第三章 核酸(2)核酸的结构

第三章

核酸NucleicAcid第二节核酸的结构DNA——一种类型，一种功能

RNA——多种类型，多种功能

编码RNA和非编码(NcRNA)核酸的分类DNA和RNA的结构异同RNA的2‘-

OH的亲核性使其很不稳定，更容易水解DNA缺乏2'-OH更加稳定

遗传物质必须更加稳定RNA需要的时候合成，不需要的时候需要迅速降解。为什么DNA2'-脱氧，RNA不是?RNA处于单链状态，使其能够自我折叠成可以和蛋白质相媲美的各种类型的二级结构和三级结构，这是形成RNA结构多样性的基础，否则所有的RNA与DNA一样，只能形成千篇一律的双螺旋。RNA在三维结构的多样性使其在细胞内能行使多项生物学功能。DNA通常是双链的，使其能够充分地行使作为遗传物质这项唯一的功能为什么RNA通常单链，DNA通常双链？不同类型的RNA的功能和分布不同类型的RNA的功能和分布一、核酸的一级结构概念核酸分子中核苷酸的排列顺序，即碱基的排列顺序连接键3

,5

-磷酸二酯键，即第一个核苷酸糖环上的游离3

羟基与第二个核苷酸5

磷酸组成3

,5

磷酸二酯键。书写规则方向5

3

，从繁到简有多种表示方法。AGP5

PTPGPCPTPOH3

一级结构的书写方法简写为：5

pApGpTpGpCpT-OH

3

或5

pA-G-T-G-C-TOH

3

和pAGTGCT5´-末端3´-末端CGA磷酸二酯键磷酸二酯键二、DNA的二级结构1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基础上，根据DNA结晶的X-衍射图谱和分子模型，提出了著名的DNA双螺旋结构模型，并对模型的生物学意义作出了科学的解释和预测。DNA结构的揭示JamesWatson&FrancisCrick"MolecularStructureofNucleicAcids:

AStructureforDeoxyriboseNucleicAcid"

(Nature,April25,1953.volume171:737-738.)

"Thenovelfeatureofthestructureisthemannerinwhichthetwochainsareheldtogetherbythepurineandpyrimidinebases...The(bases)arejoinedtogetherinpairs,asinglebasefromonechainbeinghydrogen-bondedtoasinglebasefromtheotherchain,sothatthetwoliesidebyside...Oneofthepairmustbeapurineandtheotherapyrimidineforbondingtooccur....Onlyspecificpairsofbasescanbondtogether.Thesepairsare:adenine(purine)withthymine(pyrimidine),andguanine(purine)withcytosine(pyrimidine).""...inotherwords,ifanadenineformsonememberofapair,oneitherchain,thenontheseassumptionstheothermembermustbethymine;similarlyforguanineandcytosine.Thesequenceofbasesonasinglechaindoesnotappeartoberestrictedinanyway.However,ifonlyspecificpairsofbasescanbeformed,itfollowsthatifthesequenceofbasesononechainisgiven,thenthesequenceontheotherchainisautomaticallydetermined.""...Ithasnotescapedournoticethatthespecificpairingwehavepostulatedimmediatelysuggestsapossiblecopyingmechanismforthegeneticmaterial.Thestructureitselfsuggestedthateachstrandcouldseparateandactasatemplateforanewstrand,thereforedoublingtheamountofDNA,yetkeepingthegeneticinformation,intheformoftheoriginalsequence,intact."已步入古稀之年的Watson（左）和Crick（右）在讨论DNA双螺旋结构模型HappyBirthday,

DoubleHelix

DNA分子X射线衍射照片RosalindFranklin

1、X射线衍射数据（一）双螺旋结构模型建立的依据：不同来源的DNA纤维具有相似的X射线衍射图谱ErwinChargaff（1905-1995）（1）碱基组成规律：A=T,G=C，A+G=C+T,A和T(U)配对，形成两个氢键；G和C配对，形成三个氢键。嘌呤碱总数=嘧啶碱总数（2）碱基组成具有生物种的特异性，即不同物种的DNA具有其独特的碱基组成。（3）同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。（4）DNA碱基组成不受年龄、营养状况和环境的影响2、Chargaff规则3、DNA的滴定曲线证明：1、DNA的磷酸基可以滴定2、嘌呤和嘧啶的可解离基团则不能滴定说明DNA两条链之间是由氢键连接Watson-Crick的DNA双螺旋2.0nm结构特征（二）DNA双螺旋结构模型要点1、DNA由两条反向平行的多核苷酸链组成，糖和磷酸基团形成的亲水性主链沿同一中心轴形成右手螺旋结构；2、两条链是互补的，通过氢键相连，A与T配对，形成两个氢键，C与G配对，形成三个氢键；2.0nm小沟大沟3、成对碱基位于螺旋主链内侧，处于同一平面上，与螺旋轴垂直，形成碱基堆积力。对螺旋的稳定器重要作用。4、螺旋的平均直径为2nm，螺距为3.4nm，螺旋一周包含10个碱基对，相邻碱基距离0.34nm；5、双螺旋结构的表面形成了一个大沟(majorgroove)和一个小沟(minorgroove)。

2.0nm小沟大沟（二）DNA双螺旋结构模型要点碱基互补配对：鸟嘌呤/胞嘧啶碱基互补配对：腺嘌呤/胸腺嘧啶AT和GC碱基对的配对性质（三）稳定DNA双螺旋结构的作用力1、碱基堆积力(basestacking

interaction)

：主要作用力，是稳定DNA双螺旋的重要因素。包括碱基之间的范德华力和碱基疏水作用。碱基堆积后，在双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，产生疏水作用。2、碱基对之间的氢键：基本作用力，比较弱3、离子键：磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。

记忆技巧逆向平行双螺旋；内有碱基配氢键；平行碱基堆积力；三个数字记心间。注意：一定不要和蛋白质的α螺旋结构特点混淆，尤其是几个重要数字（四）DNA双螺旋结构的其他类型不同类型的DNA双螺旋结构B-DNA：92%相对湿度，接近细胞内的DNA构象，与Watson和Crick提出的模型相似。A-DNA：75%相对湿度，与溶液中DNA-RNA杂交分子的构象相似，推测转录时发生B→A。其碱基平面倾斜20°，螺距与每一圈碱基对数目都有变化。Z-DNA：主链呈锯齿型左向盘绕,直径约1.8nm,螺距4.5nm，每一圈含12个bp,只有小沟。B-DNA与Z-DNA的相互转换可能和基因的调控有关。DNA在不同盐溶液及不同相对湿度下的存在状态旋向螺距(nm)碱基数（每圈）螺旋直径（nm）骨架走行存在条件A型右手2.3112.5平滑体外脱水B型右手3.4102.3平滑DNA生理条件Z型左手4.5121.8锯齿型CG序列三种DNA构型的比较

※这些结构的多样性并未影响Watson和Crick提出的DNA结构的主要性质：互补性双链、反向平行、需要A＝T和G≡C碱基对。1、回文结构（五）与DNA碱基序列相关的特殊结构 所谓回文序列就是指DNA某一片段旋转180°后，顺序不变的序列，回文序列中的单链可形成发夹结构。双链可形成十字架结构。这种发夹结构或十字架结构在大肠杆菌细胞DNA中已有发现.核酸分子中的回文序列（1）回文结构中的单链可形成发夹结构（2）双链回文结构可形成十字架结构2、镜像结构所谓镜像结构就是指DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。多嘌呤-多嘧啶的镜像序列可形成三螺旋结构(H-螺旋或Hoogsteen螺旋):该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达调节区。可能与基因表达的调节有关。（六）DNA的多链螺旋结构在酸性的溶液中，胞嘧啶的N-3被质子化，可与鸟嘌呤的N-7形成氢键；同时，胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键，这种氢键被称为Hoogsteen氢键。Hoogsteen氢键Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。组成三股螺旋的DNA单链，一般都由单一的嘌呤碱基（A和G）或单一的嘧啶碱基（C和T）所组成三链结构鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)，可能存在于真核细胞染色体的端粒中。四链结构大多数原核生物为共价封闭的环状双螺旋分子，这种环状结构可再次螺旋化—超螺旋结构超螺旋结构有两种:

负超螺旋(右旋)正超螺旋(左旋)三、DNA的高级结构1、环状DNA的超螺旋结构原核生物DNA的高级结构某些病毒、细菌质粒、真核线粒体、叶绿体、细菌染色体中的DNA在共价闭环双螺旋基础上进一步扭转盘曲,形成超螺旋(supercoil)，体积进一步压缩。

超螺旋结构(superhelix或supercoil)

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构

正超螺旋(positivesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方同相同负超螺旋(negativesupercoil)盘绕方向与DNA双螺旋方向相反，生物体内的主要存在形式环状DNA结构示意图超螺旋数(W)：螺旋轴的缠绕数扭曲数，拓扑连环数(L)：一条以右手螺旋绕另一条链缠绕的总次数。数值等于没有任何超螺旋下的螺旋数扭转数(T)：双螺旋的圈数，即DNA双链的互相缠绕数,B-DNA模型螺旋数

W=L-T（L=W+T）

W=0松弛环

W为负值负超螺旋（右手扭曲）

W为正值正超螺旋（左手扭曲）2、真核生物染色体的结构在真核细胞内，由于DNA分子较原核细胞大得多，所以它们压缩得更为致密。真核细胞的DNA与蛋白质结合，以染色质（chromatin）或染色体（chromosome）的形式存在于细胞核内。它们的基本结构单位都是核小体（nucleosome）。真核生物DNA的高级结构着丝粒核小体的组成DNA：约200bp组蛋白：H1H2A，H2BH3H4核小体的形成DNA双螺旋核小体，压缩7×螺线管，压缩6×襻，压缩40×螺旋圈压缩5×7×6×40×5=8400突环DNA在真核生物细胞核内的组装四、DNA和基因组D