核酸的结构课件

核酸的结构

NucleicAcid核酸（DNA和RNA）是线性多聚核苷酸，基本结构单元是核苷酸DNA与RNA结构相似，组成成份上略有不同核酸的组成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解主要的分类依据核酸代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；

代表碱基

代表磷酸基核苷酸一、核苷酸（nucleotide)（一）碱基嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤嘧啶碱：胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶稀有碱基：

嘌呤环

嘧啶环嘌呤（Purine），是存在人体内的一种物质，主要以嘌呤核苷酸的形式存在，在作为能量供应、代谢调节及组成辅酶等方面起着十分重要的作用。嘌呤是有机化合物，分子式C5H4N4，无色结晶，在人体内嘌呤氧化而变成尿酸，人体尿酸过高就会引起痛风。海鲜，动物的肉的嘌呤含量都比较高，所以，有痛风的病人除用药物治疗外（医治痛风的药物一般对肾都有损害），更重要的是平时注意忌口。嘧啶（C4H4N2，1,3-二氮杂苯）是一种杂环化合物。嘧啶（Pyrimidine）由2个氮原子取代苯分子间位上的2个碳形成，是一种二嗪。和吡啶一样，嘧啶保留了芳香性。（1）嘌呤碱鸟儿张嘴吸氨气：张嘴即O，嘌呤有O又有-NH2＝G线儿将鸟嘴来系，注意换气：系嘴即去掉O，G去掉O再把-NH2换个位置＝A（2）嘧啶碱(uracil)(cytosine)(thymine)胸前一滩尿：U+一碳基团（甲基）＝T尿里两泡泡：嘧啶中有两个O＝U上面一个是氨气胞：U靠上面的一个O换成-NH2就是CRNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A

（3）稀有碱基嘌呤——次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、

N2、N2-二甲基鸟嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶

都是基本碱基的化学修饰型（二）核苷：核糖+碱基DNA含β-D-2-脱氧核糖RNA含β-D-核糖核苷nucleoside糖与碱基之间的C-N键：C-N糖苷键，且都是β糖苷键。C1——N1（嘧啶）C1——N9（嘌呤）碱基与糖环平面垂直。核苷nucleoside核苷nucleoside

稀有核苷：

1、2’-0-甲基-核糖-核苷

2、稀有碱基二氢尿嘧啶（DHU）

3、连接方式C-C（假尿嘧啶核苷,ψ）假尿苷，pseudouridine，ψ123456次黄嘌呤核苷（三）核苷酸磷酸碱基戊糖H2OH2O碱基磷酸戊糖核苷键酯键核苷酸碱基连接（核苷键）酯键（对DNA为H）1`2`3`4`5`八种核苷酸M/单，D/二，T/三；P-磷酸RNA的名称为单/二/三苷酸，

DNA在单/二/三前加脱氧两字。

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（四）核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)ATP的性质是重要的能量转换中间体ATP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。

(2)GTP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)生物体内游离存在，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（3）cAMP

和cGMPcAMP3’,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：pH7.4时水解能约为43.9kJ/mol，比ATP水解能高得多。二、核酸的共价结构DNA一级结构是指DNA上的核苷酸排列顺序。

(核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）（一）DNA的一级结构脱H2O脂键相连3`，5`-磷酸二酯键首尾3`5`（1）核苷酸间以3′-5′磷酸二酯键相连（2）一端称为5′-磷酸端（5’-P表示）一端称为3′-羟基端（3’-OH表示）（3）多聚核苷酸链具有方向性，表示时，需注明方向：5′→3′或是3′→5′DNA一级结构的简写形式戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

AGCTGCOHpApCpTpG-pA-C-T-G核苷酸顺序又称碱基顺序（二）RNA的一级结构核糖核苷酸通过磷酸二酯键相连形成的长链研究最多：tRNA、rRNA及一些小分子RNA。1、tRNA分子特点：约由60－95个核苷酸组成分子中含有较多的修饰成分（10-15%）,这些结构增加了识别和疏水作用。3‘-末端都具有－CCA－OH的结构5’-末端磷酸化，常为G（pC）RNA一级结构特点

tRNA的功能：

结合活化氨基酸（3´-CCA-OH），搬运氨基酸到核糖体；识别mRNA密码子。参与蛋白质的翻译。①5´末端帽子结构：m7GpppN，m7GpppNmpNp，m7GpppNmpNmpNp,三种结构，分别称为O型，I型和II型。O型是指末端核苷酸的核糖未甲基化，I型指末端一个核苷酸的核糖甲基化，II型指末端两个核苷酸的核糖均甲基化。G代表鸟苷，N代表任意碱基，m在字母左侧表示碱基被甲基化，数字表示甲基化的位置，m在字母右侧表示核糖被甲基化。②3´末端有多聚腺苷酸尾巴结构(polyA)③单顺反子（一条mRNA链上有一个编码区）2、mRNA一级结构的特点：（1）真核细胞mRNA

5′帽子密码子3′polyAm7Gppp-AUGGUG……………UAAAAAA…AA5′端非翻译区编码区3′非翻译区真核生物mRNA的共价结构O型帽子结构m7G5’PPP5’Np帽子结构：有助于核糖体对mRNA的识别和结合，使翻译得以正确起始

polyA：维持mRNA的稳定性，与mRNA半寿期有关。新生mRNA的polyA较长，而衰老的mRNA的polyA较短。功能原核生物mRNA为多顺反子，无修饰碱基。多顺反子mRNA(polycistronicmRNA)：一条mRNA链上有多个编码区（2）原核细胞mRNAmRNA的功能★蛋白质合成的模板。*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA3、rRNA一级结构特点与tRNA不同，rRNA的甲基化较多发生在核糖上。rRNA的功能作为核糖体的骨架；与mRNA和tRNA作用，催化肽键的形成，促使蛋白质合成的正确进行。4、其他小分子RNA及RNA组学除上述三种RNA外的其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

1、snmRNAs

核内小RNA（snRNA）核仁小RNA（snoRNA）snmRNAs胞质小RNA（scRNA）催化性小RNA（即ribozyme）小片段干涉RNA

（siRNA）

snmRNAs的功能参与hnRNA和rRNA的加工和转运。核不均一RNARNA组学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。

RNA组学：（一）DNA双螺旋结构的研究背景

Chargaff发现的DNA碱基组成规律Chargaff规则：[A]=

[T][G]

[C][嘌呤碱]=

[嘧啶碱]

已知核酸的化学性质和核苷酸键长、键角数据

DNA纤维的X-射线衍射图谱分析

三、DNA的高级结构Chargaff在20世纪40年代应用纸层析和紫外分光光度技术测定各种生物DNA的碱基组成。DNA碱基组成具有：

物种的特异性：即四种含氮碱基的比例在同物种不同个体间是一致的，但再不同物种间则有差异。

无组织/器官特异性；不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。Chargaff规则：（1）A=T（2）G=C（3）A+C=G+T（4）A+G=C+T腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶其他组合易相互排斥如G:TDNA一股的核苷酸序列与另一股的序列

互补：A-T、G-CFranklin,RosalindElsie(1920-58),Britishbiophysicist.BorninLondon,shewaseducatedinphysicalchemistryatNewnhamCollege,Cambridge.FranklinconductedX-raydiffractionstudiesonthestructureoftheDNAmolecule,thecarrierofhereditaryinformation,whileworkinginthelaboratoryofBritishbiophysicistMauriceWilkins.ThisworkenabledAmericanbiochemistJamesDeweyWatsonandtheBritishFrancisCricktodeterminethehelicalstructureoftheDNAmolecule.

衍射图(二）DNA二级结构—B型双螺旋

JamesWatson(left)andFrancisCrick,1953大部分DNA所具有的双螺旋结构，亦称为B型小沟大沟5`3`5`3`反向、平行、右手螺旋2链间碱基配对相连每10个碱基对螺旋上升一周疏水碱基位于内部相邻碱基平面互相平行，垂直于螺旋轴（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴缠绕，为右手螺旋。1、结构特征（2）碱基位于双螺旋的内侧，磷酸和核糖在外侧，通过3’，5’－磷酸二酯键构成骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。大沟：宽1.2nm，深0.85nm，小沟：宽0.6nm，深0.75nm。（3）主要参数双螺旋的直径为2nm，两个相邻的碱基对之间的高度距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角36°，每圈螺旋含10个核苷酸，螺距3.4nm。（4）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而结合。

A＝TG≡C（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则，一条核苷酸链序列可决定另一条互补链的序列。Watson和Crick的模型是根据DNA纤维的X射线衍射资料推导出来的，其提供的只是DNA结构的平均特征。

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，认为十二聚体的结构与Watson和Crick的模型十分相似，但在结构上并不象Watson和Crick模型那么均一。双螺旋的补充：（1）夹角和碱基对的数目变化（两个碱基的夹角可由28。至42。不等。每一螺周含10.4个碱基对）（2）碱基对的两个碱基的分布并非在同一平面上，而是沿长轴旋转一定的角度。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或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。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。2、稳定双螺旋结构的因素

3、DNA双螺旋结构的多样性C、D和E型DNA钠盐在较高湿度下（92%）制得的纤维结构。称为B型，由于其水分含量较高，可能比较接近大部分DNA在细胞中的构象。A型：相对湿度为75%以下。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%2.80.25611右手

DNA钠盐B相对湿度92%3.40.3410右手

DNA钠盐C相对湿度66%3.10.3329.3右手

DNA锂盐Zd(GCGCGC)4.440.3712左手4与DNA碱基顺序相关的特殊二级结构(1).回文序列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。

(2)镜象结构所谓镜象结构就是指DNA某一片段在一条链上出现颠倒重复的序列。多嘌呤-多嘧啶的镜象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。5、三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963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)三股螺旋DNA中的碱基配对TTAT·A*TCCGC·G*C·表示Watson-Crick配对，*表示Hoogsteen配对图14-10H-DNA的结构

DNA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

DNA的拓扑特征超螺旋是DNA三级结构的主要形式。（三）DNA的三级结构环形DNA共价闭环DNA（covalentlyclosedcircularDNA,cccDNA）,呈超螺旋型。一条链断裂：开环分子（opencircularDNA,ocDNA)，分子呈松弛态。两条链断裂：线型分子

(linearDNA)电泳行为：超螺旋>线形>开环MOV:PBC\A0267501\supercoilingofDNA2、三种环形DNA的拓扑学特性①连环数（linkingnumber,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数。上述三种环状DNA分子具有相同的结构，但L值不同，所以称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化拓扑异构体之间的转换。②扭转数（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示③超螺旋数（缠绕数,writhingnumber,W）连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2L=T+W3、

拓扑异构酶改变DNA拓扑异构体的L值。①拓扑异构酶酶I（解旋酶）能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA，每次催化使L值增加1。②拓扑异构酶酶II（促旋酶）能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA，每次催化使L减少2。生物体内的核酸通常与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白（nucleoprotein）形式存在。基因组DNA与蛋白质结合形成染色体。病毒可以看成游离的染色体。DNA分子十分巨大，将它组装到有限的空间需要高度组织，这种组装可以用压缩比（compressionratio）表示。压缩比：DNA分子长度与组装后特定结构长度之比。真核细胞在间期DNA组装成染色质，它具有各种活性，如复制和转录，其压缩比为1000-2000。在有丝分裂期，染色质进一步组装成染色体，以便于将DNA分配到子代细胞，此时压缩比达8000-10000。（四）DNA与蛋白质的复合体真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构1、染色体（H2A、H2B、H3、H4）2

真核生物染色体DNA组装不同层次的结构DNA

（直径2nm）核小体链（10nm，每个核小体200bp）纤丝（30nm，每圈6个核小体）突环