核酸的結(jié)構(gòu)課件

第十章核酸的結(jié)構(gòu)核酸核苷酸核苷磷酸堿基戊糖

核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解則產(chǎn)生核苷和核苷酸。每個核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。核酸的各種水解產(chǎn)物可用層析或電泳等方法分離鑒定。

組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。一、核酸的化學(xué)組成

元素組成：CHONP

(一)戊糖RiboseDeoxyribose(二)堿基1.嘌呤（Purine）123456978

腺嘌呤AdenineA鳥嘌呤guanineG(三)核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基

糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)AdenosineGuanosineCytidineUridine(四)核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸

HHHHHHHHHOH

AMP

dAMP

核苷一磷酸可以進一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。下圖給出了腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）的結(jié)構(gòu)。2.環(huán)化磷酸化cAMPcGMP3.肌苷酸及鳥苷酸(強力味精)4.輔酶

NAD、NADP、FMNIMPGMP

核酸中核苷酸是通過3ˊ,5ˊ-磷酸二酯鍵連接的

交替的戊糖和磷酸基團形成多核苷酸鏈的共價骨架。堿基給出了核酸序列上的變化。聚合酶催化細胞中的RNA和DNA的合成。

核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP是RNA合成的底物，而dATP、dGTP、dCTP和dTTP是DNA合成的底物。聚合酶通過催化一個核苷酸的3ˊ-OH與另一個核苷酸的5ˊ-磷酸之間形成3ˊ,5ˊ-磷酸二酯鍵,將核苷單磷酸加到生長的多核苷酸鏈上，下圖給出了DNA分子的延長反應(yīng)。

由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸鏈是核糖核酸（RNA）；由脫氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸鏈是脫氧核糖核酸（DNA）。

核酸的一級結(jié)構(gòu)是通過3ˊ,5ˊ-磷酸二酯鍵連接的核苷酸序列。

DNA和RNA的生物合成都是按照5ˊ→3ˊ方向進行的，沒有特別指定時，核苷酸序列都是按照5ˊ→3ˊ方向讀寫。磷酸二酯鍵5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，當表示一個多聚核苷酸鏈時，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH

DNA中堿基組成的這些定量關(guān)系，也稱為Chargaff法則，后來又被其他的研究者證實。堿基之間的這些定量關(guān)系對于建立DNA的三維結(jié)構(gòu)以及遺傳信息是如何編碼,在DNA中一代一代傳下去是一個關(guān)鍵。不同來源的DNA的堿基組成（摩爾百分比）和堿基比例二.DNA的結(jié)構(gòu)(一)DNA的一級結(jié)構(gòu)脫氧核糖核酸的排列順序可以用堿基排列順序表示；

DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。連接鍵：3’，5’-磷酸二酯鍵；磷酸與戊糖順序相連形成主鏈骨架；堿基形成側(cè)鏈；多核苷酸鏈均有5’-末端和3’-末端

2.基因與基因組基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物細胞中DNA

分子的最小功能單位。

蛋白質(zhì)（mRNA蛋白質(zhì)）產(chǎn)物tRNARNArRNA

調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)基因無產(chǎn)物

作用未知結(jié)構(gòu)基因3.原核生物基因組特點重復(fù)序列少，多位編碼區(qū)多為操縱子形式組織有重疊基因存在

真核生物基因組特點以染色體存在重復(fù)序列多基因組計劃人類基因組計劃（HumanGenomeProject，HGP）酵母基因組計劃（YGP）大腸桿菌（E.Coli）(二)DNA的二級結(jié)構(gòu)

DNA的雙螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和Chargaff法則等前人工作，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測。

DNA二級結(jié)構(gòu)是一個雙螺旋結(jié)構(gòu)

肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實驗以及噬菌體感染實驗使科學(xué)家們相信DNA是遺傳物質(zhì)，但遺傳信息是如何貯存在DNA分子中的呢？當時擺在研究者面前的問題就是建立一個DNA分子的三維模型，該模型要能夠解釋Chargaff法則，以及遺傳規(guī)律等問題。

提出DNA雙螺旋模型的是年僅25歲的沃森和35歲的克里克，1962年沃森、克里克和威爾金斯三人獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎。但不要忘記富蘭克林以及查加夫等人的貢獻，正是由于富蘭克林拍攝的DNAX-射線衍射圖成就了沃森和克里克。

1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick依據(jù)X-射線衍射數(shù)據(jù)和Chargaff法則等進行DNA研究工作，建立一個DNA分子的三維模型，稱為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這一模型可以圓滿地解釋有關(guān)DNA的所有數(shù)據(jù)，包括DNA晶體X-射線衍射數(shù)據(jù)和Chargaff法則，這一模型現(xiàn)在來看也基本是正確的。

Watson和Crick于1953年的4月25日在Natue上發(fā)表了題為“核酸的分子結(jié)構(gòu)――脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)”的文章，闡述了雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)要點：

1、兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸纏繞，形成一個右手的雙螺旋。即兩條鏈均為右手螺旋，一條是5ˊ→3ˊ方向，另一條是3ˊ→5ˊ方向。一條鏈上的堿基通過氫鍵與另一條鏈上的堿基連接，形成堿基對。G與C配對，A與T配對（堿基互補），G和C之間可形成三個氫鍵，而A和T之間只能形成二個氫鍵。2、交替的脫氧核糖和帶負電荷的磷酸基團骨架位于雙螺旋的外側(cè)，糖環(huán)平面幾乎與堿基平面成直角。兩條鏈上的嘌呤堿基與嘧啶堿基堆積在雙螺旋的內(nèi)部，堿基平面與螺旋的長軸垂直。3、雙螺旋的平均直徑為2nm，相鄰堿基對的距離為0.34nm，相鄰核苷酸的夾角為36。沿螺旋的長軸每一轉(zhuǎn)含有10個堿基對，其螺距為3.4nm。

G和C之間形成三個氫鍵

A和T之間形成二個氫鍵

雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提供了DNA復(fù)制的機理，解釋了遺傳物質(zhì)自我復(fù)制的機制。模型是兩條鏈，而且堿基互補。復(fù)制之前，氫鍵斷裂，兩條鏈彼此分開，每條鏈都作為一個模板復(fù)制出一條新的互補鏈，這樣就得到了兩對鏈，解決了一個基本的生物學(xué)問題－遺傳復(fù)制中樣板的分子基礎(chǔ)。親本鏈子鏈子鏈

DNA雙螺旋存在幾種不同類型的構(gòu)象在Watson和Crick的DNA雙螺旋模型公布之后，通過對合成的已知序列的寡核苷酸的X-射線晶體衍射圖的研究發(fā)現(xiàn)，存在著B型、A型和Z型DNA。B-DNA和A-DNA都是右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，而Z-DNA是左手雙螺旋結(jié)構(gòu)。B-DNA、A-DNA和Z-DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點

雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)類型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm)每轉(zhuǎn)堿基對數(shù)目堿基對間垂直距離（nm）堿基對與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720o0o7o

DNA雙螺旋進一步扭曲，構(gòu)成三級結(jié)構(gòu).

用兩手分別捏住線性DNA分子的兩端，捻動其中的一端或兩端同時向相反的方向捻動。當向右捻動時（即沿右手螺旋方向捻動），等于緊旋（所謂的“上勁”）。處于這樣狀態(tài)的DNA分子相對于它的松弛狀態(tài)是一種超過原有旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的狀態(tài)，所以稱為過旋。當將處于松弛狀態(tài)（B構(gòu)型）的雙螺旋向左捻動時，等于解旋（所謂的“卸勁”）。處于這樣狀態(tài)的DNA分子相對于它的松弛狀態(tài)是一種沒有達到原有旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的狀態(tài)，所以稱之欠旋。當將線性過旋或欠旋的雙螺旋DNA連接形成一個環(huán)時，都會自動形成額外的超螺旋來抵消過旋或欠旋造成的應(yīng)力，目的是維持B型構(gòu)象。過旋DNA會自動形成額外左手螺旋，而欠旋形成額外右手螺旋，稱為負超螺旋。(三)DNA的三級結(jié)構(gòu)

向左捻向右捻松弛型正超螺旋負超螺旋

DNA拓撲學(xué)特性

(1)連環(huán)數(shù):

在雙螺旋DNA中,一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù),以字母L表示。在松弛環(huán)狀DNA中,L=25

在解鏈環(huán)狀DNA中及超螺旋分子中,L=23

這三種環(huán)狀DNA分子具有相同的結(jié)構(gòu),但L不同,為拓撲異構(gòu)體,拓撲異構(gòu)體酶可以催化拓撲異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)化。

(2)扭轉(zhuǎn)數(shù):指DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù),以T表示.(3)超螺旋數(shù):(纏繞數(shù)),以W表示。

L,T,W三者之間的關(guān)系:L=T+W

（四）真核細胞核內(nèi)DNA和組蛋白形成染色質(zhì)

染色質(zhì)的主要蛋白質(zhì)成分通稱為組蛋白。大多數(shù)真核細胞中都含有H1、H2A、H2B、H3和H45種組蛋白。當染色質(zhì)用低離子強度的溶液處理時，染色質(zhì)去折疊后電子顯微鏡照片象是一條線上穿了許多“珠”子一樣。“珠子”是DNA-組蛋白的復(fù)合體，稱為核小體，而“線”是雙螺旋DNA。每個核小體是由各2分子的H2A、H2B、H3和H4的八聚體和大約200個DNA堿基對組成，DNA大約纏繞1.75圈，有146個DNA的堿基對處于與組蛋白復(fù)合體緊密結(jié)合的狀態(tài)，形成一個核小體核心顆粒。核心顆粒之間的“線”稱之連接DNA，大約有54個堿基對長。第5個組蛋白H1既與連接DNA結(jié)合，又和核小體核心顆粒結(jié)合。H2A、H2B、H3和H4形成八聚體組蛋白和DNA形成核小體

與伸展開的B-DNA長度相比，DNA和組蛋白形成核小體后，長度被壓縮了10倍。串珠狀的核小體核心顆粒本身可以卷曲成一個螺旋管狀，產(chǎn)生一種稱之30nm纖維結(jié)構(gòu)。纖維結(jié)構(gòu)可以形成大的環(huán)，在一個大的染色體上大約存在著多達2000個環(huán)。環(huán)可以附著在RNA-蛋白質(zhì)的支架上，象是被固定一樣，可以形成超螺旋。超螺旋還可形成附加的額外的超螺旋，使得DNA一步一步地被壓縮。

真核雙鏈線性DNA（dsDNA）

DNA雙鏈以左手螺旋纏繞在組蛋白形成的八聚體核心上即核小體念珠狀結(jié)構(gòu)核小體鏈進一步盤繞、折疊形成染色質(zhì)絲組成突環(huán)玫瑰花結(jié)螺線圈由螺線圈組裝成染色單體。

真核生物的染色體的組裝過程染色體的結(jié)構(gòu)組裝過程

核小體（nucleosome）由146bpDNA圍繞8個組蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4個2個），繞1?圈，H1結(jié)合在連接區(qū)，每個核小體大致包含200bpDNA。

總結(jié)：染色體的結(jié)構(gòu)組裝過程由6個核小體念珠繞成30nm纖維（fiber）。

總結(jié)：染色體的結(jié)構(gòu)組裝過程再扭曲成突環(huán)（loop），約75000bp?？偨Y(jié)：染色體的結(jié)構(gòu)組裝過程

形成（玫瑰）花結(jié)（rosette），每1花結(jié)包括6個突環(huán)。在此基礎(chǔ)上，由30個花結(jié)繞成螺管（coil），最后形成染色單體chromatid）。染色體總結(jié)：三.RNA的結(jié)構(gòu)與功能(一)RNA結(jié)構(gòu)特點堿基組成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類mRNAtRNArRNA少數(shù)RNA病毒(二)tRNA占RNA總量的15％一種氨基酸對應(yīng)最少一種tRNA分子量25000左右，大約由70－90個核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3'-末端都具有CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。tRNA的高級結(jié)構(gòu)1、tRNA的二級結(jié)構(gòu)tRNA的二級結(jié)構(gòu)大都呈“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)：包括氨基酸接受臂、反密碼（環(huán)）臂、二氫尿嘧啶（環(huán)）臂、TC（環(huán)）臂和可變環(huán)。除了氨基酸接受區(qū)外，其余每個區(qū)均含有一個突環(huán)和一個臂。

(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，一般環(huán)中含有7個核苷酸殘基，臂中含有5對堿基。其中環(huán)中正中的3個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個核苷酸組成，臂由3-4對堿基組成。

(4)TC區(qū)

該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(TC)由7個核苷酸組成，通過由5對堿基組成的雙螺旋區(qū)(TC臂)與tRNA的其余部分相連。除個別例外，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個核苷酸組成。假尿苷胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（tRNA）2、tRNA的三級結(jié)構(gòu)

在三葉草型二級