2015生物化學(xué)課件核酸化學(xué)

1、第二節(jié) 核酸的分子結(jié)構(gòu)本科專業(yè)基礎(chǔ)課程生物化學(xué)第二章 核酸化學(xué)DNA RNA磷酸堿基戊糖1. DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)一、DNA的分子結(jié)構(gòu)1） 定義： DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種脫氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定順序，通過(guò)3,5磷酸二酯鍵連成的直線形或環(huán)形分子。 核苷酸的排列順序代表了遺傳信息。 2） DNA的書寫順序是53。 3） DNA中有4種類型的核苷酸，有n個(gè)核苷酸組成的DNA鏈中可能有的不同序列總數(shù)為4n3，5-磷酸二酯鍵124） DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示方法結(jié)構(gòu)式/線條式/字母式（1）結(jié)構(gòu)式（堿基用單字母表示）戊糖3-OH5-磷酸PA核苷酸53首端末端PP

2、PPPP A G C T G C OH（2）線條式（堿基用單字母表示 磷酸基團(tuán)用P表示）（3）字母式（單字母ATGC在式中表示脫氧核苷，省略d）二、 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)（雙螺旋）定義：DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)指DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1. 雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景 （1）X射線衍射數(shù)據(jù)Wilkins和Franklin發(fā)現(xiàn)不同來(lái)源的DNA纖維具有相似的X射線衍射圖譜。 （2）19501953堿基成對(duì)證據(jù)Chargaff研究小組對(duì)DNA的化學(xué)組成進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)： 所有DNA中腺嘌呤與胸腺嘧啶的摩爾含量相等，（即A=T）;鳥嘌呤與胞嘌呤的摩爾含量相等，（即G=C）。堿基當(dāng)量定律：嘌呤堿總量=嘧啶堿總量。（即A+G=

3、T+C） 不同生物DNA的堿基組成有很大差異，可用不對(duì)稱比率：A+T/G+C表示。親緣相近的生物，其DNA的堿基組成相近，即不對(duì)稱比率相近。 同一種生物所有體細(xì)胞DNA的堿基組成相同，可作為該物種的特征。 Pauling 和Corey發(fā)現(xiàn)A與T生成2個(gè)氫鍵、C與G生成3個(gè)氫鍵。2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)（1）DNA分子由兩條多聚脫氧核糖核苷酸鏈組成。兩條鏈沿著同一根軸平行盤繞，形成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。螺旋中的兩條鏈方向相反，即其中一條鏈的方向?yàn)?3，而另一條鏈的方向?yàn)?5。（2）嘌呤和嘧啶堿基位于螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側(cè)。堿基環(huán)平面與螺旋軸垂直，糖基環(huán)平面與堿基環(huán)平面成90角。（3

4、）螺旋橫截面的直徑約為2nm，每條鏈相鄰兩個(gè)堿基平面之間的距離為0.34 nm，每10個(gè)核苷酸形成一個(gè)螺旋，其螺矩（即螺旋旋轉(zhuǎn)一圈的高度）為3.4 nm。腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶（4）維持兩條DNA鏈相互結(jié)合的力是鏈間堿基對(duì)形成的氫鍵。堿基結(jié)合具有嚴(yán)格的配對(duì)規(guī)律:A與T結(jié)合，G與C結(jié)合，這種配對(duì)關(guān)系，稱為堿基互補(bǔ)。A和T之間形成兩個(gè)氫鍵，G與C之間形成三個(gè)氫鍵。 在DNA分子中，嘌呤堿基的總數(shù)與嘧啶堿基的總數(shù)相等。（5）螺旋表面形成大溝(major groove)及小溝(minor groove)，彼此相間排列。小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA堿基序列的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)模擬DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

5、（藍(lán)色）大溝中結(jié)合著肽（紅色） 雙螺旋中的大溝對(duì)于DNA和蛋白質(zhì)結(jié)合時(shí)的相互識(shí)別很重要 ，在溝內(nèi)可以辨認(rèn)堿基的順序。 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(double helix model)要點(diǎn)（1）反平行雙鏈：脫氧核糖-磷酸骨架位于外側(cè)，堿基對(duì)位于內(nèi)側(cè) （2）堿基互補(bǔ)配對(duì)：AT配對(duì)（兩個(gè)氫鍵），GC配對(duì)（三個(gè)氫鍵）；堿基對(duì)平面垂直縱軸（3）右手雙螺旋：螺距為3.4 nm，直徑為2.0 nm，10bp/圈（4）表面功能區(qū)：小溝較淺；大溝較深，是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA堿基序列的基礎(chǔ) （5）維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的力量：氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定，堿基堆積力維持螺旋縱向穩(wěn)定3.雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定因素DNA雙螺旋在生理狀態(tài)下十分穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)不

6、發(fā)生變化。維持這種穩(wěn)定性的因素包括：兩條DNA鏈之間形成的氫鍵，堿基堆積力。雙螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成的疏水區(qū)，消除了介質(zhì)中水分子對(duì)堿基之間氫鍵的影響；介質(zhì)中的陽(yáng)離子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基團(tuán)的負(fù)電荷，降低了DNA鏈之間的排斥力等。改變介質(zhì)條件和環(huán)境溫度，將影響雙螺旋的穩(wěn)定性。4、DNA雙螺旋的類型(1)B-DNA螺旋： DNA在92%相對(duì)濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。標(biāo)準(zhǔn)的右手雙螺旋，細(xì)胞正常狀態(tài)下DNA存在的構(gòu)型。(2)A-DNA螺旋：DNA在75%相對(duì)濕度的鈉鹽中的構(gòu)型。(3)Z-DNA螺旋：左手DNA螺旋，這種螺旋可能在基因表達(dá)的調(diào)控中起作用。 DNA double helix類型 he

7、lix type bp/turn 堿基軸升 螺距 helical d A 11 0.23nm 2.53nm 2.55nm B 10 0.34nm 3.54nm 2.37nm Z 12 0.38nm 4.56nm 1.84nm B-DNA & Z-DNA 天然存在的DNA分子最顯著的特點(diǎn)是很長(zhǎng)，分子質(zhì)量很大，一般在1061010。大腸桿菌染色體由400萬(wàn)堿基對(duì)(basepair，bp)組成的雙螺旋DNA單分子。其長(zhǎng)度為1.4106nm，相當(dāng)于1.4mm，而直徑為20nm，相當(dāng)原子的大小。黑腹果蠅最大染色體由6.2107bp組成，長(zhǎng)2.1cm多瘤病毒的DNA由5100bp組成 ，長(zhǎng)1.7mm三、D

8、NA的三級(jí)結(jié)構(gòu)定義：是指雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的更高層次的空間結(jié)構(gòu)，也就是比雙螺旋更為復(fù)雜的構(gòu)象。線狀DNA形成的紐結(jié)、超螺旋和多重螺旋環(huán)狀DNA形成的結(jié)、超螺旋和連環(huán)類型DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)主要是指雙螺旋進(jìn)一步扭曲形成的超螺旋。超螺旋即DNA雙螺旋的螺旋。1.真核細(xì)胞染色體的DNA念珠狀（線形）三級(jí)結(jié)構(gòu)核小體(nucleosome)： 由DNA和組蛋白構(gòu)成。DNA：以負(fù)超螺旋纏繞在組蛋白上組蛋白核心：H2B ,H2A ,H3 ,H4H1組蛋白在核小體之間DNA雙螺旋核小體，壓縮 7螺線管，壓縮6襻，壓縮40 螺旋圈 壓縮576405 = 8400突環(huán)2.原核生物以及真核生物細(xì)胞器環(huán)狀DNA的超螺旋

9、三級(jí)結(jié)構(gòu) 細(xì)菌等原核生物質(zhì)粒染色體在共價(jià)閉環(huán)雙螺旋基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)盤曲,形成麻花狀的超螺旋(supercoil)，體積進(jìn)一步壓縮. 正超螺旋：兩股以右旋方向纏繞的螺旋，在外力往緊纏的方向捻轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)左旋的超螺旋，以解除外力捻轉(zhuǎn)造成的脅變。這樣形成的螺旋為正超螺旋。 負(fù)超螺旋：兩股以右旋方向纏繞的螺旋在外力向松纏的方向捻轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)右旋的超螺旋以解除外力捻轉(zhuǎn)造成的脅迫。這樣形成的超螺旋為負(fù)超螺旋。 正超螺旋：負(fù)超螺旋： RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種核糖核酸（AMP、GMP、CMP、UMP）按一定順序，通過(guò)3,5磷酸二酯鍵連成的線形分子，其表示方法與DNA相同。 RNA是單鏈分子

10、，因此，在RNA分子中，并不遵守堿基種類的數(shù)量比例關(guān)系，即分子中的嘌呤堿基總數(shù)不一定等于嘧啶堿基的總數(shù)。RNA分子中，部分區(qū)域也能形成雙螺旋結(jié)構(gòu)，不能形成雙螺旋的部分，則形成突環(huán)。這種結(jié)構(gòu)可以形象地稱為“發(fā)夾型”結(jié)構(gòu)。 RNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)是在莖環(huán)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步扭曲折疊而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。二、 RNA的結(jié)構(gòu) 這種由單鏈自身折疊形成的結(jié)構(gòu)稱為莖環(huán)結(jié)構(gòu)。莖環(huán)結(jié)構(gòu)是各種RNA的共同的二級(jí)結(jié)構(gòu)特征。 在RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基的配對(duì)情況不象DNA中嚴(yán)格。G 除了可以和C 配對(duì)外，也可以和U 配對(duì)。G-U 配對(duì)形成的氫鍵較弱。不同類型的RNA, 其二級(jí)結(jié)構(gòu)有明顯的差異。（一）tRNA的結(jié)構(gòu)由7493個(gè)（多為

11、76個(gè)）核苷酸組成單鏈，沉降系數(shù)為4S ； (沉降系數(shù)又稱為沉降常數(shù)，指離心力場(chǎng)中沉降分子下沉的速度，1S=1x10-13秒，S常用來(lái)表示核酸分子，蛋白質(zhì)分子和糖體等的大小）tRNA是分子最小，但含有稀有堿基最多的RNA，其稀有堿基的含量可多達(dá)20%。 稀有堿基大部分位于突環(huán)部分.tRNA是保守性最強(qiáng)的RNA。 tRNA是單鏈核酸，但其分子中的某些局部也可形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。 tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)都呈” 三葉草” 形狀，在結(jié)構(gòu)上具有某些共同之處，一般可將其分為四臂四環(huán)：包括氨基酸接受區(qū); 反密碼區(qū); 二氫尿嘧啶區(qū); TC區(qū); 可變區(qū).除了氨基酸接受區(qū)外，其余每個(gè)區(qū)均含有一個(gè)突環(huán)和一個(gè)臂。 1、tRN

12、A的二級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA的三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu)124葉子反密碼子環(huán) 反密碼子載運(yùn)氨基酸臂稀有堿基RNA中的堿基配對(duì)原則 A-U G-C3額外環(huán)二氫尿嘧啶環(huán)次黃嘌呤不同的tRNA具有不同的額外環(huán)（可變環(huán)），所以額外環(huán)是tRNA分類的重要指標(biāo)假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(1)氨基酸接受區(qū)包含有tRNA的3-末端和5-末端， 3-末端的最后3個(gè)核苷酸殘基都是CCA，A為腺苷酸。氨基酸可與其成酯，該區(qū)在蛋白質(zhì)合成中起攜帶氨基酸的作用。(2)反密碼區(qū)與氨基酸接受區(qū)相對(duì)，一般環(huán)中含有7個(gè)核苷酸殘基，臂中含有5對(duì)堿基。其中環(huán)中正中的3個(gè)核苷酸殘基稱為反密碼子。（3)二氫尿嘧啶區(qū) 該區(qū)含有二氫尿嘧啶。環(huán)由8-12個(gè)

13、核苷酸組成，臂由3-4對(duì)堿基組成。 (4) TC區(qū) 該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對(duì)， 假尿嘧啶核苷胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(TC)由7個(gè)核苷酸組成，通過(guò)由5對(duì)堿基組成的雙螺旋區(qū)(TC臂)與tRNA的其余部分相連。除個(gè)別例外，幾乎所有tBNA在此環(huán)中都含有TC 。 (5)可變區(qū) 位于反密碼區(qū)與TC區(qū)之間，不同的tRNA該區(qū)變化較大，一般有3-18個(gè)核苷酸組成。2、tRNA的“倒L”型三級(jí)結(jié)構(gòu)在三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，由于整個(gè)分子的扭曲而形成，目前已知的tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)均為倒L型（二）mRNA的結(jié)構(gòu)信使RNA（messenger RNA，mRNA）不均一核RNA（heterogeneou nuclear R

14、NA，hnRNA）： 在細(xì)胞核內(nèi)合成的mRNA的初級(jí)產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)剪接成為成熟的mRNA并移到細(xì)胞質(zhì)。mRNA的功能：是把核內(nèi)DNA的堿基順序按照堿基互補(bǔ)的原則，抄錄并轉(zhuǎn)送至胞質(zhì)，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。1、mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)真核生物成熟mRNA的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及與原核生物的區(qū)別：1）5端帽子結(jié)構(gòu)（cap sequence): 帽子結(jié)構(gòu)能促進(jìn)核蛋白體與mRNA的結(jié)合加速翻譯起始速度，同時(shí)可以增強(qiáng)mRNA的穩(wěn)定性。2）3-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴結(jié)構(gòu)。 極大多數(shù)真核細(xì)胞mRNA在3-末端有一段長(zhǎng)約20200個(gè)多聚腺苷酸的polyA。 polyA是在轉(zhuǎn)錄后經(jīng)polyA聚合酶的作用而添加上去的。poly

15、A的功能：1、與mRNA從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移到細(xì)胞質(zhì)有關(guān)；2、與mRNA的半壽期有關(guān)，新合成的mRNA， polyA鏈較長(zhǎng)，而衰老的mRNA ，polyA鏈縮短 3)真核生物mRNA是單順?lè)醋拥?，而原核生物的mRNA是多順?lè)醋拥?。順?lè)醋樱菏怯身樂(lè)丛囼?yàn)所規(guī)定的遺傳單位相當(dāng)于一個(gè)基因，含有決定一種蛋白質(zhì)氨基酸序列的全部核苷酸序列。多順?lè)醋樱菏侵笖y帶一種以上蛋白質(zhì)合成信息的mRNA也就是說(shuō)：原核生物mRNA可編碼幾條不同的多肽鏈。單順?lè)醋樱褐痪幋a一條多肽鏈。mRNA分子中帶有遺傳密碼，其功能是為蛋白質(zhì)的合成提供模板。 mRNA很不穩(wěn)定，當(dāng)它不再被用作模板時(shí)，很快就被分解。 mRNA分子中每三個(gè)相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質(zhì)翻譯合成時(shí)代表一個(gè)特定的氨基酸，這種核苷酸三聯(lián)體稱為遺傳密碼（coden）2、mRNA的功能3、mRNA的成熟過(guò)程 （三） rRNA的結(jié)構(gòu)核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）， 是細(xì)胞內(nèi)含量最多的RNA，約占RNA總量的80%以上。rRNA與核蛋白體蛋白共同構(gòu)成核糖體（ribosome）rRNA