位。n原核DNA1环形DNA的拓扑学特性(topology)n(1)连环数(1inking number)以L表示,指双螺旋中两条链相互缠绕的次数 n(2)缠绕数(twisting number)用T表示,是指DNA分子中Watson-Crick螺旋的数目。n (3)超螺旋周数(writhenumber of turns of superhelix) 以W表示, W LT超螺旋n有方向性，分正超螺旋和负超螺旋。n天然DNA都呈负超螺旋超螺旋的生物学意义n(1)超螺旋DNA较之松弛型分子有更为紧密的结构，因而对DNA分子在细胞内的包装过程更为有利。n(2)超螺旋会影响双螺旋分子的

8、解旋能力，从而影响到DNA与其他分子之间的相互作用。2DNA的包装n第一步由大约200bp的DNA盘绕组蛋白八聚体1.75周，形成直径约10nm的核小体重复单位。相邻核小体之间形成 “串珠式”，DNA被压缩7倍。n第二步每6个核小体盘曲一周，缠绕成直径约30nm的纤维。染色质纤维在非组蛋白的帮助下，沿着染色体纵轴反复盘曲，形成直径 300nm的染色体舒展形式。DNA被压缩 100倍以上n第三步n继续缠绕成为致密染色体。DNA被压缩了大约104倍(四) DNA的特殊结构n1、回文序列n2、三链DNA n3、四链DNA 1回文序列 (palindromic sequence)n序列特征反向重复的碱

9、基序列 (inverted repeats)n结构特征发夹结构(hairpin)十字架结构(cruciform structure)分为茎、环两部分，结构稳定性差，在DNA的调控区较常见可用S1核酸酶来鉴定。2三链DNAn(1) 结构特征PyPuPy，如TAT，CGC等PyPuPu，如TAA，CGG等n(2) “HDNA(hingedDNA)高嘌呤(Pu)或高嘧啶(Py)的双链DNA链内包含有的对映重复序列DNA链在此形咸一尖锐的转角对单链特异性的S1核酸酶高度敏感 (3)三链DNA的生物学意义n作为靶序列的“分子剪刀”：精确切割目的双螺旋DNA。n反基因(antigene) 技术:作为基因表

10、达的抑制物，选择性阻断靶基因，抑制其转录。n阻止序列专一性蛋白质的结合，影响DNA与蛋白质结合及DNA复制、转录等。3 四链DNAn特征富含G单链或两条富含G的单链形成稳定的G4四链DNA结构n分布端粒(telomere)DNAn功能稳定染色体保持DNA完整性第三节 RNA一 、RNA的结构特征n(一) 包含核糖，易被水解。n(二) 尿嘧啶(U)替代胸腺嘧啶(T) n(三) 单链形式存在，无互补碱基比例。n (四) 含稀有碱基或修饰碱基二、RNA的主要类型和功能n1、mRNA占细胞总RNA的5，蛋白质合成的模板。n 2、tRNA占细胞总RNA的15，运送氨基酸到核糖体n3、 rRNA占细胞总R

11、NA的80，核糖体的主要组分4、snR NA和scRNA与遗传信息的表达密切相关三 tRNA (一) tRNA一级结构n1分子长度约7090个核苷酸，n2分子中约20多个位置上的核苷酸是保守的。n3成熟的tRNA 5末端通常为pG；3末端序列为CCA，n4分子含多种稀有或修饰碱基，在所有RNA分子中修饰程度最高。n1、结构4茎4环组成的特征性三叶草形结构n2、功能域氨基酸接受茎 在其3末端是CCATC环可变环D环反密码子环 (二) tRNA二级结构 (三) tRNA三级结构酵母Phe tRNA三维结构的模型1 tRNA分子中存在两个构象参数类似A型DNA的双螺旋区。这两个双螺旋区相互垂直，使整

12、个分子成为倒L型。酵母Phe tRNA三维结构的模型2带有氨基酸连接位点的3CCA末端处于“L”的一端，反密码子环则处在另一端，使 tRNA分子上的两个主要功能区之间具有最大限度的间隔。酵母Phe tRNA三维结构的模型n3CCA末端及其附近的双螺旋区与tRNA分子的其他区域缺乏强有力的相互作用，有利于3末端在蛋白质合成过程中发生一些必要的构象变化。酵母Phe tRNA三维结构的模型n4在二级结构中未配对的某些碱基参与了三级结构中特殊的氢键作用n核糖磷酸骨架与某些碱基甚至其他区域的骨架之间也能产生相互作用，nD环和 TC环组成倒L构象的拐角n上述几种作用都有助于维系整个分子的结构。 (四) t

13、RNA结构、功能、识别ntRNA折叠形成大小相似的特征性三级结构，使所有的tRNA分子都能进入核糖体的A位和P位。tRNA的识别n同工tRNA受同一氨酰tRNA合成酶的催化转运相同氨基酸的tRNAn第二套遗传密码(second genetic code)氨酰tRNA合成酶与tRNA分子间的相互识别作用机制n酶识别作用的位点氨基酸接受茎与反密码子环 tRNA的构象 (五) tRNA转录后加工n转录产物为多聚前体 nRNaseP切割产生多个具有成熟的tRNA 5端的tRNAnRNase D逐一切去3端多余的核苷酸，直到CCA序列处，形成具有成熟的3末端tRNA分子。(六)校正tRNA(suppre

14、ssor tRNA)n1、校正tRNA以tRNA基因的突变来补偿mRNA密码子上的突变，从而恢复或部分恢复密码子“原意”的tRNA。n2、校正机制校正突变发生于tRNA的反密码子处，突变的tRNA反密码子可识别突变后的密码子，合成蛋白质的功能可基本保持正常。 四、rRNAn构成核糖体大、小亚基的骨架 n决定着整个复合体的结构以及蛋白组分所附着的位置。 n较为稳定，碱基修饰成分少。(一)核糖体的化学组成n原核核糖体RNA:蛋白质 2:1沉降系数是70S。30S的小亚基(含16SrRNA和21个蛋白质分子)50S的大亚基(含23SrRNA，5SrRNA和31个蛋白质分子)n真核核糖体 RNA:蛋白

15、质1:1 沉降系数80S，大亚基为60S(含28S、5.8S、 5S rRNA以及49个蛋白质分子)小亚基为40S(含18SrRNA和33个蛋白分子)。 (二) rRNA的一级结构n1、修饰碱基的含量比tRNA少得多，显著特点是甲基化核苷的存在n2、5S rRNA其进化上的保守性高于其他种类的rRNA，5SrRNA一般不含修饰成分。n 3、5.8SrRNA与大肠杆菌23SrRNA5端的160个核苷酸具有同源性。n4、不同生物来源的两种大分子rRNA(类16SrRNA和类23SrRNA)一级结构的某些区域有高度的序列同源性。 (三) rRNA的二级结构n分子内具有大量的茎环结构n有多种不同的构象

16、可能性16S rRNA的结构模型n少于半数的碱基进行配对n连续配对区的长度一般在80个碱基对以下n双链区中未配对的部分常向外侧膨出n共形成4个较为显著的结构域 23S rRNAn分子中有大约52的核苷酸以双链形式存在n分子自身3端和5端的序列之间形成互补的双螺旋n通过一些远距离的碱基配对，使分子形成6个区域。n细菌23SrRNA之间与真核生物28S rRNA的同源性主要就表现在二级结构方面v大肠杆菌5S rRNA整个分子折叠成“Y”型16S类rRNA二级结构a 原核细菌E.coli b 古细菌H.volcaniic真核 d共同特征16S类rRNA二级结构 (四) rRNA与蛋白质的结合nrRN

17、A可在特定的位点与蛋白质结合，结合位点通常是带有发夹结构n结合到rRNA上的蛋白质可诱导rRNA的构象发生改变，使其他的蛋白质得以继续结合 (五)核糖体亚基的组装n1 先形成低甲基化略长于成熟的rRNA前体rRNAn2 除去多余的序列并进一步甲基化，前体构象改变。n3 经过构象变化，允许其它的蛋白组分继续加入。 (六) rRNA在蛋白质合成中的作用n核糖体大亚基rRNA具有肽酰转移酶活性n16S rRNA3末端的一段6碱基富含嘧啶的保守序列，可与mRNA起始密码AUG之前的一段富嘌呤序列(也称SD序列)直接互补n16SrRNA中的另一特定区域可与tRNA分子上的反密码子区域发生直接作用。五、m

18、RNA 原核mRNAn为多顺反子 (polycistron)n在AUG密码子上游有SD序列，作用是识别与16SrRNA3 端富含嘧啶的短序列真核mRNAn通常为单顺反子(monocistron)n3 末端有一段长约200个核苷酸的“多聚A尾巴” (polyA tail) n5端有帽子 nAUG前后的ACCAUGG(Kozak sequence)序列n是断裂基团n5端和3末端往往有非翻译区(UTR) 六、其他种类的RNA（一）hnRNAn真核细胞核mRNA的前体，统称为不均一核RNA(heterogeneous Nuclear RNA，hnRNA)。(二)真核细胞中的小RNA(small RNA)nsnRNA细胞核中的小RNA分子称为核内小RNA (small nuclear RNA)nscRNA在胞质中小RNA分子的就叫做胞质小RNA(sall cytoplasmic RNA) nsnRNP and scRNP小RNA以结合着蛋白质的核蛋白颗粒(ribonucleoprotein particles）的形式存在。1snRNAn不到细胞总RNA的1 n有15种左右，7