生化第14章核酸的结构

第14章

核酸的结构

一、核苷酸二、核酸的共价结构三、DNA的高级结构四、RNA的高级结构本章目录核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷和脱氧核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成

DNA

RNA

嘌呤碱

腺嘌呤(A)腺嘌呤(A)

（Purinebases

）鸟嘌呤(G)

鸟嘌呤(G)碱基Base

嘧啶碱

胞嘧啶(C)胞嘧啶(C)

（Pyrimidinebases）胸腺嘧啶(T)

尿嘧啶(U)戊糖(Pentose)D-2-脱氧核糖

D-核糖

酸(Acid)

磷酸

磷酸用酸将DNA/RNA完全水解DNA：含氮碱基、2-脱氧-D-核糖和磷酸RNA：含氮碱基、D-核糖和磷酸核酸的化学组成一、核苷酸（一）碱基（base）1.嘧啶碱（pyrimidine,Py）（3种）又称含氮碱,分为二类：嘧啶碱和嘌呤碱HCHNHCCHCHNNH2OCCNCHCHNHOONCHNCHCCHHOOCHNCCCHNHCH3嘧啶胞嘧啶C尿嘧啶U胸腺嘧啶T123456（2）嘌呤碱（2种）CNCHCCNNNCHHH123456789一、核苷酸（一）碱基（base）嘌呤CNCHCCCNNHCHNH2CNCCCCNNHCHOH2N腺嘌呤A鸟嘌呤G626一、核苷酸（一）碱基（base）稀有碱基（minorbase）也称修饰碱基：种类很多，多为甲基化的碱基，其中tRNA中含量较多，达10%二氢尿嘧啶（DHU）、次黄嘌呤（I）一、核苷酸（一）碱基（base）组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。一、核苷酸（二）戊糖（pentose

）（构成RNA）核糖(ribose)（构成DNA）脱氧核糖(deoxyribose)1′2′4′5′3′OOHOHHHHCH2OHHOHOHOHHHHCH2OHHOH1′2′3′4′5′1、核苷戊糖+碱基糖与碱基之间的C-N键，称为N—糖苷键一、核苷酸（三）核苷（ribonucleoside

）1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)嘧啶核苷嘌呤核苷通常是戊糖的C1′与嘌呤碱的N9或嘧啶碱的N1相连接。一、核苷酸（三）核苷（ribonucleoside

）胞嘧啶脱氧核苷1NNONH21'2'OHOHHHHCH2OHHβ-糖苷键NNNN9NH2OOHOHHHHCH2OHH1'2'β-糖苷键腺嘌呤核苷2．修饰核苷（modifiednucleoside）：也称稀有核苷（minornucleoside）一、核苷酸（三）核苷（nucleoside

）修饰核苷的简写符号

（任何一种核苷）一、核苷酸（三）核苷（nucleoside

）取代基用下列小写英文字母表示:甲基m

乙酰基ac

氨基n

甲硫基ms

羟基o或h

硫基s

异戊烯基i

羧基c

一、核苷酸（三）核苷（nucleoside

）举例：5-甲基胞嘧啶：m5C1-甲基鸟嘌呤：m1GN2,N2,N7-三甲基鸟嘌呤：m3GN4-乙酰基胞嘧啶：ac4C2,2,7一、核苷酸（四）核苷酸（nucleotide,Nt

）核苷中的核糖-OH被磷酸酯化，形成核苷酸。2’-，3’-，5’-核糖核苷酸(2´-AMP)(3´-AMP)(5´-AMP)一、核苷酸（四）核苷酸（nucleotide,Nt

）3’-，5’-脱氧核糖核苷酸

Deoxyadenosine3’-monphosphate

(3’-dAMP)Deoxyadenosine5’-monphosphate

(5’-dAMP)一、核苷酸（四）核苷酸（nucleotide,Nt

）脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP构成DNA、RNA的核苷酸核苷酸的重要衍生物ATPATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。多磷酸核苷酸：

NMP，NDP，NTPcAMP和cGMPcAMP(3’,5’-环化腺苷酸)和cGMP(3’,5’-环化鸟苷酸)的主要功能是作为细胞的第二信使。cAMP和cGMP的环状磷酯键是一个高能键。腺苷酸环化酶核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子，无分支结构。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。(一)核酸中核苷酸的连接方式(二)DNA的一级结构

(三)RNA的一级结构

二、核酸的共价结构多聚核苷酸是通过一个核苷酸的C3’-OH与另一分子核苷酸的5’-磷酸基形成3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。5’5’3’3’二、核酸的共价结构（一）核酸中核苷酸的连接方式在多聚核苷酸中，两个核苷酸之间形成的磷酸二酯键通常称为3′→5′磷酸二酯键。多聚核苷酸链一端的C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端（常用5’-P表示）；另一端C3’带有自由的羟基，称为3′-羟基端（常用3’-OH表示）。多聚核苷酸链具有方向性，当表示一个多聚核苷酸链时，必须注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。二、核酸的共价结构（一）核酸中核苷酸的连接方式DNA或RNA链中，多聚核苷酸链结构也可表示为：二、核酸的共价结构（一）核酸中核苷酸的连接方式二、核酸的共价结构（一）核酸中核苷酸的连接方式牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得到3’-核苷酸蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得到5’-核苷酸

5’羟基形成的磷酸酯键3’羟基形成的磷酸酯键BBBBBB3’

3’PPPPP5’

5’牛脾磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶DNA的一级结构：是由数量极其庞大的4种脱氧核糖核苷酸通过3′,5′-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。二、核酸的共价结构（二）DNA的一级结构回文结构（palindromicstructure）(1)回文结构

------反向重复二、核酸的共价结构（二）DNA的一级结构RNA的类别

1．核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA）

2．转移RNA（transferRNA,tRNA）

3．信使RNA（messengerRNA,mRNA）二、核酸的共价结构（三）RNA的一级结构（1）tRNA的一级结构

①tRNA分子中含有较多的稀有碱基。②各种tRNA的3′一端为CCA；5′一端大多数为pG，少数为pC。

二、核酸的共价结构（三）RNA的一级结构（2）rRNA的一级结构原核生物核糖体：5S，16S，23SrRNA组装成70S核糖体真核生物核糖体：5.8S，18S，28SrRNA单独合成5S组装成80S核糖体

二、核酸的共价结构（三）RNA的一级结构（3）mRNA的一级结构原核生物：多顺反子，即一条mRNA链上有多个编码区，在5′端和3′端各有一段非翻译区，无修饰碱基。真核生物：mRNA为单顺反子。二、核酸的共价结构（三）RNA的一级结构二、核酸的共价结构（三）RNA的一级结构（3）mRNA的一级结构（3）mRNA的一级结构5`-Cap：大多数真核mRNA的5´末端经焦磷酸与一个7-甲基鸟苷酸相连，同时第一个核苷酸的C2´也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。O型：m7G5´

ppp5´

NpⅠ型：m7G5´

ppp5´

NmpNpⅡ型：m7G5´

ppp5´

NmpNmpNp二、核酸的共价结构（三）RNA的一级结构G：鸟苷；N：任意核苷；m在字母左侧表示碱基被甲基化，右上角数字表示甲基化位置，右下角数字表示甲基化数目；m在字母右侧表示核糖被甲基化。3´-polyA：大多数真核mRNA的3´末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾巴。二、核酸的共价结构（三）RNA的一级结构三、DNA的高级结构三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构1、提出DNA双螺旋结构模型的根据

（1）已知核酸的化学结构和核苷酸键长与键角的数据。（2）Chargaff（查加夫）发现的DNA碱基组成规律，显示碱基间的配对关系。（3）对DNA纤维进行x-射线衍射分析获得了精确结果。

2、DNA碱基组成的Chargaff规则

腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。

鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即G=C

含6-氨基的碱基总数等于含6-酮基碱基总数，即A+C=G+T

嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。一种生物的所有体细胞的DNA的碱基组成均是相同的不同生物的碱基组成有很大差异亲缘相近的生物，其碱基组成相似ErwinChargaff三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构3、DNA的二级结构（double-helicalstructure）1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构。三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构（1）DNA分子由两条反向平行的多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，两条链均为右手双螺旋结构。三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构（2）嘌呤和嘧啶碱基位于双螺旋的内侧。磷酸和脱氧核糖位于螺旋外侧。彼此通过3’，5’-磷酸二酯键相连接，形成分子的骨架。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖环平面与纵轴平行。多核苷酸链的方向取决于核苷酸间磷酸二酯键的走向，以C’3—C‘5为正向。两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟。三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构（3）DNA双螺旋为右手螺旋。螺旋直径为2nm，每个碱基平面之间的距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36°。螺旋每旋转一周为10对碱基，螺距为3.4nm。2.0nm小沟大沟三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构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。三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构（4）两条链依靠碱基间的氢键相连系结合，A只能与T配对，形成两个氢键（A=T）

，G只能与C配对，形成三个氢键（GC）

，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但是根据碱基配对原则，当一条多核苷酸链的顺序被确定后，即可决定另一条互补链的序列。这就表明，遗传信息由碱基的序列携带。三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构①碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力。④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。4、DNA的双螺旋结构稳定因素5、DNA双螺旋结构的多样性主要有三种，分别命名为A、B和C型。三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构A型DNAB型DNAZ型DNAA-DNA：右手螺旋，结构与DNA和RNA的杂合链相似，螺体宽而短。B-DNA：Watson-Crick模型，右手螺旋，生理条件下DNA最稳定的结构形式。Z-DNA：左手螺旋，大沟消失，小沟窄而深。三、DNA的高级结构

（一）DNA的双螺旋结构（1）三股螺旋DNA三、DNA的高级结构

（二）DNA的三股螺旋和四股螺旋三、DNA的高级结构

（二）DNA的三股螺旋和四股螺旋Hoogsteen配对

第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对:T=A*A，C≡G*

CT=A*T，C≡G*G三、DNA的高级结构

（二）DNA的三股螺旋和四股螺旋形成超螺旋的基础：DNA双螺旋的扭曲形成超螺旋（superhelix）三、DNA的高级结构

（三）DNA的超螺旋螺旋和超螺旋螺旋超螺旋DNA超螺旋结构的电镜图象L=25,T=25,W=0松弛环形1152010523L=23,T=23,W=0解链环形15101520231510152025L=23,T=25,W=–2121482316131510152023右手旋转拧松两匝后的线形DNADNA超螺旋的形成螺旋周=250/10=25250bp1.病毒2.细菌的拟核3.真核生物的染色体三、DNA的高级结构

（四）DNA与蛋白质复合物的结构1.病毒病毒基因组较小，通常只有几个至几十个基因。病毒颗粒（virion）主要由核酸（DNA或RNA）和蛋白质组成。在病毒颗粒中，核酸位于内部，蛋白质包裹着核酸。这层蛋白质外壳称为衣壳（capsid），病毒的侵染性是由核酸决定的。三、DNA的高级结构

（四）DNA与蛋白质复合物的结构三、DNA的高级结构

（四）DNA与蛋白质复合物的结构噬菌体三、DNA的高级结构

（四）DNA与蛋白质复合物的结构95nm95nm尾丝2.细菌的拟核细菌没有真核细胞的核结构，细菌的染色体DNA在细胞内紧密缠绕形成的致密体，称为拟核（nucleoid）。三、DNA的高级结构

（四）DNA与蛋白质复合物的结构3、真核生物染色体真核生物的染色体十分复杂，在细胞分裂间期，基因组以染色质形式存在。染色质分为常染色质和异染色。染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome）。三、DNA的高级结构

（四）DNA与蛋白质复合物的结构若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共压缩了约8000～10000倍.串珠状核小体DNA双螺旋片段染色质纤维伸展形染色质片段密集形染色质片段整个染色体四、RNA的高级结构四、RNA的高级结构RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。tRNA的二级结构----三叶草叶形单链（1）aa接受臂（2）二氢尿嘧啶环(DHUloop)（3）反密码环（4）额外环（5）TψC环四、RNA的高级结构

（一）tRNA的高级结构(1)氨基酸接受区

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA-OH，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。

(2)反密码区

与氨基酸接受区相对的一般含有7个核苷酸残基的区域，其中正中的3个核苷酸残基称为反密码子1、tRNA的二级结构四、RNA的高级结构

（一）tRNA的高级结构(3)二氢尿嘧啶区

该区含有二氢尿嘧啶。(4)TC区

假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连。