第三章核酸的組成與結(jié)構(gòu)

1、1本章重點：本章重點：DNA和和RNA的組成、結(jié)構(gòu)和功能。的組成、結(jié)構(gòu)和功能。本章難點：本章難點：DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性。結(jié)構(gòu)的多態(tài)性。2一、一、 DNA （deoxyribonucleic acid）的組成）的組成 1. 核酸是由許多個單核苷酸聚合而成的多核苷酸鏈；核苷酸由堿基、戊糖(D-2-脫氧核糖)和磷酸三部分構(gòu)成。 2. DNA含：A、T、C、G四種堿基嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脫氧核糖磷酸3一級結(jié)構(gòu)（Primary structure）：指DNA分子中核苷酸的排列順序。二級結(jié)構(gòu)（Secondary structure）： 雙螺旋（double helix） 三股螺旋（triple

2、 helix）三（高）級結(jié)構(gòu)（Tertiary structure）：超螺旋（supercoil）4 指DNA分子中4種核苷酸的連接方式和排列順序。 1. Chargaff法則法則 Chargaff于1946-1950年根據(jù)紙層析、離子交換層析和紫外分光光度試驗結(jié)果提出查伽夫定則：四種堿基的數(shù)量不是等量的；同一物種DNA堿基組成不變，而物種間則有很大不同；嘌呤堿基總量與嘧啶堿基的總量相等(A+G=T+C)，且腺嘌呤與胸腺嘧啶數(shù)相等“A”=“T” 、鳥嘌呤與胞嘧啶數(shù)相等“G”=“C”。 2. .核苷酸序列及其測定核苷酸序列及其測定 查伽夫定則表明：核酸并不是四核苷酸結(jié)構(gòu)的簡單重復(fù)，核酸的堿基序列

3、信息可能具有重要意義。以后的研究表明：堿基序列正是核酸生物學功能的基礎(chǔ)，是遺傳信息的內(nèi)在形式。核酸序列分析技術(shù)是最重要的分子生物學研究技術(shù)，主要包括：Sanger雙脫氧法和Maxam and Gillbert化學法?；诨瘜W法的DNA序列自動分析儀已成為常規(guī)實驗設(shè)備。5/OHHNHCH2HH12345/OHHNHCH2HH12345/OHHNHOHH12345OPOOO-OOPOOHCH2OOPOOOOPOO5末端的磷酸基團末端的磷酸基團3，5-磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵3末端羥基末端羥基DNA的長度單位：的長度單位：堿基對堿基對 (bp)，千堿基對，千堿基對 (Kb)，百萬堿基對，百萬堿基對 (M

4、b)6APCPTPCPGPAPPOH535pApCpTpCpGpA-OH35ACTCGA33. DNA. DNA一級結(jié)構(gòu)的表示方法一級結(jié)構(gòu)的表示方法線條式表示法線條式表示法文字表示法文字表示法7（二）（二）DNADNA的二級結(jié)構(gòu)的二級結(jié)構(gòu) 指兩條核苷酸鏈反向平行盤繞所生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1. .DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 1953年美國青年生物學家Watsn和英國中年物理學家Crick根據(jù)堿基互補配對規(guī)律和DNA的X射線衍射研究，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并為以后拍攝的電鏡直觀形象所證實，從而奠定了分子生物學的基礎(chǔ)。（1 1）要點：）要點：DNA分子是由兩條同軸反向互相纏繞的多核

5、甘酸鏈組成的雙螺旋結(jié)構(gòu)；糖和磷酸排在外面構(gòu)成骨架,兩鏈相應(yīng)的核甘酸的堿基互相配對由氫鍵連接排列在內(nèi)側(cè)；雙螺旋直徑為20 ，螺距為34,包含10對堿基。（2）意義：）意義：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型還表明，DNA可以按堿基互補配對原則進行半保留復(fù)制，而此前人們對復(fù)制方式一無所知；DNA核苷酸順序規(guī)定該基因編碼蛋白質(zhì)的氨基酸順序；DNA中的遺傳信息就是堿基序列；并存在某種遺傳密碼，將核苷酸序列譯成蛋白質(zhì)氨基酸順序。在其后的幾十年中，科學家們沿著這兩條途徑前進，探明了DNA復(fù)制、遺傳信息表達與中心法則等內(nèi)容。8沃森、克里克和威爾金斯因發(fā)現(xiàn)生命的雙螺旋而榮獲沃森、克里克和威爾金斯因發(fā)現(xiàn)生命的雙螺旋而榮獲19

6、62年諾貝爾醫(yī)學生理學獎。年諾貝爾醫(yī)學生理學獎。 （左一：威爾金斯，左三：克里克（左一：威爾金斯，左三：克里克 左五：左五： 沃森）沃森） Franklin RE(19201958）和同事威爾金和同事威爾金斯在斯在1951年率先采用年率先采用X射線衍射技術(shù)拍攝射線衍射技術(shù)拍攝到到DNA晶體照片，為推算出晶體照片，為推算出DNA分子呈螺分子呈螺旋結(jié)構(gòu)的結(jié)論，旋結(jié)構(gòu)的結(jié)論，提供了決定性的實驗依據(jù)提供了決定性的實驗依據(jù)。但但“科學玫瑰科學玫瑰”沒等到分享榮耀，在研究沒等到分享榮耀，在研究成果被承認之前就已凋謝。成果被承認之前就已凋謝。9超高分辨率掃描式電子超高分辨率掃描式電子顯微鏡拍到的顯微鏡拍到的

7、DNADNA照片照片DNADNA的人工模型的人工模型富蘭克林拍攝的富蘭克林拍攝的DNA的的X射線衍射圖射線衍射圖X衍射技術(shù)是用衍射技術(shù)是用X光透過光透過物質(zhì)的結(jié)晶體，使其在照物質(zhì)的結(jié)晶體，使其在照片底片上衍射出晶體圖案片底片上衍射出晶體圖案的技術(shù)，這個方法可以用的技術(shù)，這個方法可以用來推測晶體的分子排列；來推測晶體的分子排列；沃森和克里克從衍射圖譜沃森和克里克從衍射圖譜中受到啟示。中受到啟示。10DNADNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型雙螺旋結(jié)構(gòu)模型1112（1）右手螺旋：A-DNA、B-DNA、C-DNA、 D-DNA、E-DNA、T-DNA；（2）左手螺旋：Z-DNA。 B-DNA B-DNA：為DNA

8、在生理狀態(tài)下的構(gòu)型，右手雙螺旋構(gòu)型（沃森和克里克模型），每螺旋為10個核苷酸對。 A-DNAA-DNA：為DNA的脫水構(gòu)型，右手螺旋，每螺旋為11個核苷酸對。 Z-DNAZ-DNA：為左手螺旋，每個螺旋含12個核苷酸對。1314（1 1）回文結(jié)構(gòu)）回文結(jié)構(gòu)：DNA序列中以某一中心區(qū)域為對稱軸，其兩側(cè)的堿基對順序正讀和反讀都相同的雙螺旋結(jié)構(gòu)。即對稱軸一側(cè)的片段旋轉(zhuǎn)180后，與另一側(cè)片段對稱重復(fù)，稱為反轉(zhuǎn)重復(fù)序列?；匚慕Y(jié)構(gòu)能形成十字結(jié)構(gòu)和發(fā)夾結(jié)構(gòu)。15 （2）反轉(zhuǎn)重復(fù)（）反轉(zhuǎn)重復(fù)（inverted repeated)：由反方向互補的兩個DNA片段組成，兩個反轉(zhuǎn)重復(fù)序列又叫回文序列 (palindr

9、ome sequence)。 （3）鏡像重復(fù)）鏡像重復(fù)(mirror repeat) ：存在于同一股上的某些DNA區(qū)段的反向重復(fù)序列。此序列各單股中沒有互補序列，不能形成十字型或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。 （4）直接重復(fù)）直接重復(fù)(direct repeat)：由同一方向完全相同的兩個序列組成。又稱為正向重復(fù)序列、順向重復(fù)序列。16（5）DNA三股螺旋（三股螺旋（triple strands DNA， H-DNA，ts-DNA）：）： 1957年由Felesnfeld及Davis首先發(fā)現(xiàn)。多聚嘧啶和多聚嘌呤組成的DNA螺旋區(qū)段，其序列中有較長的鏡像重復(fù)時，形成局部三股配對，并互相盤繞的三股螺旋，其中兩股的堿基

10、按Watson-Crick方式配對，第三股多聚嘧啶（鏡像重復(fù)）通過TAT和CGC配對，而處于雙螺旋的大溝中。 三條鏈均為同型 嘌呤（Hpu）或同型嘧啶（Hpy），有兩種基本類型： Pu-Pu-Py型：在堿性介質(zhì)中穩(wěn)定。 Py-Pu-Py型：在偏酸性介質(zhì)中穩(wěn)定。三鏈DNA既可以是B-DNA與另一條DNA鏈結(jié)合成的鏈間的三鏈DNA，又可以是B-DNA與其自身的一條鏈結(jié)合形成的鏈內(nèi)的三鏈DNA。 分子內(nèi)三鏈DNA于1987年由Mirkin在超螺旋中發(fā)現(xiàn)，其形成要求雙螺旋中存在連續(xù)的嘌呤或嘧啶序列，而且必須是鏡像重復(fù)序列。17181. 超螺旋（超螺旋（supercoil or superhelix ）

11、結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)（1） 超螺旋的發(fā)現(xiàn)超螺旋的發(fā)現(xiàn) 1965年Vinograd等用電鏡發(fā)現(xiàn)SV40和多瘤病毒的環(huán)形DNA的超螺旋；超螺旋是雙螺旋DNA進一步扭曲盤繞形成的高級結(jié)構(gòu)。 a. 絕大多數(shù)原核生物DNA都是共價封閉環(huán)（covalently closed circle， CCC）分子， 雙螺旋環(huán)狀分子螺旋化成為超螺旋結(jié)構(gòu)。 b. 有些單鏈環(huán)形染色體（如x174）或雙鏈線形染色體（如噬菌體），在其生活周期的某一階段，染色體也變?yōu)槌菪Y(jié)構(gòu)。 c. 真核生物的染色體多為線形分子，但DNA均與蛋白質(zhì)相結(jié)合，同樣具有超螺旋形式。1920（2）超螺旋的形成）超螺旋的形成 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，一般每轉(zhuǎn)一圈有

12、10個核苷酸對，平時雙螺旋總處于能量最低狀態(tài) ；若正常DNA雙螺旋額外地多轉(zhuǎn)或少轉(zhuǎn)幾圈，使每一圈的核苷酸數(shù)目大于或小于10，就會出現(xiàn)雙螺旋空間結(jié)構(gòu)的改變，在DNA分子中產(chǎn)生額外張力；若此時雙螺旋的末端是固定的或是環(huán)狀分子，雙鏈不能自由轉(zhuǎn)動，額外的張力不能釋放，導致DNA分子內(nèi)部原子空位置的重排，造成扭曲，出現(xiàn)超螺旋。（3）超螺旋的方向性）超螺旋的方向性 a. 正超螺旋：正超螺旋：繩子的兩股以右旋方向纏繞，如果在一端使繩子向纏緊的方向旋轉(zhuǎn)，再將繩子兩端連接起來，會產(chǎn)生一個左旋的超螺旋，以解除外加的旋轉(zhuǎn)造成的脅變，這樣的超螺旋叫正超螺旋。 b. 負超螺旋：負超螺旋：如果在繩子一端向松纏方向旋轉(zhuǎn)，再

13、將繩子兩端連接起來，會產(chǎn)生一個右旋的超螺旋，以解除外加的旋轉(zhuǎn)所造成的脅變，這樣的超螺旋稱負超螺旋。2122 c. 松旋效應(yīng)和緊旋效應(yīng)：松旋效應(yīng)和緊旋效應(yīng)：形成負超螺旋時，旋轉(zhuǎn)方向與DNA雙螺旋方向相反，旋轉(zhuǎn)結(jié)果使DNA分子內(nèi)部張力減小，稱為松旋效應(yīng)（在自然條件下共價封閉環(huán)狀DNA呈負超螺旋結(jié)構(gòu) ）；與負超螺旋相反，形成正超螺旋時的旋轉(zhuǎn)方向與DNA雙螺旋方向相同，結(jié)果加大了DNA分子內(nèi)部張力，具有緊旋效應(yīng)。（4）環(huán)繞數(shù)和超螺旋的關(guān)系）環(huán)繞數(shù)和超螺旋的關(guān)系 White在1969年建立了White方程來對超螺旋進行定量描敘，說明環(huán)繞數(shù)和超螺旋的關(guān)系。L=T+WL（linking number）：鏈環(huán)

14、數(shù)或稱拓撲環(huán)繞數(shù)，指DNA中一條鏈繞另一條鏈的總次數(shù)。L是整數(shù)，在不發(fā)生鏈斷裂時其值為常數(shù)，右手螺旋對L取正值。T（twisting number）：纏繞數(shù)，即雙螺旋的圈數(shù)。 T為變量，可以是非整數(shù)，右手螺旋時T為正值。W（writhing number）：扭曲數(shù)，即超數(shù)旋數(shù)。W為變量，可以是非整數(shù)，右手螺旋時，W取負值。 23242526（5）DNA的超螺旋密度（的超螺旋密度（） =（L-L0）/L0 L0是指松馳環(huán)形DNA的L值，天然DNA的超螺旋密度一般為-0.03-0.09，平均每100個螺旋出現(xiàn)3-9個負超螺旋。 a. 天然的DNA都呈負超螺旋，但體外可得到正超螺旋；由于雙鏈DNA是

15、動態(tài)變化的，其負超螺旋的鏈環(huán)數(shù)也會有所波動。 b. 負超螺旋會部分地轉(zhuǎn)變?yōu)閱捂溑轄罱Y(jié)構(gòu)，這種單鏈泡狀結(jié)構(gòu)也是解除松纏作用造成的脅變的一種途徑；當然蛋白質(zhì)會與這些單鏈泡狀結(jié)構(gòu)結(jié)合參與復(fù)制活轉(zhuǎn)錄；這也許就是為什么在生物內(nèi)DNA總是采取負超螺旋形式的主要原因。 c. 溴化乙錠（ethidium bromide）能與DNA緊密結(jié)合，使DNA的密度降低；它插入DNA分子堿基對之間，引起DNA分子松旋，隨著EB量的增加，負超螺旋DNA就轉(zhuǎn)變?yōu)樗沙趹B(tài)；EB的進一步增加，DNA就轉(zhuǎn)變?yōu)檎菪?2728（6）不同類型）不同類型DNA的高級結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)及性質(zhì) a. 超螺旋使環(huán)狀DNA分子變得更致密，在

16、超速離心和在凝膠電泳中的遷移速度都增加；瓊脂糖凝膠電泳可將超螺旋僅差一圈的DNA分離開。 b. 真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結(jié)構(gòu)時，存在著負超螺旋。 c. DNA超螺旋是由DNA拓撲異構(gòu)酶產(chǎn)生的。 d. 坍縮DNA：當閉合環(huán)超螺旋變成閉合環(huán)松弛形DNA時，經(jīng)堿變性或熱變性使其氫鍵斷裂，但兩條鏈無法分離，結(jié)果生成兩條鏈緊密纏結(jié)的分子；坍縮DNA具有很高的沉降常數(shù)，相對沉降常數(shù)約3.0（單鏈環(huán)狀DNA的相對沉降常數(shù)大約為1.14；線性單鏈DNA的相對沉降常數(shù)為1.30）。 e. 環(huán)連DNA ：在DNA復(fù)制過程中的產(chǎn)物或由拓撲異構(gòu)酶催化生成，由兩個以上環(huán)形DNA分子環(huán)連而成。 f. 閉

17、合環(huán)超螺旋DNA對于溫度和堿性有較強的抵抗力，不容易發(fā)生變性；這樣，可以尋找一個臨界條件，使閉合環(huán)松弛形和開環(huán)松弛形DNA發(fā)生變性；而閉合環(huán)超螺旋不變性或很少變性。很多分離或鑒定閉合環(huán)超螺旋形DNA的方法都是依據(jù)其特性而設(shè)計的。 293031（7）超螺旋的意義）超螺旋的意義 a. 超螺旋的形成是DNA分子復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的需要： 生物體內(nèi)DNA結(jié)構(gòu)是處于動態(tài)之中，超螺旋的引入就提高了DNA的能量水平，而超螺旋程度的改變介導了DNA結(jié)構(gòu)的變化，即超螺旋多余的能量可能使DNA雙股鏈分開，或局部熔解，這種結(jié)構(gòu)上的變化對DNA分子復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等的啟動很重要。 b. 超螺旋可使DNA分子形成高度致密的狀態(tài)從而得

18、以容納于有限的空間。 如E.coli的DNA的總長度是其細胞長度的100倍， 由于它的DNA存在著超螺旋才能包裝成類核（nucleoid）。 c. 染色體的形成過程：一級結(jié)構(gòu)（核小體，直徑10nm）、二級結(jié)構(gòu)（螺線體，直徑30nm）、三級結(jié)構(gòu)（超螺線體，直徑400nm）、四級結(jié)構(gòu)（染色體，直徑1000nm），DNA雙螺旋進一步扭曲盤旋所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。 323334 RNA所含的戊糖為D-核糖，堿基為A、C、G、U。 指RNA分子中4種核苷酸的連接方式和排列順序。（1）mRNA：帽子結(jié)構(gòu)和尾巴，5端，7-甲基鳥苷；3端， polyA 尾巴。（2）rRNA：單鏈RNA自行盤繞形成局部雙螺旋的

19、多“莖”多“環(huán)”結(jié)構(gòu)，螺旋部分稱為“莖”或“臂”非螺旋部分稱為“環(huán)”，在螺旋區(qū)，A與U配對，G與C配對。5SrRNA和16S rRNA分別構(gòu)成大亞基和小亞基。（3）tRNA的二級結(jié)構(gòu)： 三葉草形狀可分為：氨基酸接受區(qū)、反密碼區(qū)、二氫尿嘧啶區(qū)、TC區(qū)和可變區(qū)。除氨基酸接受區(qū)外，其余每個區(qū)都含有一個突環(huán)和一個臂。35倒“L”形，所有的tRNA折疊后形成大小相似及三維構(gòu)象相似的三級結(jié)構(gòu)，這有利于攜帶的氨基酸的tRNA進入核糖體的特定部位。在翻譯過程中轉(zhuǎn)運各種氨基酸至核糖體，按mRNA的密碼順序合成蛋白質(zhì)的作用。361. 原核生物原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點：(1)多順反子（polycistro

20、n）：一分子mRNA帶有幾種蛋白質(zhì)的遺傳信息，可以作為幾種蛋白質(zhì)的模板，能翻譯出幾種蛋白質(zhì)。(2) mRNA5端無帽子結(jié)構(gòu)，3 端一般無多聚A的尾巴。(3)一般沒有修飾堿基。37（1）5 末端有帽子結(jié)構(gòu)。真核生物mRNA在轉(zhuǎn)錄后,在5端加上帽子(7甲基鳥嘌呤核苷)，在蛋白質(zhì)翻譯時識別起始位置及防止被RNA酶降解。38（2）3端多數(shù)帶有多聚A的尾巴(polyadenylate tail)，其長度為20200個A.（3）分子中可能有修飾堿基，主要是甲基化。（4）分子中有編碼區(qū)與非編碼區(qū)。 非編碼區(qū)（untranslated region UTR）位于編碼區(qū)的兩端；5 非編碼區(qū)有翻譯起始信號。391

21、單鏈小分子，含7393個核苷酸；2含有很多稀有堿基或修飾堿基，多為甲基化；35 端總是磷酸化，且常是pG；43 端為CCAOH；5 二級結(jié)構(gòu)為三葉草形；6三級結(jié)構(gòu)為倒L型。40原核生物真核生物核糖體70S80S小亞基30S40SrRNA16S(1542個核苷酸)18S（1874個核苷酸）蛋白質(zhì)21種(占總重量的40%) 33種（占總重量50%）大亞基50S60SrRNA23S(2940個核苷酸)28S（4718個核苷酸）5S(120個核苷酸)5.8S(160個核苷酸)5S(120個核苷酸)蛋白質(zhì)31種(占總重量的30%) 49種(占總重量的35%)41 單鏈RNA自行盤繞形成局部雙螺旋的多“莖

22、”多“環(huán)”結(jié)構(gòu)，螺旋部分稱為“莖”或“臂”非螺旋部分稱為“環(huán)”，在螺旋區(qū)，A與U配對，G與C配對。 42原核生物原核生物rRNA的特點的特點（）原核生物16SrRNA 的 3 端有一保守序列ACCUCCU，是mRNA的識別結(jié)合位點。（）原核生物5SrRNA的第4347位核苷酸為CGAAC序列，可與tRNA上GTCG互補。真核生物真核生物rRNA的特點的特點（）真核生物5.8SrRNA上也有相同的CGAAC序列,是tRNA與rRNA相互識別、相互作用的部位。（）rRNA上有許多rRNA之間識別結(jié)合部位及蛋白質(zhì)的相互作用部位。43原核生物原核生物70S70S核糖體核糖體真核生物真核生物80S80S

23、核糖體核糖體核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體的結(jié)構(gòu)44核酶的發(fā)現(xiàn)核酶的發(fā)現(xiàn)1982年，美國Thomas Cech 在研究四膜蟲rRNA自我剪接時發(fā)現(xiàn)的；與此同時，加拿大的Sidney Altman 發(fā)現(xiàn)RNase P分子中的RNA組分有催化活性；1989年分享了Noble 化學獎。 核酶的發(fā)現(xiàn)意義核酶的發(fā)現(xiàn)意義不僅拓寬了生物催化劑的領(lǐng)域，而且對RNA的生物學功能開創(chuàng)了一種歷史性的新認識：RNA不僅具有儲存和傳遞遺傳信息的功能，而且還具有生物催化劑的功能，在一定程度上可以說，RNA一身兼有DNA和蛋白質(zhì)兩大類生物大分子的功能。45核酶的二級結(jié)構(gòu)核酶的二級結(jié)構(gòu)核酶的二級結(jié)構(gòu)對于催化活性很重要。Symons提出“

24、錘頭”狀二級結(jié)構(gòu)，三個螺旋區(qū)，13（或11）個保守核苷酸序列。46 七、核內(nèi)不均一七、核內(nèi)不均一RNA（hnRNA）指真核細胞轉(zhuǎn)錄生成mRNA的前體；加工過程包括：5加帽；3端加尾；內(nèi)含子的切除和外顯子的拼接；分子內(nèi)部的甲基化修飾作用；核苷酸序列的編輯作用。 八、小分子核內(nèi)八、小分子核內(nèi)RNA(snRNA)真核細胞核內(nèi)一組小分子RNA，含70300堿基,序列中尿嘧啶含量較高，因此又用U命名。既非任何RNA的前體，也非某種RNA代謝的中間產(chǎn)物，而是具有獨特功能且獨立存在的實體，參與mRNA的加工等多種功能。常與多種特異的蛋白質(zhì)結(jié)合在一起，形成小分子核內(nèi)核蛋白顆粒（small nuclear ribonucleoprotein particle，snRNP）47堿基序列正好與有意義mRNA互補的RNA，又稱為調(diào)節(jié)RNA。可與mRNA配對結(jié)合形成雙鏈，最終抑制mRNA作為模板進行翻譯。還可作為DNA復(fù)制的抑制因子，與引物RNA互補結(jié)合抑制DNA復(fù)制，及在轉(zhuǎn)錄水平上與mRNA5端互補，阻止RNA合成轉(zhuǎn)錄?？梢匀斯ず铣煞戳xRNA來調(diào)節(jié)基因的表達，用于疾病治療。原核生物中也有一種mRNA干擾互補RNA（Mrna interfering complementary RNA，micRNA），也可與特異mRNA結(jié)合并阻止翻譯。48核酸