生物化学第13章核酸的结构

1、第13章 核酸的结构,(Structure of nucleic acid),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,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,一、核苷酸,核酸中的碱基种类,嘌呤环和嘧啶环的结构,核酸中的嘌呤和嘧啶,碱基酮式和烯醇式的互变异构,稀有碱基,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,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）,核苷 (nucleoside)

2、,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。,DNA和RNA中的各种核苷,核苷酸 (nucleotide),核苷酸 (nucleotide),5-腺苷酸 3-腺苷酸 2-腺苷酸,多磷酸核苷酸,环化核苷酸,（cAMP） （cGMP）,二、核酸的共价结构,5,3,核酸中核苷酸的连接方式,5,3,核酸结构的简写式,5,3,两种磷酸二酯酶的水解位点,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

3、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,不同生物DNA的碱基组成,不同生物DNA的碱基组成,（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。,DNA的X光衍射图,DNA的二级结构,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。,DNA的二级结构,DNA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

4、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。,DNA分子的双螺旋结构,DNA的二级结构,（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

5、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。,配对碱基之间的氢键,配对碱基之间的氢键,碱基堆积力,The bases are stacked on the inside of the structure; these heterocyclic bases, as a consequence of their -electron clouds, are hydrophobic on their flat sides.,碱基堆积力使DNA成为双螺旋,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

6、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。,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（propeller twisting）。这种结构可提高碱基堆积力

7、，使DNA结构更稳定。,Dickerson模型中碱基对的螺旋桨状扭曲,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。,ADNA,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。ADNA也是由两条反向的多核苷酸链组成的右手双螺旋

8、，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RNADNA杂合双链也具有与ADNA相似的结构。,DNA双螺旋的A、B、Z型,DNA双螺旋的大小沟,在ADNA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BDNA中大沟比小沟宽，但深度相近。ZDNA只有小沟，没有大沟。,DNA双螺旋的A、B、Z型,A型 B型 Z型,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,DNA中碱基的顺反构象,碱基平面绕

9、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。,DNA中碱基的顺反构象,顺式 反式 反式,DNA中碱基的顺反构象,BDNA中碱基的反式构象 ZDNA中碱基的顺式构象,B型DNA中碱基的反式构象,ZDNA,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

10、啶碱交替出现。 各型DNA可在一定条件下相互转变。,B型DNA中的局部Z型结构,A、B、Z型 DNA结构参数的比较,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。,Hoogsteen配对,3,3,3,3,DNA三股螺

11、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。,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。,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

12、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。,电话线的超螺旋,DNA的三种形式,从生物体中分离出的DNA有三种形式： 线状DNA（linear DNA） 共价闭合环DNA（covalently closed circular DNA，cccDNA） 开环DNA（open circular DNA，ocDNA） cccDNA常以超螺旋形式存在，ocDNA和linear DNA为松弛态。,DNA的三种形式,linear DNA cccDNA ocDNA,DNA的超螺旋形式,不同超螺旋程度的双链环状DNA,超螺旋程度增加,cccDNA的一些重要拓扑学特性,（1）

13、连环数（linking number）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。,cccDNA的一些重要拓扑学特性,（2）扭转数（twisting number）指DNA分子中的Watson-Crick螺旋数，以T表示。 （3）超螺旋数（number of turns of superhelix）或缠绕数（writhing number）以W表示。 三者之间的关系为 L = T + W,cccDNA的一些重要拓扑学特性,（4）比连环差（spe

14、cific linking difference）以表示，用以表示DNA的超螺旋程度。 =（LL0）/ 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。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。,拓扑异构体的电泳图,同样大小的DNA L值递减1,环状DNA的正超螺旋,环状DNA的负超螺旋,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。,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。,染色体DNA中的超螺旋,拓扑异构酶的作用,拓扑异构酶有两种类型，型酶能使

15、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。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。,DNA的十字结构,有反向重复序列时可形成十字结构,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。,病毒的结构,噬菌体fd,噬菌体T2,动物病毒,细菌中的DNA,细菌拟核的突环结构,黑腹果蝇染色质的电镜照片,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），核小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2个组成，DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共146bp。核小体之间连接DNA的长度随不同核小体而略有不同，平均每个核小体占DNA200bp。,真核生物染色体DNA组装的不同层次的结构,四、RNA的高级结构,tRNA,tRNA在蛋白质生物合成中具有转运氨基酸和识别密码子的作用，它携带特定的氨基酸通过反密码子与密码子的识别，按照遗传密码的规定合成