生物化學核酸的結(jié)構(gòu)

生物化學核酸的結(jié)構(gòu)第一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核酸的組成成分核糖堿基核苷酸核糖核酸

RNA核苷磷酸聚合脫氧核糖堿基

脫氧核苷酸

脫氧核糖核酸

DNA脫氧核苷磷酸聚合第二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日一、核苷酸第三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核酸中的堿基種類DNARNA嘌呤堿腺嘌呤鳥嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤嘧啶堿胞嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶尿嘧啶第四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)的結(jié)構(gòu)第五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核酸中的嘌呤和嘧啶第六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日堿基酮式和烯醇式的互變異構(gòu)第七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日稀有堿基第八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日幾種嘌呤堿基

次黃嘌呤（I）黃嘌呤（X）尿酸

茶葉堿可可堿咖啡堿第九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核糖和脫氧核糖核糖（鏈式）核糖（環(huán)式）脫氧核糖（鏈式）脫氧核糖（環(huán)式）第十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核苷

(nucleoside)糖苷鍵堿基上的原子以數(shù)字編號，核糖上的原子以加撇的數(shù)字編號。第十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA和RNA中的各種核苷第十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核苷酸

(nucleotide)第十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核苷酸

(nucleotide)5’-腺苷酸3’-腺苷酸2’-腺苷酸第十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日多磷酸核苷酸第十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日環(huán)化核苷酸（cAMP）（cGMP）第十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日二、核酸的共價結(jié)構(gòu)5’3’第十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核酸中核苷酸的連接方式5’3’第十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日核酸結(jié)構(gòu)的簡寫式5’3’第十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日兩種磷酸二酯酶的水解位點第二十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日三、DNA的高級結(jié)構(gòu)

Chargaff

等在20世紀40年代應(yīng)用紙層析及紫外分光光度技術(shù)測定各種生物DNA的堿基組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DNA的堿基組成具有生物種的特異性。不同物種的DNA有其獨特的堿基組成，而同一物種不同組織和器官的DNA堿基組成是一樣的，不受生長發(fā)育、營養(yǎng)狀況以及環(huán)境條件的影響。

DNA堿基組成的Chargaff規(guī)則第二十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日不同生物DNA的堿基組成Ⅰ第二十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日不同生物DNA的堿基組成Ⅱ（1）A=T（2）G=C（3）嘌呤堿基的總數(shù)等于嘧啶堿基的總數(shù)，即A+G=C+T。這個規(guī)則為Watson和Crick提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)提供了重要根據(jù)。

第二十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的X光衍射圖第二十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的二級結(jié)構(gòu)Ⅰ

1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的雙螺旋模型，并因此和威爾金斯一起分享了1962年的諾貝爾醫(yī)學或生理學獎。第二十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的二級結(jié)構(gòu)ⅠDNA分子雙螺旋模型具有以下特征：（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)，磷酸與核糖形成的主鏈在外側(cè)，堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行。兩條鏈的配對偏向一側(cè)，形成一條大溝和一條小溝。第二十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)第二十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的二級結(jié)構(gòu)Ⅱ（3）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0.34nm，兩個核苷酸之間的夾角為36°。因此，沿中心軸每旋轉(zhuǎn)一圈有10個核苷酸，每一圈的高度（螺距）為3.4nm。（4）兩條核苷酸鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵而結(jié)合在一起，A必須與T配對，G必須與C配對。AT之間形成兩個氫鍵，GC之間形成3個氫鍵。（5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制，但根據(jù)堿基配對的原則，當一條鏈上的堿基序列確定后，另一條鏈上的堿基序列必須與之互補。兩條鏈互為互補鏈。

第二十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日配對堿基之間的氫鍵第二十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日配對堿基之間的氫鍵第三十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日堿基堆積力

Thebasesarestackedontheinsideofthestructure;theseheterocyclicbases,asaconsequenceoftheirπ-electronclouds,arehydrophobicontheirflatsides.第三十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日堿基堆積力使DNA成為雙螺旋

第三十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA其它構(gòu)象的發(fā)現(xiàn)

后來，K.Dickerson等人用人工合成的多聚脫氧核糖核苷酸（十二聚體）晶體進行X射線衍射分析后，認為這種十二聚體的結(jié)構(gòu)與Watson和Crick模型非常相似，但在結(jié)構(gòu)上并不像Watson-Crick模型那樣均一。這是由于堿基序列不同，以致在局部結(jié)構(gòu)上有較大差異。

第三十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日Dickerson結(jié)構(gòu)的差異處（1）在Dickerson的十二聚體中，兩個堿基之間的夾角可由28°至42°不等，實際平均每一圈含10.4個堿基對。分子大小的各參數(shù)也隨序列不同而有變動。（2）在Dickerson的十二聚體中，組成堿基對的兩個堿基的分布并非在同一平面上，而是堿基對沿長軸旋轉(zhuǎn)一定角度，從而使堿基對的形狀像螺旋槳葉片那樣，故稱為螺旋槳狀扭曲（propellertwisting）。這種結(jié)構(gòu)可提高堿基堆積力，使DNA結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

第三十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日Dickerson模型中堿基對的螺旋槳狀扭曲第三十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日不同類型的DNA雙螺旋

Watson和Crick模型代表DNA鈉鹽在較高濕度下（92%）制得的纖維的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)稱為B型。由于它的水分含量較高，可能比較接近大部分DNA在細胞中的構(gòu)象。DNA能以多種不同的構(gòu)象存在，除B型外通常還有A型、C型、D型、E型，以及左手螺旋的Z型。其中A型和B型是DNA的兩種基本的構(gòu)象，C型、D型、E型與B型類似，Z型則比較特殊。第三十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日A－DNA

在相對濕度75%以下獲得的DNA纖維的X射線衍射分析表明，這種DNA纖維具有不同于B型的結(jié)構(gòu)特點，稱為A型。A－DNA也是由兩條反向的多核苷酸鏈組成的右手雙螺旋，但螺體較寬而短，堿基對與中心軸有19°的傾角。RNA分子的雙螺旋區(qū)以及RNA－DNA雜合雙鏈也具有與A－DNA相似的結(jié)構(gòu)。

第三十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA雙螺旋的A、B、Z型第三十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA雙螺旋的大小溝

在A－DNA中，堿基對傾角大，并偏向雙螺旋的邊緣，給出一個深且狹的大溝和一個寬且淺的小溝。而B－DNA中大溝比小溝寬，但深度相近。Z－DNA只有小溝，沒有大溝。第三十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA雙螺旋的A、B、Z型A型B型Z型第四十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA中糖環(huán)的構(gòu)象

核糖的呋喃糖環(huán)并非平面，糖環(huán)上通常有一個或兩個原子偏離平面。若偏離的原子偏向C5’一側(cè)稱為內(nèi)式，若偏向另一側(cè)稱為外式。A型DNA的糖環(huán)為C3’內(nèi)式，B型為C2’內(nèi)式。A型B型第四十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA中堿基的順反構(gòu)象

堿基平面繞N－糖苷鍵旋轉(zhuǎn)就產(chǎn)生順式（syn）和反式（anti）構(gòu)象，反式構(gòu)象是指嘌呤的六元環(huán)或嘧啶的2位O遠離糖鏈方向，順式構(gòu)象是指它們靠近糖鏈方向。第四十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA中堿基的順反構(gòu)象

順式反式反式第四十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA中堿基的順反構(gòu)象B－DNA中堿基的反式構(gòu)象Z－DNA中堿基的順式構(gòu)象第四十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日B型DNA中堿基的反式構(gòu)象第四十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日Z－DNA

A.Rich在研究人工合成的d（CGCGCG）寡核苷酸結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)了DNA左手螺旋的結(jié)構(gòu)，它每12個堿基對為一圈，螺距4.56nm，只有小溝。dC是C2’內(nèi)式、堿基反式；dG是C3’內(nèi)式，堿基順式。磷酸和糖的骨架呈現(xiàn)Z字形走向。隨后發(fā)現(xiàn)天然DNA局部也有Z型結(jié)構(gòu)。Z型DNA的序列必須含鳥嘌呤，并且嘌呤堿和嘧啶堿交替出現(xiàn)。

各型DNA可在一定條件下相互轉(zhuǎn)變。

第四十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日B型DNA中的局部Z型結(jié)構(gòu)第四十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日A、B、Z型

DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較第四十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA三股螺旋

早在20世紀50年代雙螺旋發(fā)現(xiàn)之后不久，就觀察到了一些人工合成的寡核苷酸能夠形成三股螺旋（triplex），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸。K.Hoogsteen于1963年首先描述了三股螺旋結(jié)構(gòu)。在三股螺旋中，通常是一條同型寡核苷酸鏈與寡嘧啶核苷酸－寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合。第三股鏈的堿基可與Watson-Crick堿基對中的嘌呤堿形成Hoogsteen配對。第三股鏈與寡嘌呤核苷酸之間為同向平行。第四十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日Hoogsteen配對×3333第五十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA三股螺旋圖三股螺旋中的第三股可以來自分子間，也可以來自分子內(nèi)。

第五十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的三級結(jié)構(gòu)

DNA的三級結(jié)構(gòu)是指雙螺旋的DNA分子通過扭曲和折疊形成特定的構(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的拓撲特征。超螺旋是三級結(jié)構(gòu)的一種主要形式。

第五十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA超螺旋的產(chǎn)生

當DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構(gòu)象自由存在時，雙螺旋處于能量最低狀態(tài)，此為松弛態(tài)。如果使這種正常的DNA分子額外地多轉(zhuǎn)幾圈或少轉(zhuǎn)幾圈，就會使雙螺旋中存在張力。當雙螺旋分子的末端是開放的，這種張力可以通過鏈的轉(zhuǎn)動而釋放出來，DNA將恢復(fù)成正常的松弛態(tài)雙螺旋。但如果DNA分子的兩端是固定的，或者是環(huán)狀分子，這種額外的張力就不能釋放，DNA分子本身就會發(fā)生扭曲，用以抵消張力。這種扭曲稱為超螺旋。第五十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日電話線的超螺旋第五十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的三種形式

從生物體中分離出的DNA有三種形式：線狀DNA（linearDNA）共價閉合環(huán)DNA（covalentlyclosedcircularDNA，cccDNA）開環(huán)DNA（opencircularDNA，ocDNA）

cccDNA常以超螺旋形式存在，ocDNA和linearDNA為松弛態(tài)。

第五十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的三種形式linearDNAcccDNAocDNA第五十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的超螺旋形式第五十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日不同超螺旋程度的雙鏈環(huán)狀DNA超螺旋程度增加第五十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日cccDNA的一些重要拓撲學特性（1）連環(huán)數(shù)（linkingnumber）這是環(huán)狀DNA的一個很重要的特征。連環(huán)數(shù)指的是在雙螺旋DNA中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的圈數(shù)，以字母L表示。L值不同的相同DNA分子稱為拓撲異構(gòu)體。拓撲異構(gòu)酶可以催化拓撲異構(gòu)體之間的轉(zhuǎn)變。

第五十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日cccDNA的一些重要拓撲學特性（2）扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistingnumber）指DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)，以T表示。（3）超螺旋數(shù)（numberofturnsofsuperhelix）或纏繞數(shù)（writhingnumber）以W表示。

三者之間的關(guān)系為L=T+W第六十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日cccDNA的一些重要拓撲學特性（4）比連環(huán)差（specificlinkingdifference）以λ表示，用以表示DNA的超螺旋程度。λ=（L－L0）/L0

式中L為雙螺旋DNA分子的連環(huán)數(shù)，L0為同一DNA分子松弛狀態(tài)時的連環(huán)數(shù)。λ越大則超螺旋程度越高。天然環(huán)狀DNA分子一般都以負超螺旋構(gòu)象存在，超螺旋密度（即比連環(huán)差）大約在－0.05左右。

第六十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日拓撲異構(gòu)體的電泳圖同樣大小的DNAL值遞減1第六十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日環(huán)狀DNA的正超螺旋第六十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日環(huán)狀DNA的負超螺旋第六十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日環(huán)狀DNA的不同構(gòu)象負超螺旋為右手螺旋，正超螺旋為左手螺旋。第六十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日線狀DNA的負超螺旋L=-2,負超螺旋為左手螺旋，正超螺旋為右手螺旋。第六十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日染色體DNA中的超螺旋第六十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日拓撲異構(gòu)酶的作用

拓撲異構(gòu)酶有兩種類型，Ⅰ型酶能使雙鏈超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松弛型環(huán)狀DNA，每一次催化作用可消除一個負超螺旋，即使L值增加1。Ⅱ型酶剛好相反，可使松弛型環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負超螺旋DNA，每催化一次使L值減少2。

第六十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA的十字結(jié)構(gòu)有反向重復(fù)序列時可形成十字結(jié)構(gòu)第六十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日DNA與蛋白質(zhì)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)

生物體內(nèi)的核酸通常都與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，以核蛋白的形式存在。DNA存在于病毒顆粒中，細菌的擬核中，真核細胞的細胞核和線粒體、葉綠體中。由于DNA分子很長，必須以某種方式盤繞折疊后才能容納于上述結(jié)構(gòu)中。

第七十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日病毒的結(jié)構(gòu)噬菌體fd噬菌體T2動物病毒第七十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日細菌中的DNA第七十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日細菌擬核的突環(huán)結(jié)構(gòu)第七十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日黑腹果蠅染色質(zhì)的電鏡照片第七十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期日真核生物染色體的核小體結(jié)構(gòu)

染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位是核小體（nucleosome），