《生物化学》本科课件第13章+核酸的结构

1、第13章 核酸的结构扬州大学生物科学与技术学院核酸的组成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解基本结构单位核糖脱氧核糖嘌呤AG嘧啶CTU扬州大学生物科学与技术学院戊糖扬州大学生物科学与技术学院核酸的分类就是根据所含戊糖种类不同而分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA) DNA RNA 嘌 呤 碱 腺嘌呤(adenine)鸟嘌呤(guanine) 腺嘌呤(adenine)鸟嘌呤(guanine) 嘧 啶 碱 胞嘧啶(cytosine) 胸腺嘧啶(thymine) 胞嘧啶(cytosine) 尿嘧啶(uracil) 戊 糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖 酸 磷 酸 磷 酸扬州大学生物科学与技术学院第一

2、节 核苷酸扬州大学生物科学与技术学院核苷酸的分类：（1）(核糖)核苷酸（2）脱氧(核糖)核苷酸两类。两者基本化学结构相同，只是所含戊糖不同。扬州大学生物科学与技术学院一、碱基 （base）碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。 1嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。 扬州大学生物科学与技术学院2. 嘌呤碱 应用X光衍射分析法已证明了各种嘌呤和嘧啶的三度空间结构。嘌呤和嘧啶环很接近平面，但稍有挠折。 扬州大学生物科学与技术学院3. 稀有碱基 除了5种基本的碱基外，核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基。稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10。 嘌呤次黄嘌呤

3、 I；N6、N6-二甲基腺嘌呤m26A； N1、N2 、 N7 三甲基鸟嘌呤m31,2,7G嘧啶5-甲基胞嘧啶 m5C ；5-羟甲基胞嘧啶 hm5U ；二氢尿嘧啶 DHU扬州大学生物科学与技术学院二、核苷 核苷是一种糖苷，由戊糖和碱基缩合而成。之间以糖苷键相连接。一般称之为N糖苷键。核酸分子中的糖苷键均为糖苷键。 糖的C1与嘌呤碱的N9糖的C1与嘧啶碱的N1扬州大学生物科学与技术学院规律：（1）核苷中的戊糖为呋喃型的D-核糖或D-脱氧核糖，糖苷键均为糖苷键。（2）对嘧啶核苷来说，糖的C1与嘧啶碱的N1相连；对嘌呤核苷来说，糖的C1与嘌呤碱的N9相连（3）应用X射线衍射法已证明，核苷中的碱基与糖

4、环平面互相垂直。扬州大学生物科学与技术学院三、 核苷酸核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸。核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷酸核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸2、3或5核糖核苷酸碱基碱基3或5脱氧核糖核苷酸生物体内游离存在核苷酸主要是5核苷酸扬州大学生物科学与技术学院核苷酸碱基连接（核苷键）酯 键（对DNA为H）12345扬州大学生物科学与技术学院八种核苷酸M/单，D/二，T/三；P-磷酸（都表示5磷酸）RNA的名称为单/二/三苷酸， DNA在单/二/三前加脱氧两字（d表示）。 如AMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸） dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）稀有核苷酸与上类似扬州大学生物科学与技术学院（四）核

5、苷酸的衍生物生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。（1）ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸)扬州大学生物科学与技术学院ATP的性质核酸合成的前体是重要的能量转换中间体ATP含两个高能磷酸键：水解时 可释放大量自由能，推动体内各种需能反应。ATP也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。扬州大学生物科学与技术学院 (2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)生物体内游离存在，核酸合成的前体，也是一种高能化合物具有类似ATP的结构主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换扬州大学生物科学与技术学院（3）cAMP 和 cGMPc

6、AMP 3,5环腺嘌呤核苷一磷酸cGMP 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸细胞间信使cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键：pH 7.4时水解能约为43.9 kJ /mol，比 ATP 水解能高得多。扬州大学生物科学与技术学院第二节 核酸的共价结构 扬州大学生物科学与技术学院一、核酸的共价结构也就是核酸的一级结构，通常是指核酸的核苷酸序列。 核酸的酸碱滴定曲线显示，在核酸分子中的磷酸基只有一级解离，它的另两个酸基必定与糖环的羟基形成了磷酸二酯键。由此可见，核酸中的核苷酸以磷酸二酯键彼此相连。发现过程：2.使用特殊的磷酸二酯酶水解核酸的磷酸二酯键。（牛脾水解5羟基形成的磷酸酯键；蛇毒水解3羟

7、基形成的磷酸酯键 ）扬州大学生物科学与技术学院连接方式：3，5磷酸二酯键牛脾蛇毒扬州大学生物科学与技术学院核酸一级结构的简写形式戊糖3-OHB53PPPPPP A G C T G C OH（1）竖线式，用竖线代表戊糖，B为碱基，P为磷酸基；原则上5端在左侧，3端在右侧，磷酸二酯键的走向为3 5。 P（2）文字式：pApCpTpG .pA-C-T-G 或 5 AGCTGC 3扬州大学生物科学与技术学院二、DNA的一级结构 1.定义一级结构指核酸的核苷酸排列序列。2.特点：（1）碱基组成：A、T、C、G，戊糖为脱氧核糖。（2）各核苷酸之间通过3 5磷酸二酯键相连（3）DNA无分支链，相对分子质量非

8、常大（4）各物种的DNA基因组结构特点不同扬州大学生物科学与技术学院扬州大学生物科学与技术学院1. 细菌（原核生物）的基因组结构特点连续、无内含子，功能相关的基因组成操纵子，有共同的调控序列，很少有重复序列。内含子（intro）：真核生物的基因通常是断裂基因，保留在成熟RNA中的序列称为外显子（exon），插入的非编码序列称为内含子。扬州大学生物科学与技术学院操纵子：指原核生物基因表达的协调单位，包括在功能上彼此相关的基因及其调控部位，调控部位由启动子和操纵基因（阻遏蛋白结合区）所组成。扬州大学生物科学与技术学院扬州大学生物科学与技术学院2. 真核生物的基因组特点断裂、有内含子、功能相关基因不

9、形成操纵子，调控序列所占比例大，有大量重复序列。例如：人的基因组大小为3.2X109 bp，但编码蛋白质的序列仅占基因组的1%-1.4%基因（35%）假基因基因外区域外显子内含子扬州大学生物科学与技术学院扬州大学生物科学与技术学院3. 病毒基因组的特点基因组较小，但十分紧凑，有的基因是重叠基因。重叠基因：指调控具有独立性，但部分使用共同基因序列的基因。重叠基因扬州大学生物科学与技术学院三、RNA的一级结构 一级结构共同特点：（1）碱基由A、U、C和G组成，另外还有一些稀有碱基（2）戊糖不是脱氧核糖，而是核糖 （3）组成RNA的核苷酸也是以3 5磷酸二酯键彼此连接起来的；所以也是无分支线型多聚核

10、苷酸（4）RNA种类多，结构差异大 主要种类为tRNA, rRNA, mRNA。扬州大学生物科学与技术学院1. tRNA结构特点：tRNA通常由73至93个核苷酸组成，相对分子质量都在25 000左右，沉降常数为4S。含有较多稀有碱基，可达碱基总数的1015。沉降系数：指在单位离心力的作用下粒子的沉降速度，以svedberg表示，简写为S，单位为时间，1S = 110-13 s扬州大学生物科学与技术学院2. rRNA结构特点：细菌的rRNA有5S、16S和23S三种，哺乳动物的rRNA有5S、5.8S、18S和28S四种，rRNA核苷酸数一般100多个bp ，少数有稀有碱基扬州大学生物科学与技

11、术学院扬州大学生物科学与技术学院原核生物以操纵子作为转录单位，产生多顺反子mRNA（一条mRNA链上有多个编码区），5端和3端各有一段非翻译区(untranslated region，UTR)。原核生物mRNA，包括噬菌体RNA，都无修饰碱基。3. mRNA结构特点：扬州大学生物科学与技术学院真核生物的mRNA都是单顺反子，5端有帽子(cap)结构，然后依次是5非编码区、编码区、3非编码区，3端为多聚腺苷酸(polyadenylic acid，poly(A)尾巴。其分子内有时还有极少甲基化的碱基。 5帽子 密码子 3polyA m7Gppp- AUG GUG UAA AAAAAA 5端非翻译区

12、 编码区 3非翻译区真核生物mRNA的共价结构扬州大学生物科学与技术学院5 帽子结构O型：m7G5ppp5Np I型 ：m7G5ppp5NmpNp 型 ：m7G5ppp5NmpNmpNp 帽子有抗5外切酶能力扬州大学生物科学与技术学院帽子结构：可抵抗5核酸外切酶降解mRNA。 可为核糖体提供识别位点，使mRNA很快与核糖体结合，促进蛋白质合成起始复合物的形成。polyA尾： PolyA是mRNA由核进入胞质所必需的形式。polyA与mRNA半寿期有关， PolyA大大提高mRNA在胞质中的稳定性。扬州大学生物科学与技术学院第三节 DNA的高级结构 扬州大学生物科学与技术学院一、DNA的二级结构

13、Watson和Crick于1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型：（1）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。 （2）嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。磷酸与核糖在外侧，彼此通过3，5磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架。 扬州大学生物科学与技术学院（3）碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行。 （4）两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟 扬州大学生物科学与技术学院（5）双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为0.34 nm，两个核苷酸之间的夹角为36。因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸。每一周的高度(即螺距)为3.

14、4nm。 扬州大学生物科学与技术学院（6）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连系；根据对碱基构象研究的结果，A只能与T相配对，形成两个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。 扬州大学生物科学与技术学院二、DNA双螺旋结构模型提出的依据1. 已知核酸化学结构和核苷酸键长和键角的数据。2.对DNA纤维的X射线衍射分析结果证实。3. Chargaff规则 的提出扬州大学生物科学与技术学院扬州大学生物科学与技术学院Chargaff规则（1950年总结）(1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。(2) 鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。(3) 含氨基的碱基(腺嘌呤和胞嘧啶)总数等于含酮基的

15、碱基(鸟嘌吟和胸腺嘧啶)总数，即A+C=G+T。 (4) 嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。 所有DNA中碱基组成必定是A=T，G=C，这一规律暗示A与T，G与C相互配对的可能性，为Watson和Crick提出DNA双螺旋结构提供了重要根据。 扬州大学生物科学与技术学院三、DNA二级结构类型DNA的结构可受环境条件(相对湿度、溶液的盐浓度、离子类型、有机溶剂等)的影响而改变。A型：相对湿度75%制得的DNA纤维结构；右手螺旋。B型：相对湿度92%制得的DNA纤维结构;右手螺旋（Watson and Crick的结构)。C型、D型：相对湿度4446% ， 60% 制得的DNA纤维结构;

16、右手螺旋Z型：左手双螺旋；扬州大学生物科学与技术学院A-DNA特点：（1）是由两条反向的多核苷酸链组成的双螺旋，右手螺旋；（2）但是螺体较宽而短，碱基对与中心轴之倾角也不同，呈19。（3）碱基对的倾角导致大沟变狭；小沟变宽。螺距也发生变化。扬州大学生物科学与技术学院Z型结构特征（1）序列必须含鸟嘌呤，并且嘌呤碱与嘧啶碱交替出现，有利于Z型的形成。 （2）Z型螺旋细长，大沟平坦，磷酸和糖骨架呈Z字形。扬州大学生物科学与技术学院DNA的类型类型 结晶状态 螺距 碱基距离 每圈 旋转 (nm) (nm) bp数 方向A 相对湿度75% 2.8 0.256 11 右手 DNA钠盐B 相对湿度92% 3

17、.4 0.34 10 右手 DNA钠盐Z d(GCGCGC) 4.44 0.37 12 左手P489表13-6三种类型DNA的比较扬州大学生物科学与技术学院三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)扬州大学生物科学与技术学院当DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）构成镜像重复时可以形成三股螺旋（铰链DNA，hinged DNA , H-DNA)P 490 图13-11 H-DNA的结构扬州大学生物科学与技术学院DNA三股螺旋结构常出现在DNA复制、转录、重组的起始

18、位点或调节位点，如启动子区。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。扬州大学生物科学与技术学院四、DNA的三级结构 1. 定义：是指DNA分子(双螺旋)通过扭曲和折叠所形成的特定构象，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互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级结构的一种形式。 扬州大学生物科学与技术学院超螺旋的类型1.正超：（拧紧螺旋）2.负超：（解螺旋）左旋右旋超螺旋DNA具有更为致密的结构，可以将很长的DNA分子压缩在一个极小的体积内。天然环状DNA一般都以负超螺旋构象存在，负超螺旋DNA易于解链。有利于DN

19、A的复制、重组和转录等过程进行。 扬州大学生物科学与技术学院五、DNA与蛋白质复合物的结构 生物体内的核酸通常与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。基因组DNA与蛋白质结合形成染色体。病毒可认为是游离的染色体1.病毒扬州大学生物科学与技术学院扬州大学生物科学与技术学院RNA和蛋白质核心突环由双链DNA结合碱性蛋白质所组成细菌拟核的突环结构2、原核细胞的拟核扬州大学生物科学与技术学院基因组DNA与蛋白质结合最后形成染色体。染色体的基本结构核小体(nucleosome)3、真核细胞的染色体1974年Kornberg根据电镜观察和X射线衍射等资料，提出核小体的结构 扬州大学生物科学与技术学院核

20、小体的结构模型特点 1. 由组蛋白核心和盘绕其上的DNA所构成；组蛋白H1将DNA两条链封住。2.核心由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子组成一个八聚体；3. DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146 bp 扬州大学生物科学与技术学院染色质纤丝突环玫瑰花环真核生物染色体DNA组装成不同层次结构扬州大学生物科学与技术学院第四节 RNA的高级结构 扬州大学生物科学与技术学院一、tRNA的高级结构 1. tRNA的二级结构 三叶草形（5部分）(1)氨基酸臂:由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为CCA，接受活化的氨基酸 (2)二氢尿嘧啶环:由8-12个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶 R

21、代表嘌呤Y代表嘧啶二氢尿嘧啶环扬州大学生物科学与技术学院(3)反密码环:由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌吟核苷酸常出现于反密码子中。(4)额外环:由318个核苷酸组成。不同的tRNA具有不同大小的额外环，所以是tRNA分类的重要指标。 (5)假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷环(T C 环)：由7个核苷酸组成，几乎所有tRNA在此环中都含有TC 。 扬州大学生物科学与技术学院2. tRNA的三级结构-倒L形 扬州大学生物科学与技术学院二、rRNA的高级结构 大肠杆菌16S rRNA二级结构示意图扬州大学生物科学与技术学院（三）其它RNA的高级结构游离mRNA可产生高级结构，但翻译时需解开核酶的功能与其空间结构密切相关。8种核酶的结构（除rRNA） ：RnaseP的RNA亚基（M1 RNA）、锤头型、发夹型、丁型肝炎病毒（HDV）基因组和反基因组、Varkud卫星（Vs）质粒、类型和类型自我剪接内含子扬州大学生物科学与技术学院1DNA双螺旋结构模型是_于_年提出的。2核酸的基本结构单位是_。3B型DNA双螺旋的螺距为_，每