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同序列总数为

2、4n124、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P53首端首端末端末端PPPPPP （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景 （1 1）X X射线衍射数据射线衍射数据W

3、ilkinsWilkins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=C）。）。碱基当量定律：嘌呤碱总量碱基当量定律：嘌呤

4、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生成生成2 2个氢键、个氢键、C C与与G G生成生成3

5、 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

6、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9

7、090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

8、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DNA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

9、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

10、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+

11、+、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

12、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 B-DNA & Z-DNA 天然存在的天然存在的DNA分子最显著的特分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在点是很长，分子质量很大，一般在1061010。l大肠杆菌染色体由大肠杆菌染色体由400万碱基对万碱

13、基对(basepair，bp)组成的双螺旋组成的双螺旋DNA单单分子。其长度为分子。其长度为1.4106nm，相当于，相当于1.4mm，而直径为，而直径为20nm，相当原子，相当原子的大小。的大小。l黑腹果蝇最大染色体由黑腹果蝇最大染色体由6.2107bp组成，长组成，长2.1cml多瘤病毒的多瘤病毒的DNA由由5100bp组成组成 ，长长1.7mm三、三、DNA的三级结构的三级结构定义：定义：是指双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的是指双螺旋进一步扭曲形成的更高层次的空间结构，也就是比双螺旋更为复杂的构象。空间结构，也就是比双螺旋更为复杂的构象。线状线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋形成的纽

14、结、超螺旋和多重螺旋环状环状DNA形成的结、超螺旋和连环形成的结、超螺旋和连环类型类型DNA的三级结构的三级结构主要是指双螺旋进一步扭曲形成主要是指双螺旋进一步扭曲形成的超螺旋。的超螺旋。超螺旋即超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。双螺旋的螺旋。1. 1.真核细胞染色体的真核细胞染色体的DNADNA念珠状（线形）三级结构念珠状（线形）三级结构核小体核小体(nucleosome)： 由由DNA和组蛋白构成。和组蛋白构成。DNA：以负超螺旋缠绕在组蛋白上：以负超螺旋缠绕在组蛋白上组蛋白核心：组蛋白核心：H2B ,H2A ,H3 ,H4H2B ,H2A ,H3 ,H4H1H1组蛋白在核小体之间组蛋白在核小体

15、之间DNA双螺旋双螺旋核小体核小体螺线管螺线管襻襻 螺旋圈螺旋圈突环突环2. 2.原核生物以及真核生物细胞器环状原核生物以及真核生物细胞器环状DNADNA的超螺旋三级结构的超螺旋三级结构 细菌等原核生物在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成麻花状的超螺旋形成麻花状的超螺旋(supercoil)，体积进一步压缩，体积进一步压缩. 在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成麻花状的超螺旋形成麻花状的超螺旋(supercoil)，体积进一步压缩，体积进一步压缩. 正超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋，在正超螺旋：两股以右旋方向

16、缠绕的螺旋，在外力往紧外力往紧缠的方向捻转时，会产生一个左缠的方向捻转时，会产生一个左旋的超螺旋，以解除外力捻转造成的胁变。这样形成的螺旋为正超螺旋。旋的超螺旋，以解除外力捻转造成的胁变。这样形成的螺旋为正超螺旋。 负超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋在负超螺旋：两股以右旋方向缠绕的螺旋在外力向松外力向松缠的方向捻转时，产生一个右旋的缠的方向捻转时，产生一个右旋的超螺旋以解除外力捻转造成的胁迫。这样形成的超螺旋为负超螺旋。超螺旋以解除外力捻转造成的胁迫。这样形成的超螺旋为负超螺旋。 正超螺旋：正超螺旋：负超螺旋：负超螺旋： RNA的的一级结构一级结构是由数量极其庞大的四种核糖核酸（是由数量极其庞

17、大的四种核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定顺序，通过）按一定顺序，通过3 ,5 磷酸二酯键磷酸二酯键连连成的线形分子，其表示方法与成的线形分子，其表示方法与DNA相同。相同。 RNA是单链分子，因此，在是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶类的数量比例关系，即分子中的嘌呤碱基总数不一定等于嘧啶碱基的总数。碱基的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为的部分，则形成突环。这种结构可以形

18、象地称为“发夹型发夹型”结结构。构。 RNA的的三级结构三级结构是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的是在茎环结构基础上进一步扭曲折叠而成的复杂结构。复杂结构。二、二、 RNARNA的结构的结构 这种由单链自身折叠形成的结构称为茎环结构。茎环结构是各种RNA的共同的二级结构特征。n 在在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象不象DNA中严格。中严格。G 除了可以和除了可以和C 配对外，配对外，也可以和也可以和U 配对。配对。G-U 配对形成的氢键较配对形成的氢键较弱。不同类型的弱。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的其二级结构有明显的差异。差异。（一）（一）t

19、RNA的结构的结构n由由7493个（多为个（多为76个）核苷酸组成单链，沉降系数为个）核苷酸组成单链，沉降系数为4S ； (沉降系数沉降系数又称为沉降常数，指离心力场中沉降分子下沉的速度，又称为沉降常数，指离心力场中沉降分子下沉的速度，1S=1x10-13秒，秒，S常用来表示核酸分子，蛋白质分子和糖体等的大小）常用来表示核酸分子，蛋白质分子和糖体等的大小）ntRNA是分子最小，但含有稀有碱基最多的是分子最小，但含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可，其稀有碱基的含量可多达多达20%。 n 稀有碱基大部分位于突环部分稀有碱基大部分位于突环部分.ntRNA是保守性最强的是保守性最强的RNA。

20、 n tRNA是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。是单链核酸，但其分子中的某些局部也可形成双螺旋结构。 ntRNA的二级结构都呈的二级结构都呈” 三叶草三叶草” 形状，在结构上具有某些形状，在结构上具有某些共同之处，一般可将其分为共同之处，一般可将其分为四四臂四环：臂四环：n包括氨基酸接受区包括氨基酸接受区;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

21、1 12 24 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

22、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

23、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

24、（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mRNA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

25、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，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 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