第十三章核酸的结构

第十三章核酸的结构

一、核苷酸

二、核酸的共价结构

三、 DNA 的高级结构

四、 RNA 的高级结构

楚雄师范学院化学与生命科学系范树国

Nitrogenous base

Pentose sugar

HOCH2

H

OH

Doxyribose (in DNA)

HOCH2

HO

OH

Ribose (in RNA)

Phosphate

Pyrimidines

Cytosine Thymine Uracil

C UT

Purines

Adenine Guanine

A G

核苷酸

磷酸核苷

戊糖碱基

一、核苷酸


假尿苷（）二氢尿嘧啶（ DHU ） Am

CH3

CH3H3C

m26G

H

H5

HH

几种稀有核苷


核苷酸的生物学功能

♣ 作为核酸的单体♣ 细胞中的携能物质（如 ATP、 GTP、 CTP、 UTP ）

♣ 酶的辅助因子的结构成分（如 NAD）♣ 细胞通讯的媒介（如 cAMP、 cGMP）


二、核酸的共价结构

三、 DNA 的高级结构（一） Chargaff 规律 1950 年

（ 1）所有生物的 DNA 中， A=T ， G=C ， A+C=G+T ，且 A+G=C+T 。（ 2） DNA 的碱基组成具有种的特异性。（ 3） DNA 碱基组成没有组织和器官的特异性。（ 4）年龄、营养状况、环境等因素不影响 DNA 的碱基组成。


（二） DNA 的二级结构

DNA 的 Na 盐纤维和 DNA 晶体的 X光衍射分析（ Franklin ）


DNA 的双螺旋模型特点（ 1 ）两条反向平行的多聚核苷酸链沿一

个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。

（ 2 ）磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按 A—T， G—C配对（碱基配对原则， Chargaff定律）

（ 3）螺旋直径 2nm ，相邻碱基平面垂直距离 0.34nm, 螺旋结构每隔 10 个碱基对（ base pair, bp ）重复一次，间隔为3.4nm 。

大沟：宽 1.2nm ，深 0.85nm ；小沟：宽 0.6nm ，深 0.75nm 。


大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链之间 ,而大沟位于相毗邻的双股之间。


碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行；

两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起；

螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持。

稳定双螺旋结构的因素

①碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。②碱基配对的氢键。 GC含量越多，越稳定。③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于 DNA 稳定。

④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。


DNA 的双螺旋结构的意义

该模型揭示了 DNA 作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是 DNA 复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是上世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。


（ 1 ） B-DNA：典型的 Watson-Crick 双螺旋 DNA

右手双螺旋每圈螺旋 10.4 个碱基对螺距： 3.32nm（ 2） A-DNA右手双螺旋，外形粗短。RNA-RNA 、 RNA-DNA 杂交分子具有这种结构。

（ 3） Z-DNA左手螺旋，外形细长。天然 B-DNA 的局部区域可以形成 Z-DNA 。


A B Z

外型粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径 2.55 nm 2.37 nm 1.84 nm

碱基直升 0.23 nm 0.34 nm 0.38 nm

碱基夹角 32.70 34.60 60.00

每圈碱基数 11 10.4 12

轴心与碱基对关系

2.46 nm 3.32 nm 4.56 nm

碱基倾角 190 10 90

大沟很窄很深很宽较深平坦小沟很宽、浅窄、深较窄很深

三股螺旋 DNA K. Hoogsteen 1963通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸 - 寡嘌呤核苷酸双

螺旋的大沟结合：oligo(Py) : oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中间是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤

第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按 Hoogsteen 配对。

T= A : A , C≡G ： C+

T = A : T C≡G ： G


DNA 三股螺旋结构常出现在 DNA 复制、转录、重组的起始位点或调节位点，如启动子区。第三股链的存在可能使一些调控蛋白或 RNA 聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。


（三） DNA 的三级结构

三级结构是指 DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象。

超螺旋是 DNA 三级结构的主要形式。


超螺旋

螺旋和超螺旋电话线

螺旋


L=25,T=25,W=0

松弛环形

1

15

20

10

5

23

L=23,T=23,W=0

解链环形

1

5

1015

20

23

1 5 10 15 20 25

L=23,T=25,W=–2负超螺旋

1

214

823 16

13

1 5 10 15 20 23

右手旋转拧松两匝后的线形 DNA

DNA 超螺旋的形成

①连环数（ linking number , L）DNA 双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数

②扭转数（ twisting number , T ）DNA 分子中的 Watson-Crick 螺旋数目，以 T 表示

③超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W）

L=T+W

连环数（ L）缠绕数（ T）扭曲数W松驰环 25 25 0

解链环 23 23 0

超螺旋 23 25 -2


④比连环差（ specific linking difference , λ）

表示 DNA 的超螺旋程度 (Superhelix density)

λ= （ L—L0） /L0 = 每一圈初级螺旋（ 10bp ， 360°）出现超螺旋数

L0是指松驰环形 DNA 的 L值

负超螺旋 DNA 是由于两条链的缠绕不足引起（ L），很易解链，易于参加 DNA 的复制、重组和转录等


拓扑异构酶

改变 DNA拓扑异构体的 L值。

①拓扑异构酶酶 I（解旋酶）能使双链负超螺旋 DNA转变成松驰形环状 DNA ，每次催化使 L值增加 1 。

②拓扑异构酶酶 II（促旋酶）能使松驰环状 DNA转变成负超螺旋形 DNA ，每次催化使 L减少 2 。



DNA双链重新连接

DNA双链穿过

DNA的释放

重复起始

DNA双链断裂

DNA超螺旋结构形成的意义

使 DNA 形成高度致密状态从而得以装入核中；

推动 DNA 结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。


（四） DNA 与蛋白质复合物的结构

生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，

以核蛋白（ nucleoprotein）的形式存在。　

DNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有

限的空间中。


1.病毒噬菌体 T2结构

头部

颈圈

尾部基板

尾丝

尖钉

动物病毒切面模式图

被膜（脂蛋白、碳水化合物）

衣壳（蛋白质）核酸

突起（糖蛋白）病毒粒

细菌拟核（ nucleoid ）的突环结构

DNA- 蛋白质核心

突环由双链 DNA 结合碱性蛋白质组成

平均一个突环含有约 40kpDNA

2. 细菌的拟核

3.真核生物的染色体

组蛋白与DNA的结合

真核生物染色体 DNA 组装不同层次的结构

DNA （ 2nm ）

核小体链（ 11nm ，每个核小体 200bp）

纤丝（ 30nm ，每圈 6 个核小体）

突环（ 150nm ，每个突环大约 75000bp）

玫瑰花结（ 300nm ， 6 个突环）

螺旋圈（ 700nm ，每圈 30 个玫瑰花）

染色体（ 1400nm ，

每个染色体含 10 个螺旋圈

四、 RNA 的结构（一） RNA 的一级结构AMP 、 GMP 、 CMP 、 UMP 通过 3’、 5’磷酸二酯键形成的线形多聚体。

①组成 RNA 的戊糖是核糖②RNA 的 U 替代 DNA 中的 T，此外， RNA 中常有一些稀有碱基。③天然 RNA 分子都是单链线形分子，只有部分区域是

双螺旋结构。

（二） tRNA 的高级结构

★ 70-90b ，分子量在 25kd 左右，沉降系数 4S 左右

★有较多稀有碱基

★3’末端为… CCA-OH

★ 5’末端大多为 pG…或 pC…

★二级结构是三叶草形

★倒 L形的三级结构



酵母 tRNA Ala 的二级结构

DHU 环

I G C

反密码子

反密码环

氨基酸臂

可变环TψC环

CC

A Ala3´

5´

★tRNA 的功能：●转运氨基酸

●识别密码子

●参与翻译起始

●参与 DNA 的反转录

●参与基因表达调控


（三） rRNA 的高级结构

细菌： 16S rRNA 、 5S rRNA 、 23S rRNA 组成 30S转录单位

真核： 18SrRNA 、 5.8S rRNA ， 28S rRNA 组成 45S的转录单位， 5S rRNA 单独转录。

★rRNA 的功能：

●组成核糖体

●催化肽键形成的转移酶活性存在于 23SrRNA 上

●参与 tRNA 与 mRNA 的结合


16SrRNA

（四） mRNA 的结构

原核：多顺反子（ polycistronic mRNA)

真核：单顺反子，断裂基因（ splited gene)


原核细胞 mRNA 的结构特点

5´ 3´

顺反子顺反子顺反子

插入顺序插入顺序先导区末端顺序

★由先导区、插入序列、翻译区和末端序列组成。没有 5´ 帽子和 3´polyA 。

★SD序列： 5´ 端先导区中，有一段富含嘌呤的碱基序列，典型的为 5´-AGGAGGU-3´ ，位于起始密码子 AUG前约 10 核苷酸处，此序列由 Shine 和 Dalgarno 发现，称 SD序列。

★SD序列和核糖体 16S的 rRNA 的 3´末端富含嘧啶碱基的序列互补。

真核细胞 mRNA 的结构特点

AAAAAAA-OH

5´ “ 帽子” PolyA 3´

单顺反子

m7G-5´ppp-N-3 ´ p


●由甲基化酶催化

●可抵抗 5´核酸外切酶降解 mRNA 。

●可为核糖体提供识别位点，使 mRNA很快与核糖体结合，促进蛋白质合成起始复合物的形成。

5′ 帽子：


3′ 端有一段约 30-300 核苷酸的 polyA：

●转录后由 poly(A)聚合酶催化加尾

●PolyA 是 mRNA由核进入胞质所必需的形式。

●polyA 与 mRNA半寿期有关， PolyA 大大提高 mRNA在胞质中的稳定性。


RNA 几乎总是单链的。但几乎每个 RNA 分子都有许多短的双螺旋部分，称为发夹。这是因为在发夹中，一条 RNA 链上的两个节段是反向平行的，可形成碱基对而产生双螺旋区。此外，除了标准的 GC 和 AU对之外，还有较弱的 GU对可帮助形成单链 RNA 的二级结构。一个细胞中含有许多不同的 RNA 子，其长度可从少至 50 个核苷酸到大至数万个核苷酸不等。这些几乎总是线性单链 RNA 分子，极少有环状RNA 分子。

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第十三章 核酸的结构

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