第14章核酸的结构.ppt

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1、第14章核酸的结构,核苷酸核酸的共价结构DNA的高级结构RNA的高级结构,核酸 nucleic acid,核苷酸 nucleotide,核苷 nucleoside,磷酸 phosphate,嘌呤碱 purine base 或 嘧啶碱 pyrimidine base,（碱基 base）,核糖 ribose 或 脱氧核糖 deoxyribose,（戊糖 amyl sugar）,一、核酸的组成成分,（一）核糖和脱氧核糖,腺嘌呤Adenine鸟嘌呤Guanine尿嘧啶Uracil胞嘧啶Cytosine胸腺嘧啶Thymine,核酸中的碱基一般取碱基英文名字的前三字符号表示,(二)嘌呤碱与嘧啶碱,含氧的碱

2、基有稀醇式和酮式两种异构体，在生理pH条件下主要以酮式存在，核酸中的碱基也以酮式存在。,修饰碱基DNA由A、G、C、T碱基构成;RNA由A、G、C、U碱基构成。除此之外,还有一些含量甚少的碱基,大约近百种,其中RNA中较多,主要存在于tRNA中,绝大部分是以上5种碱基的衍生物,多数是经甲基化、乙酰化、氢化、氟化及硫化形成的,所以称为修饰碱基,也叫稀有碱基。,核酸中的修饰嘌呤碱基：次黄嘌呤(I)、1-甲基腺嘌呤（m1A）、N6,N6-二甲基腺嘌呤（m26A）、N2,N2,N7-三甲基鸟嘌呤（m32,2,7G）等,核酸中的修饰嘧啶碱基：5-羟甲基尿嘧啶（hm5U）、5，6-二氢尿嘧啶(DHU)、4

3、-硫尿嘧啶(s4U)、5-甲氧基尿嘧啶(mo5U)、5-氟尿嘧啶（f 5U）、5-甲基胞嘧啶（m5C）、5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）、2-硫胞嘧啶(s2C)、N4-乙酰基胞嘧啶（ac4C）等.修饰碱基的符号：在碱基符号的左侧以小写字母及右上角数码表示其取代基团的性质、数目及位置。,修饰嘧啶碱基,(三)核苷1、核苷由戊糖和碱基缩合而成的糖苷，糖环上C1与嘧啶碱的N1或与嘌呤碱的N9连接。在嘌呤核苷的糖苷键:-N-1/,9-糖苷键，嘧啶核苷的糖苷键：-N-1/,1-糖苷键.,应用X射线衍射法已经证明，核苷的碱基与糖环平面互相垂直。,2、核苷命名：冠以碱基的名称，如腺苷、脱氧腺苷、鸟苷、脱氧鸟苷。核

4、苷常采用单字母表示，如：A、G、C、U。脱氧核苷在符号前面加小写字母d，如dA、dG、dC、dT。,3、修饰核苷修饰碱基与戊糖形成的核苷为修饰核苷，修饰核苷也可以修饰戊糖，主要是甲基化修饰。常见的有：次黄嘌呤核苷或肌苷（I）、黄嘌呤核苷（X）二H尿嘧啶核苷（D）假尿苷（）为-1，5C-C糖苷键，细胞内有特异的异构酶催化尿嘧啶转变为假尿苷。Y核苷也叫W核苷是从tRNA中分离出的具有荧光的核苷。Q核苷的碱基骨架为7-去氮鸟嘌呤，在第7位上连以侧链R/，不同Q 核苷R/不同。,对于修饰碱基的核苷，在核苷符号的左侧以小写字母及右上角数码表示其碱基上的取代基团的性质、数目及位置，如2-甲基腺苷表示为：m

5、2A，N6-甲基脱氧腺苷表示为m6dA.对于修饰糖环的核苷，在核苷符号右侧以小写字母表示，如2/O甲基腺苷，写为Am2；,2-甲基腺苷(m2A),2/-O-甲基腺苷(Am2),（四）核苷酸核苷与磷酸所形成的磷酸酯叫核苷酸，有2/、3/、5/-核苷酸和3/、5/脱氧核苷酸，自然界中游离的多为5/-核苷酸,UMP,NMP、NDP、NTP；dNMP、dNDP、dNTP,(五)核苷酸及其衍生物的功能1、构成DNA、RNA的核苷酸都为5/核苷酸2、细胞内游离核苷酸及其衍生物核苷5/-三磷酸化合物（NTP），核苷5/-二磷酸（NDP）环腺苷酸（CNT）核苷5/-多磷酸3/-多磷酸化合物核苷酸衍生物HSCo

6、A、NAD+、NADP+、FAD都含有腺苷酸。ADPG、UDPG等是糖生物合成的活性糖基供体。,二、核酸的共价结构(核酸的一级结构)(一)核苷酸的连接方式:一个核苷酸残基的3/-羟基通过“磷酸二酯键”与下一个核苷酸残基的5/-羟基相连。证据：牛脾磷酸二酯酶专一从核苷酸链的3/-端水解得3/-核苷酸。蛇毒磷酸二酯酶专一从核苷酸链的5/-端水解得5/-核苷酸，用这两种酶水解RNA链，分别得到3/-核苷酸和5/-核苷酸。,核酸骨架（主链）侧链3/-5/-磷酸二 酯键 具方向性3/-端，5/-端 多样性水溶性,(一)DNA的一级结构(共价结构),P代表磷酸基，垂线代表糖的碳链，C1与碱基相连，P分别与

7、相邻两个核苷酸戊糖的C3/和C5/相连当P在核苷符号左侧时，表示磷酸与糖环的5/-羟基相连，右侧表示与3/羟基相连，如pApCpGpT.在表示核酸酶水解时，用这种简式，如pApCpGpT，在不表示核酸酶水解时，p可省略。用连字符表示，如pA-C-G-T或将连字符也省略，如pACGT。各种简式的读向是从左到右，表示的碱基是从5/-3/端。,核酸一级结构的简写方式,(二)RNA的一级结构(共价结构)1、基本结构单位核苷酸2、连接键3/、5/磷酸二酯键。3、戊糖核糖4、碱基U替代T，此外，RNA中还有一些稀有碱基。一级结构讨论的是核苷酸在核苷酸链上的排列顺序5、RNA也是无分支的线型多聚核糖核苷酸。

8、6、RNA种类很多，结构也不一样。,P代表磷酸基，垂线代表糖的碳链，C1与碱基相连，P分别与相邻两个核苷酸戊糖的C3/和C5/相连当P在核苷符号左侧时，表示磷酸与糖环的5/-羟基相连，右侧表示与3/羟基相连，如pApCpGpT.在表示核酸酶水解时，用这种简式，如pApCpGpT，在不表示核酸酶水解时，p可省略。用连字符表示，如pA-C-G-T或将连字符也省略，如pACGT。各种简式的读向是从左到右，表示的碱基是从5/-3/端。,核酸一级结构的简写方式,三、DNA的高级级结构(二、三级结构）（一）DNA的双螺旋级结构1953年，Watson和Crick根据Chargaff 规律、DNA Na盐纤

9、维的X光衍射数据和核酸的化学性质及核苷酸键长和键角的数据提出了DNA的双螺旋结构模型。,1、Watson-Crick双螺旋结构建立的根据（1）Chargaff 规律，奥地利科学家Chargaff于1950年对各生物的碱基进行了定量分析，总结了一些共同规律：a.同一生物所有器官和组织中的核DNA的碱基是相同的，DNA碱基组成没有组织和器官的特异性。DNA的碱基组成具有种的特异性。b.所有双链DNA中，A=T，G=C 且A+G=C+T，既含6-氨基的碱基数等于含6-酮基的碱基数（腺嘌呤含6-氨基；胸腺嘧啶含6-酮基；鸟嘌呤含6-酮基；胞嘧啶含6-氨基）c.不同生物的DNA皆有自己独特的碱基组成，这

10、种差异可用“不对称比率”A+T/G+C表示。亲缘关系较近的生物碱基组成相似。d.年龄、营养状况、环境等因素不影响DNA的碱基组成,（2）Wilkins（美国人）和Franklin（英国女科学家）a.不同来源的DNA具有相似的X射线衍射图谱，说明应具有相似的结构。b.DNA具有两条或以上脱氧多核苷酸链构成的螺旋结构，且沿长轴有0.34nm和3.4nm的周期性变化。从Pauling建立的蛋白质-螺旋也得到了启发。,2、Watson-Crick双螺旋结构模型（1）两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手双股螺旋，一条5/3/，另一条3/5/（2）碱基位于双螺旋的内侧，且在同一平面内，磷酸与

11、脱氧核糖在外侧。磷酸与脱氧核糖彼此通过3/、5/-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。大沟,深0.85nm,小沟，深0.75nm（3）螺旋平均直径2nm,每圈螺旋含10个核苷酸，在中心轴上上升的高度为3.4nm，碱基堆积距离：0.34nm。,（4）两条核苷酸链，依靠彼此碱基间形成的氢链结合在一起。碱基配对的规律是A=T、G=C，碱基平面垂直于螺旋轴（4）大多数天然DNA都具有双螺旋结构,某些病毒的DNA是单链结构,如x174的DNA.（5）双螺旋DNA分子上的化学键受碱基对的影响旋转受到限制,使DNA具有刚性,但也有一些化学键在一定范围内旋转,又使DNA分子具有一定的柔韧性,可发生不同变化

12、而形成不同类型.,十二聚体的结构与Watson和Crick的结构模型的差异:Watson和Crick模型认为每一螺旋圈含10对脱氧核苷酸,两个碱基的夹角是36o.但K.Dickerson的十二聚体中结构模型认为,两个碱基的夹角28o至42o不等,每一螺旋圈含10.4对脱氧核苷酸,分子大小的各参数也随序列不同而有所不同.(2)K.Dickerson的十二聚体中组成碱基对的两个碱基并非在同一平面上,而是沿碱基长轴旋转一定的角度,使得碱基对的形状像螺旋浆叶的样子，所以称为螺旋浆扭曲。这种结构可提高碱基堆积力,使DNA结构更稳定.,螺旋类型,3、DNA双螺旋的构象类型,A-DNA外形粗短，RNA分子的

13、双螺旋区及RNA-DNA杂交双链具有与A-型DNA相似的结构。B-DNA，接近于沃森和克里克提出双螺旋模型，天然状态的DNA几乎都以B-DNA形式存在C型-DNA与B型DNA结构接近，与B-型DNA为同一族。有人认为是A-DNA向B-DNA转化的产物,在一定条件下，各种构型的DNA可以互相转化。,Z-DNA是美国人A.Rich于1979年通过对人工合成的DNA片段分析后提出的，他合成了脱氧六核苷酸（pCGCGCG)，并对其进行分析发现，为左手螺旋，基本骨架走向呈“Z”字形，所以叫Z-DNA，直径1.84nm，螺距4.5nm，每圈螺旋含的碱基数为12对，分子表面无大沟，小沟加深，螺旋体较细长。Z

14、-DNA也是天然存在的构象。天然B-DNA的局部区域可以形成Z-DNA。A.Rich已经得到了对Z-DNA特异性的抗体，并通过用荧光化合物标记Z-DNA的抗体，然后跟踪抗体，发现它与果蝇唾液染色体的许多部位结合，说明果蝇唾液染色体上具有Z-DNA区段，现已发现在鼠类和植物细胞核的染色体上找到了Z-DNA。,(二)DNA的三股螺旋1、1963年K.Hoogsteen(哈斯豚)首先描述了DNA的三股螺旋结构。三螺旋DNA不是DNA在自然状态下的主要结构，而是在特定的条件下某段DNA 具有的结构。2、三股螺旋是DNA的一段双螺旋再与第三股脱氧核苷酸链结合，这段双螺旋结构特点是寡嘧啶核苷酸与寡嘌呤核苷

15、酸形成的，第三股链为寡嘧啶核苷酸或寡嘌呤核苷酸，第三股链与双螺旋的大沟结合。3、第三股链的碱基可与双螺旋碱基对的嘌呤碱基形成Hoogsteen配对，Hoogsteen配对规律是：第三股链的碱基A或T与A=T碱基对中的A配对，第三股链的G或C与G=C碱基对中的G配对。并且与G配对形成2个氢键。第三股链与寡嘌呤核苷酸链为同向平行。4、第三股链可以来自分子间，也可来自分子内。,5、铰链DNA（H-DNA）是一种分子内折叠形成的三股螺旋。这种DNA双链结构特点为：一条链是交替出现T和C序列，互补链是交替出现的A和G序列，在其中间取一核苷酸，两侧为镜像重复，这种镜像重复序列也叫H-回文结构。分子内回折形

16、成的三股螺旋DNA叫H-DNA。,6、影响三螺旋DNA稳定性的因素影响三螺旋DNA稳定性的因素可分为内部因素和外部因素两方面。内部因素主要是链长、碱基序列的组成、骨架本性等因素。这些因素主要是通过影响第三条链键合时碱基配合的强度、氢键相互作用的强度以及双链受体重排时的能量大小来影响所形成的三螺旋的稳定性的。影响三股核酸稳定性的外界因素主要包括溶液的pH值、溶液中阳离子的浓度、配基结合作用力的大小等。需要指出的是，尽管已发现在生物体内和体外都可以形成三股螺旋DNA结构，但研究各种外界因素特别是金属离子对三螺旋DNA稳定性的影响时大多是从化学的角度、在生物体外进行的；但在生物体外的研究对于指导三螺

17、旋结构在生物体内的应用也具有很重要的意义。,（三）稳定双螺旋结构的因素1、碱基堆积力（主要因素）相邻碱基平面间的距离为0.34nm，该距离使碱基平面间的电子云在一定程度上互相交盖，形成碱基堆积力，碱基堆积在DNA分子内部，形成疏水环境。有利于H键的形成。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。,（四）DNA三级结构1、概念：DNA三级结构是指DNA双螺旋的链通过扭曲再次形成螺旋时的构象。超螺旋是DNA三级结构的

18、常见形式。2、超螺旋：这种DNA链扭曲再次形成的螺旋叫超螺旋，是双螺旋的螺旋。3、环DNA的重要拓扑学特性,四、RNA的的高级结构RNA通常是单链线形分子，但也可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠成特定的三级结构。RNA的种类很多，重点了解tRNA的高级结构。,（一）tRNA的二级结构已测定出一级结构的tRNA有400多种，除个别外，均具有三叶草型的二级结构。tRNA的二级结构特点1、分子量在25kd左右，含70-90b，沉降系数4S左右2、二级结构绝大多数是三叶草型,分子中A-U、C-G碱基对构成的双螺旋区叫臂,不能配对叫环,tRNA由四臂四环构成，含有较多稀有碱基，有些核苷酸在不同的RNA中都是相同的，叫不变核苷酸。,4、氨基酸臂，由7对核苷酸构成，富含鸟嘌呤，3/-末端为CCA-OH，5/-末端大多为pG或pC。5、二H尿嘧啶环(D)，含812核苷酸，含2个二氢尿嘧啶。6、额外环（可变环），由318个核苷酸构成，不同tRNA差别大。7、TC环，由7个核苷酸构成，几乎所有的tRNA中都有TC三种核苷酸8、反密码环，由7个核苷酸构成，中间三个为反密码子，次黄嘌呤核苷酸也叫肌苷酸（I）常出现反密码子中。,（二）tRNA的三级结构1、tRNA的三级结构是倒“L”型2、氨基酸臂和TC茎环沿同一轴排列3、反密码茎和D茎沿同一轴排列4、D环和TC环构成转角,其他RNA,