生物化学核酸的结构

生物化学核酸的结构第1页，课件共83页，创作于2023年2月核酸的组成成分核糖碱基核苷酸核糖核酸

RNA核苷磷酸聚合脱氧核糖碱基

脱氧核苷酸

脱氧核糖核酸

DNA脱氧核苷磷酸聚合第2页，课件共83页，创作于2023年2月一、核苷酸第3页，课件共83页，创作于2023年2月核酸中的碱基种类DNARNA嘌呤碱腺嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤嘧啶碱胞嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶第4页，课件共83页，创作于2023年2月嘌呤环和嘧啶环的结构第5页，课件共83页，创作于2023年2月核酸中的嘌呤和嘧啶第6页，课件共83页，创作于2023年2月碱基酮式和烯醇式的互变异构第7页，课件共83页，创作于2023年2月稀有碱基第8页，课件共83页，创作于2023年2月几种嘌呤碱基

次黄嘌呤（I）黄嘌呤（X）尿酸

茶叶碱可可碱咖啡碱第9页，课件共83页，创作于2023年2月核糖和脱氧核糖核糖（链式）核糖（环式）脱氧核糖（链式）脱氧核糖（环式）第10页，课件共83页，创作于2023年2月核苷

(nucleoside)糖苷键碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。第11页，课件共83页，创作于2023年2月DNA和RNA中的各种核苷第12页，课件共83页，创作于2023年2月核苷酸

(nucleotide)第13页，课件共83页，创作于2023年2月核苷酸

(nucleotide)5’-腺苷酸3’-腺苷酸2’-腺苷酸第14页，课件共83页，创作于2023年2月多磷酸核苷酸第15页，课件共83页，创作于2023年2月环化核苷酸（cAMP）（cGMP）第16页，课件共83页，创作于2023年2月二、核酸的共价结构5’3’第17页，课件共83页，创作于2023年2月核酸中核苷酸的连接方式5’3’第18页，课件共83页，创作于2023年2月核酸结构的简写式5’3’第19页，课件共83页，创作于2023年2月两种磷酸二酯酶的水解位点第20页，课件共83页，创作于2023年2月三、DNA的高级结构

Chargaff

等在20世纪40年代应用纸层析及紫外分光光度技术测定各种生物DNA的碱基组成，结果发现，DNA的碱基组成具有生物种的特异性。不同物种的DNA有其独特的碱基组成，而同一物种不同组织和器官的DNA碱基组成是一样的，不受生长发育、营养状况以及环境条件的影响。

DNA碱基组成的Chargaff规则第21页，课件共83页，创作于2023年2月不同生物DNA的碱基组成Ⅰ第22页，课件共83页，创作于2023年2月不同生物DNA的碱基组成Ⅱ（1）A=T（2）G=C（3）嘌呤碱基的总数等于嘧啶碱基的总数，即A+G=C+T。这个规则为Watson和Crick提出DNA双螺旋结构提供了重要根据。

第23页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的X光衍射图第24页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的二级结构Ⅰ

1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的双螺旋模型，并因此和威尔金斯一起分享了1962年的诺贝尔医学或生理学奖。第25页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的二级结构ⅠDNA分子双螺旋模型具有以下特征：（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，磷酸与核糖形成的主链在外侧，碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。两条链的配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟。第26页，课件共83页，创作于2023年2月DNA分子的双螺旋结构第27页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的二级结构Ⅱ（3）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0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36°。因此，沿中心轴每旋转一圈有10个核苷酸，每一圈的高度（螺距）为3.4nm。（4）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起，A必须与T配对，G必须与C配对。AT之间形成两个氢键，GC之间形成3个氢键。（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但根据碱基配对的原则，当一条链上的碱基序列确定后，另一条链上的碱基序列必须与之互补。两条链互为互补链。

第28页，课件共83页，创作于2023年2月配对碱基之间的氢键第29页，课件共83页，创作于2023年2月配对碱基之间的氢键第30页，课件共83页，创作于2023年2月碱基堆积力

Thebasesarestackedontheinsideofthestructure;theseheterocyclicbases,asaconsequenceoftheirπ-electronclouds,arehydrophobicontheirflatsides.第31页，课件共83页，创作于2023年2月碱基堆积力使DNA成为双螺旋

第32页，课件共83页，创作于2023年2月DNA其它构象的发现

后来，K.Dickerson等人用人工合成的多聚脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行X射线衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与Watson和Crick模型非常相似，但在结构上并不像Watson-Crick模型那样均一。这是由于碱基序列不同，以致在局部结构上有较大差异。

第33页，课件共83页，创作于2023年2月Dickerson结构的差异处（1）在Dickerson的十二聚体中，两个碱基之间的夹角可由28°至42°不等，实际平均每一圈含10.4个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变动。（2）在Dickerson的十二聚体中，组成碱基对的两个碱基的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶片那样，故称为螺旋桨状扭曲（propellertwisting）。这种结构可提高碱基堆积力，使DNA结构更稳定。

第34页，课件共83页，创作于2023年2月Dickerson模型中碱基对的螺旋桨状扭曲第35页，课件共83页，创作于2023年2月不同类型的DNA双螺旋

Watson和Crick模型代表DNA钠盐在较高湿度下（92%）制得的纤维的结构，该结构称为B型。由于它的水分含量较高，可能比较接近大部分DNA在细胞中的构象。DNA能以多种不同的构象存在，除B型外通常还有A型、C型、D型、E型，以及左手螺旋的Z型。其中A型和B型是DNA的两种基本的构象，C型、D型、E型与B型类似，Z型则比较特殊。第36页，课件共83页，创作于2023年2月A－DNA

在相对湿度75%以下获得的DNA纤维的X射线衍射分析表明，这种DNA纤维具有不同于B型的结构特点，称为A型。A－DNA也是由两条反向的多核苷酸链组成的右手双螺旋，但螺体较宽而短，碱基对与中心轴有19°的倾角。RNA分子的双螺旋区以及RNA－DNA杂合双链也具有与A－DNA相似的结构。

第37页，课件共83页，创作于2023年2月DNA双螺旋的A、B、Z型第38页，课件共83页，创作于2023年2月DNA双螺旋的大小沟

在A－DNA中，碱基对倾角大，并偏向双螺旋的边缘，给出一个深且狭的大沟和一个宽且浅的小沟。而B－DNA中大沟比小沟宽，但深度相近。Z－DNA只有小沟，没有大沟。第39页，课件共83页，创作于2023年2月DNA双螺旋的A、B、Z型A型B型Z型第40页，课件共83页，创作于2023年2月DNA中糖环的构象

核糖的呋喃糖环并非平面，糖环上通常有一个或两个原子偏离平面。若偏离的原子偏向C5’一侧称为内式，若偏向另一侧称为外式。A型DNA的糖环为C3’内式，B型为C2’内式。A型B型第41页，课件共83页，创作于2023年2月DNA中碱基的顺反构象

碱基平面绕N－糖苷键旋转就产生顺式（syn）和反式（anti）构象，反式构象是指嘌呤的六元环或嘧啶的2位O远离糖链方向，顺式构象是指它们靠近糖链方向。第42页，课件共83页，创作于2023年2月DNA中碱基的顺反构象

顺式反式反式第43页，课件共83页，创作于2023年2月DNA中碱基的顺反构象B－DNA中碱基的反式构象Z－DNA中碱基的顺式构象第44页，课件共83页，创作于2023年2月B型DNA中碱基的反式构象第45页，课件共83页，创作于2023年2月Z－DNA

A.Rich在研究人工合成的d（CGCGCG）寡核苷酸结构时发现了DNA左手螺旋的结构，它每12个碱基对为一圈，螺距4.56nm，只有小沟。dC是C2’内式、碱基反式；dG是C3’内式，碱基顺式。磷酸和糖的骨架呈现Z字形走向。随后发现天然DNA局部也有Z型结构。Z型DNA的序列必须含鸟嘌呤，并且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。

各型DNA可在一定条件下相互转变。

第46页，课件共83页，创作于2023年2月B型DNA中的局部Z型结构第47页，课件共83页，创作于2023年2月A、B、Z型

DNA结构参数的比较第48页，课件共83页，创作于2023年2月DNA三股螺旋

早在20世纪50年代双螺旋发现之后不久，就观察到了一些人工合成的寡核苷酸能够形成三股螺旋（triplex），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。K.Hoogsteen于1963年首先描述了三股螺旋结构。在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸链与寡嘧啶核苷酸－寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合。第三股链的碱基可与Watson-Crick碱基对中的嘌呤碱形成Hoogsteen配对。第三股链与寡嘌呤核苷酸之间为同向平行。第49页，课件共83页，创作于2023年2月Hoogsteen配对×3333第50页，课件共83页，创作于2023年2月DNA三股螺旋图三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子内。

第51页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的三级结构

DNA的三级结构是指双螺旋的DNA分子通过扭曲和折叠形成特定的构象，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。超螺旋是三级结构的一种主要形式。

第52页，课件共83页，创作于2023年2月DNA超螺旋的产生

当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如果使这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放出来，DNA将恢复成正常的松弛态双螺旋。但如果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外的张力就不能释放，DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋。第53页，课件共83页，创作于2023年2月电话线的超螺旋第54页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的三种形式

从生物体中分离出的DNA有三种形式：线状DNA（linearDNA）共价闭合环DNA（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA）开环DNA（opencircularDNA，ocDNA）

cccDNA常以超螺旋形式存在，ocDNA和linearDNA为松弛态。

第55页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的三种形式linearDNAcccDNAocDNA第56页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的超螺旋形式第57页，课件共83页，创作于2023年2月不同超螺旋程度的双链环状DNA超螺旋程度增加第58页，课件共83页，创作于2023年2月cccDNA的一些重要拓扑学特性（1）连环数（linkingnumber）这是环状DNA的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋DNA中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的圈数，以字母L表示。L值不同的相同DNA分子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化拓扑异构体之间的转变。

第59页，课件共83页，创作于2023年2月cccDNA的一些重要拓扑学特性（2）扭转数（twistingnumber）指DNA分子中的Watson-Crick螺旋数，以T表示。（3）超螺旋数（numberofturnsofsuperhelix）或缠绕数（writhingnumber）以W表示。

三者之间的关系为L=T+W第60页，课件共83页，创作于2023年2月cccDNA的一些重要拓扑学特性（4）比连环差（specificlinkingdifference）以λ表示，用以表示DNA的超螺旋程度。λ=（L－L0）/L0

式中L为双螺旋DNA分子的连环数，L0为同一DNA分子松弛状态时的连环数。λ越大则超螺旋程度越高。天然环状DNA分子一般都以负超螺旋构象存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在－0.05左右。

第61页，课件共83页，创作于2023年2月拓扑异构体的电泳图同样大小的DNAL值递减1第62页，课件共83页，创作于2023年2月环状DNA的正超螺旋第63页，课件共83页，创作于2023年2月环状DNA的负超螺旋第64页，课件共83页，创作于2023年2月环状DNA的不同构象负超螺旋为右手螺旋，正超螺旋为左手螺旋。第65页，课件共83页，创作于2023年2月线状DNA的负超螺旋L=-2,负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。第66页，课件共83页，创作于2023年2月染色体DNA中的超螺旋第67页，课件共83页，创作于2023年2月拓扑异构酶的作用

拓扑异构酶有两种类型，Ⅰ型酶能使双链超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每一次催化作用可消除一个负超螺旋，即使L值增加1。Ⅱ型酶刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA，每催化一次使L值减少2。

第68页，课件共83页，创作于2023年2月DNA的十字结构有反向重复序列时可形成十字结构第69页，课件共83页，创作于2023年2月DNA与蛋白质复合物的结构

生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。DNA存在于病毒颗粒中，细菌的拟核中，真核细胞的细胞核和线粒体、叶绿体中。由于DNA分子很长，必须以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。

第70页，课件共83页，创作于2023年2月病毒的结构噬菌体fd噬菌体T2动物病毒第71页，课件共83页，创作于2023年2月细菌中的DNA第72页，课件共83页，创作于2023年2月细菌拟核的突环结构第73页，课件共83页，创作于2023年2月黑腹果蝇染色质的电镜照片第74页，课件共83页，创作于2023年2月真核生物染色体的核小体结构

染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome