《生物化學(xué)》本科課件第13章+核酸的結(jié)構(gòu)

1、第13章 核酸的結(jié)構(gòu)揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核酸的組成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基水解基本結(jié)構(gòu)單位核糖脫氧核糖嘌呤AG嘧啶CTU揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院戊糖揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核酸的分類就是根據(jù)所含戊糖種類不同而分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA) DNA RNA 嘌 呤 堿 腺嘌呤(adenine)鳥嘌呤(guanine) 腺嘌呤(adenine)鳥嘌呤(guanine) 嘧 啶 堿 胞嘧啶(cytosine) 胸腺嘧啶(thymine) 胞嘧啶(cytosine) 尿嘧啶(uracil) 戊 糖 D-2-脫氧核糖 D-核糖 酸 磷 酸 磷 酸揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第一

2、節(jié) 核苷酸揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核苷酸的分類：（1）(核糖)核苷酸（2）脫氧(核糖)核苷酸兩類。兩者基本化學(xué)結(jié)構(gòu)相同，只是所含戊糖不同。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、堿基 （base）堿基分兩類：嘧啶堿和嘌呤堿。 1嘧啶堿 嘧啶堿是母體化合物嘧啶的衍生物。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2. 嘌呤堿 應(yīng)用X光衍射分析法已證明了各種嘌呤和嘧啶的三度空間結(jié)構(gòu)。嘌呤和嘧啶環(huán)很接近平面，但稍有撓折。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3. 稀有堿基 除了5種基本的堿基外，核酸中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基。稀有堿基種類極多，大多數(shù)都是甲基化堿基。tRNA中含有較多的稀有堿基，可高達10。 嘌呤次黃嘌呤

3、 I；N6、N6-二甲基腺嘌呤m26A； N1、N2 、 N7 三甲基鳥嘌呤m31,2,7G嘧啶5-甲基胞嘧啶 m5C ；5-羥甲基胞嘧啶 hm5U ；二氫尿嘧啶 DHU揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二、核苷 核苷是一種糖苷，由戊糖和堿基縮合而成。之間以糖苷鍵相連接。一般稱之為N糖苷鍵。核酸分子中的糖苷鍵均為糖苷鍵。 糖的C1與嘌呤堿的N9糖的C1與嘧啶堿的N1揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院規(guī)律：（1）核苷中的戊糖為呋喃型的D-核糖或D-脫氧核糖，糖苷鍵均為糖苷鍵。（2）對嘧啶核苷來說，糖的C1與嘧啶堿的N1相連；對嘌呤核苷來說，糖的C1與嘌呤堿的N9相連（3）應(yīng)用X射線衍射法已證明，核苷中的堿基與糖

4、環(huán)平面互相垂直。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三、 核苷酸核苷中的戊糖羥基被磷酸酯化，就形成核苷酸。核苷酸是核苷的磷酸酯。核苷酸核糖核苷酸脫氧核糖核苷酸2、3或5核糖核苷酸堿基堿基3或5脫氧核糖核苷酸生物體內(nèi)游離存在核苷酸主要是5核苷酸揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核苷酸堿基連接（核苷鍵）酯 鍵（對DNA為H）12345揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院八種核苷酸M/單，D/二，T/三；P-磷酸（都表示5磷酸）RNA的名稱為單/二/三苷酸， DNA在單/二/三前加脫氧兩字（d表示）。 如AMP稱腺苷一磷酸(或腺苷酸） dAMP稱為脫氧腺苷一磷酸（脫氧腺苷酸）稀有核苷酸與上類似揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（四）核

5、苷酸的衍生物生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。（1）ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸)揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院ATP的性質(zhì)核酸合成的前體是重要的能量轉(zhuǎn)換中間體ATP含兩個高能磷酸鍵：水解時 可釋放大量自由能，推動體內(nèi)各種需能反應(yīng)。ATP也是磷?；瘎毫柞；牡孜锞咻^高能量（活化分子），是許多生物化學(xué)反應(yīng)的激活步驟。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 (2)GTP (鳥嘌呤核糖核苷三磷酸)生物體內(nèi)游離存在，核酸合成的前體，也是一種高能化合物具有類似ATP的結(jié)構(gòu)主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷?；w在許多情況下, ATP 和 GTP 可以相互轉(zhuǎn)換揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（3）cAMP 和 cGMPc

6、AMP 3,5環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸cGMP 3,5-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸細胞間信使cAMP 和 cGMP 的環(huán)狀磷酯鍵是一個高能鍵：pH 7.4時水解能約為43.9 kJ /mol，比 ATP 水解能高得多。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第二節(jié) 核酸的共價結(jié)構(gòu) 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、核酸的共價結(jié)構(gòu)也就是核酸的一級結(jié)構(gòu)，通常是指核酸的核苷酸序列。 核酸的酸堿滴定曲線顯示，在核酸分子中的磷酸基只有一級解離，它的另兩個酸基必定與糖環(huán)的羥基形成了磷酸二酯鍵。由此可見，核酸中的核苷酸以磷酸二酯鍵彼此相連。發(fā)現(xiàn)過程：2.使用特殊的磷酸二酯酶水解核酸的磷酸二酯鍵。（牛脾水解5羥基形成的磷酸酯鍵；蛇毒水解3羥

7、基形成的磷酸酯鍵 ）揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院連接方式：3，5磷酸二酯鍵牛脾蛇毒揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核酸一級結(jié)構(gòu)的簡寫形式戊糖3-OHB53PPPPPP A G C T G C OH（1）豎線式，用豎線代表戊糖，B為堿基，P為磷酸基；原則上5端在左側(cè)，3端在右側(cè)，磷酸二酯鍵的走向為3 5。 P（2）文字式：pApCpTpG .pA-C-T-G 或 5 AGCTGC 3揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二、DNA的一級結(jié)構(gòu) 1.定義一級結(jié)構(gòu)指核酸的核苷酸排列序列。2.特點：（1）堿基組成：A、T、C、G，戊糖為脫氧核糖。（2）各核苷酸之間通過3 5磷酸二酯鍵相連（3）DNA無分支鏈，相對分子質(zhì)量非

8、常大（4）各物種的DNA基因組結(jié)構(gòu)特點不同揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1. 細菌（原核生物）的基因組結(jié)構(gòu)特點連續(xù)、無內(nèi)含子，功能相關(guān)的基因組成操縱子，有共同的調(diào)控序列，很少有重復(fù)序列。內(nèi)含子（intro）：真核生物的基因通常是斷裂基因，保留在成熟RNA中的序列稱為外顯子（exon），插入的非編碼序列稱為內(nèi)含子。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院操縱子：指原核生物基因表達的協(xié)調(diào)單位，包括在功能上彼此相關(guān)的基因及其調(diào)控部位，調(diào)控部位由啟動子和操縱基因（阻遏蛋白結(jié)合區(qū)）所組成。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2. 真核生物的基因組特點斷裂、有內(nèi)含子、功能相關(guān)基因不

9、形成操縱子，調(diào)控序列所占比例大，有大量重復(fù)序列。例如：人的基因組大小為3.2X109 bp，但編碼蛋白質(zhì)的序列僅占基因組的1%-1.4%基因（35%）假基因基因外區(qū)域外顯子內(nèi)含子揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3. 病毒基因組的特點基因組較小，但十分緊湊，有的基因是重疊基因。重疊基因：指調(diào)控具有獨立性，但部分使用共同基因序列的基因。重疊基因揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三、RNA的一級結(jié)構(gòu) 一級結(jié)構(gòu)共同特點：（1）堿基由A、U、C和G組成，另外還有一些稀有堿基（2）戊糖不是脫氧核糖，而是核糖 （3）組成RNA的核苷酸也是以3 5磷酸二酯鍵彼此連接起來的；所以也是無分支線型多聚核

10、苷酸（4）RNA種類多，結(jié)構(gòu)差異大 主要種類為tRNA, rRNA, mRNA。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1. tRNA結(jié)構(gòu)特點：tRNA通常由73至93個核苷酸組成，相對分子質(zhì)量都在25 000左右，沉降常數(shù)為4S。含有較多稀有堿基，可達堿基總數(shù)的1015。沉降系數(shù)：指在單位離心力的作用下粒子的沉降速度，以svedberg表示，簡寫為S，單位為時間，1S = 110-13 s揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2. rRNA結(jié)構(gòu)特點：細菌的rRNA有5S、16S和23S三種，哺乳動物的rRNA有5S、5.8S、18S和28S四種，rRNA核苷酸數(shù)一般100多個bp ，少數(shù)有稀有堿基揚州大學(xué)生物科學(xué)與技

11、術(shù)學(xué)院揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院原核生物以操縱子作為轉(zhuǎn)錄單位，產(chǎn)生多順反子mRNA（一條mRNA鏈上有多個編碼區(qū)），5端和3端各有一段非翻譯區(qū)(untranslated region，UTR)。原核生物mRNA，包括噬菌體RNA，都無修飾堿基。3. mRNA結(jié)構(gòu)特點：揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院真核生物的mRNA都是單順反子，5端有帽子(cap)結(jié)構(gòu)，然后依次是5非編碼區(qū)、編碼區(qū)、3非編碼區(qū)，3端為多聚腺苷酸(polyadenylic acid，poly(A)尾巴。其分子內(nèi)有時還有極少甲基化的堿基。 5帽子 密碼子 3polyA m7Gppp- AUG GUG UAA AAAAAA 5端非翻譯區(qū)

12、 編碼區(qū) 3非翻譯區(qū)真核生物mRNA的共價結(jié)構(gòu)揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5 帽子結(jié)構(gòu)O型：m7G5ppp5Np I型 ：m7G5ppp5NmpNp 型 ：m7G5ppp5NmpNmpNp 帽子有抗5外切酶能力揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院帽子結(jié)構(gòu)：可抵抗5核酸外切酶降解mRNA。 可為核糖體提供識別位點，使mRNA很快與核糖體結(jié)合，促進蛋白質(zhì)合成起始復(fù)合物的形成。polyA尾： PolyA是mRNA由核進入胞質(zhì)所必需的形式。polyA與mRNA半壽期有關(guān)， PolyA大大提高mRNA在胞質(zhì)中的穩(wěn)定性。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第三節(jié) DNA的高級結(jié)構(gòu) 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、DNA的二級結(jié)構(gòu)

13、Watson和Crick于1953年提出了DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型：（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞；兩條鏈均為右手螺旋。 （2）嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)。磷酸與核糖在外側(cè)，彼此通過3，5磷酸二酯鍵相連接，形成DNA分子的骨架。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（3）堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)的平面則與縱軸平行。 （4）兩條鏈配對偏向一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（5）雙螺旋的平均直徑為2nm，兩個相鄰的堿基對之間相距的高度，即堿基堆積距離為0.34 nm，兩個核苷酸之間的夾角為36。因此，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一周有10個核苷酸。每一周的高度(即螺距)為3.

14、4nm。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（6）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵相連系；根據(jù)對堿基構(gòu)象研究的結(jié)果，A只能與T相配對，形成兩個氫鍵；G與C相配對，形成3個氫鍵。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提出的依據(jù)1. 已知核酸化學(xué)結(jié)構(gòu)和核苷酸鍵長和鍵角的數(shù)據(jù)。2.對DNA纖維的X射線衍射分析結(jié)果證實。3. Chargaff規(guī)則 的提出揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Chargaff規(guī)則（1950年總結(jié)）(1) 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩爾數(shù)相等，即A=T。(2) 鳥嘌呤和胞嘧啶的摩爾數(shù)也相等，即G=C。(3) 含氨基的堿基(腺嘌呤和胞嘧啶)總數(shù)等于含酮基的

15、堿基(鳥嘌吟和胸腺嘧啶)總數(shù)，即A+C=G+T。 (4) 嘌呤的總數(shù)等于嘧啶的總數(shù)，即A+G=C+T。 所有DNA中堿基組成必定是A=T，G=C，這一規(guī)律暗示A與T，G與C相互配對的可能性，為Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了重要根據(jù)。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三、DNA二級結(jié)構(gòu)類型DNA的結(jié)構(gòu)可受環(huán)境條件(相對濕度、溶液的鹽濃度、離子類型、有機溶劑等)的影響而改變。A型：相對濕度75%制得的DNA纖維結(jié)構(gòu)；右手螺旋。B型：相對濕度92%制得的DNA纖維結(jié)構(gòu);右手螺旋（Watson and Crick的結(jié)構(gòu))。C型、D型：相對濕度4446% ， 60% 制得的DNA纖維結(jié)構(gòu);

16、右手螺旋Z型：左手雙螺旋；揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院A-DNA特點：（1）是由兩條反向的多核苷酸鏈組成的雙螺旋，右手螺旋；（2）但是螺體較寬而短，堿基對與中心軸之傾角也不同，呈19。（3）堿基對的傾角導(dǎo)致大溝變狹；小溝變寬。螺距也發(fā)生變化。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院Z型結(jié)構(gòu)特征（1）序列必須含鳥嘌呤，并且嘌呤堿與嘧啶堿交替出現(xiàn)，有利于Z型的形成。 （2）Z型螺旋細長，大溝平坦，磷酸和糖骨架呈Z字形。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院DNA的類型類型 結(jié)晶狀態(tài) 螺距 堿基距離 每圈 旋轉(zhuǎn) (nm) (nm) bp數(shù) 方向A 相對濕度75% 2.8 0.256 11 右手 DNA鈉鹽B 相對濕度92% 3

17、.4 0.34 10 右手 DNA鈉鹽Z d(GCGCGC) 4.44 0.37 12 左手P489表13-6三種類型DNA的比較揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院三股螺旋DNA K. Hoogsteen 1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu)揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院當(dāng)DNA的一段寡嘧啶（寡嘌呤）構(gòu)成鏡像重復(fù)時可以形成三股螺旋（鉸鏈DNA，hinged DNA , H-DNA)P 490 圖13-11 H-DNA的結(jié)構(gòu)揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院DNA三股螺旋結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、重組的起始

18、位點或調(diào)節(jié)位點，如啟動子區(qū)。第三股鏈的存在可能使一些調(diào)控蛋白或RNA聚合酶等難以與該區(qū)段結(jié)合，從而阻遏有關(guān)遺傳信息的表達。揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院四、DNA的三級結(jié)構(gòu) 1. 定義：是指DNA分子(雙螺旋)通過扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象，包括不同二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用、單鏈與二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用以及DNA的拓?fù)涮卣?。超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院超螺旋的類型1.正超：（擰緊螺旋）2.負(fù)超：（解螺旋）左旋右旋超螺旋DNA具有更為致密的結(jié)構(gòu)，可以將很長的DNA分子壓縮在一個極小的體積內(nèi)。天然環(huán)狀DNA一般都以負(fù)超螺旋構(gòu)象存在，負(fù)超螺旋DNA易于解鏈。有利于DN

19、A的復(fù)制、重組和轉(zhuǎn)錄等過程進行。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院五、DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu) 生物體內(nèi)的核酸通常與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，以核蛋白的形式存在?；蚪MDNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體。病毒可認(rèn)為是游離的染色體1.病毒揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院RNA和蛋白質(zhì)核心突環(huán)由雙鏈DNA結(jié)合堿性蛋白質(zhì)所組成細菌擬核的突環(huán)結(jié)構(gòu)2、原核細胞的擬核揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合最后形成染色體。染色體的基本結(jié)構(gòu)核小體(nucleosome)3、真核細胞的染色體1974年Kornberg根據(jù)電鏡觀察和X射線衍射等資料，提出核小體的結(jié)構(gòu) 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院核

20、小體的結(jié)構(gòu)模型特點 1. 由組蛋白核心和盤繞其上的DNA所構(gòu)成；組蛋白H1將DNA兩條鏈封住。2.核心由組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子組成一個八聚體；3. DNA以左手螺旋在組蛋白核心上盤繞1.8圈，共146 bp 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院染色質(zhì)纖絲突環(huán)玫瑰花環(huán)真核生物染色體DNA組裝成不同層次結(jié)構(gòu)揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第四節(jié) RNA的高級結(jié)構(gòu) 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院一、tRNA的高級結(jié)構(gòu) 1. tRNA的二級結(jié)構(gòu) 三葉草形（5部分）(1)氨基酸臂:由7對堿基組成，富含鳥嘌呤，末端為CCA，接受活化的氨基酸 (2)二氫尿嘧啶環(huán):由8-12個核苷酸組成，具有兩個二氫尿嘧啶 R

21、代表嘌呤Y代表嘧啶二氫尿嘧啶環(huán)揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院(3)反密碼環(huán):由7個核苷酸組成。環(huán)中部為反密碼子，由3個堿基組成。次黃嘌吟核苷酸常出現(xiàn)于反密碼子中。(4)額外環(huán):由318個核苷酸組成。不同的tRNA具有不同大小的額外環(huán)，所以是tRNA分類的重要指標(biāo)。 (5)假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(T C 環(huán))：由7個核苷酸組成，幾乎所有tRNA在此環(huán)中都含有TC 。 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2. tRNA的三級結(jié)構(gòu)-倒L形 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院二、rRNA的高級結(jié)構(gòu) 大腸桿菌16S rRNA二級結(jié)構(gòu)示意圖揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院（三）其它RNA的高級結(jié)構(gòu)游離mRNA可產(chǎn)生高級結(jié)構(gòu)，但翻譯時需解開核酶的功能與其空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。8種核酶的結(jié)構(gòu)（除rRNA） ：RnaseP的RNA亞基（M1 RNA）、錘頭型、發(fā)夾型、丁型肝炎病毒（HDV）基因組和反基因組、Varkud衛(wèi)星（Vs）質(zhì)粒、類型和類型自我剪接內(nèi)含子揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是_于_年提出的。2核酸的基本結(jié)構(gòu)單位是_。3B型DNA雙螺旋的螺距為_，每