1、第五章第五章核核酸酸生物化学生物化学 一、DNA的结构一级结构：一级结构：脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序。二级结构：二级结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成 的双螺旋结构。三级结构：三级结构：DNA双链进一步折叠卷曲形成的构象 （超螺旋）。第三节 核酸的结构DNA的一级结构(一一).DNA的分子大小与形状的分子大小与形状碱基对数目碱基对数目总长度总长度(mm) 形态形态多瘤病毒多瘤病毒SV40M13FdP4T7T2,T4,T6枝原体枝原体大肠杆菌大肠杆菌酵母酵母果蝇果蝇人人南美肺鱼南美肺鱼5.11035226640764081.51043.5104485021.81057.6105
2、41061.351071.651082.91091.0210110.00170.00180.00190.00190.00511.0120.0160.0610.261.364.65699034,700环状环状环状环状环状环状环状环状线状线状线状线状线状线状线状线状环状环状环状环状7对染色体对染色体4对染色体对染色体23对染色体对染色体19对染色体对染色体DNA的一级结构Chargaff规则规则:1.在所有的生物在所有的生物DNA中中,A=T,G=C或或A+G=T+C,这这就是就是DNA碱基的当量定律碱基的当量定律,即即Chargaff规则规则.2.DNA的碱基组成有种的特异性的碱基组成有种的特异
3、性,但在同一生物体但在同一生物体内无组织特异性内无组织特异性.3.DNA的碱基不随年龄的碱基不随年龄,营养状态的变化而变化营养状态的变化而变化,即即稳定性稳定性. (二二).DNA的碱基组成的碱基组成NNNNNH2OHOHHHHHOPO-OONNH2ONOHOHHHHHOPOH-OODNA的一级结构535NNNNNH2OHHHHHOPO-OONNH2ONOHOHHHHHOPO-OO3,5-磷酸二酯键磷酸二酯键53核酸是核酸是核苷酸核苷酸以磷酯以磷酯键连结键连结成的长链分子成的长链分子P R P R P R P R P R P R5123456（三）（三）.DNA的一级结构的一级结构核酸长链书写
4、PRB3251ATCGATCGPOH535 pApTpCpGpApTpCpG-OH 35 pATCGATCG-OH3ATCGATCGJuang RH (2004) BCbasicsDNA中多核苷酸的一个片段及缩写符号 P483 竖线式竖线式文字式文字式两股核酸的方向相反5 pCpGpApTpCpGpApT-OH 35 pApTpCpGpApTpCpG-OH 35335Juang RH (2004) BCbasicsATCGATCGGCTAGCTA是不同的序列.蛇毒磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得5-核苷酸核苷酸牛脾磷酸二酯酶水解DNA（RNA）得3-核苷酸核苷酸DNA是dAMP、dGMP、dC
5、MP、dTMP通过3、5-磷酸二酯键连接起来的线形或环形多聚体。DNA的一级结构（三）（三）.DNA的一级结构的一级结构ATCGATCGPOH53P482PPPPPPP蛇毒磷酸二酯酶蛇毒磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶牛脾磷酸二酯酶Judson (1996) The Eighth Day of Creation19621953年，Watson和Crick根据Chargaff 规律和DNA Na盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。DNA的二级结构双螺旋结构DNA的Na盐纤维和DNA晶体的X光衍射分析。Franklin1、二级结构的阐明、二级结构的阐明、两条反平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠
6、绕，形成右手双股螺旋，一条53，另一条35Watson-Crick双螺旋结构双螺旋结构模型模型(B-DNA)P486图13-5、磷酸与脱氧核糖彼此通过3、5-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。、磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。、两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起，A与T相配以，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。、碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行、螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持、每圈螺旋有10个核苷酸 ，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm，、大沟：宽1.2nm ，深0.85nm，、小沟 ：宽0.6nm，深0.75nm、碱基在
7、一条链上的排列顺序不受任何限制。当一条多核苷酸链的序列被确定后，互补链的序列确定。这表明，遗传信息由碱基的序列所携带。 DNA DNA结构双螺旋结构的提出，被认为是本世结构双螺旋结构的提出，被认为是本世纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自纪生命科学史最重要的贡献之一，同时也是自然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗然科学史上的重大贡献。它直接解释了生物遗传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此传信息的传递与表达的规律，使生命科学从此进入一个崭新的时代即进入一个崭新的时代即分子生物学时代。分子生物学时代。DNA的二级结构双螺旋结构2、稳定双螺旋结构的因素、稳定双螺旋结构的因素碱基堆积力碱基
8、堆积力形成疏水环境（主要因素） 。碱基配对的氢键氢键。GC含量越多，越稳定。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。DNA的二级结构双螺旋结构 核酸骨架的自由度比蛋白质高 Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.337Juang RH (2004) BCbasics3、DNA二级结构的多型性二级结构的多型性P489 DNA的二级结构双螺旋结构DNA双螺旋的不同类型双螺旋的不同类型类型类型旋转旋转方向方向螺旋螺旋直径直径(nm)螺距螺距
9、(nm)每匝碱每匝碱基对数基对数目目碱基对碱基对间垂直间垂直距离距离碱基对碱基对与水平与水平夹角夹角A-DNA右右2.552.46110.23190B-DNA右右2.373.3210.40.3410Z-DNA左左1.844.56120.38904、三股螺旋、三股螺旋DNAK. Hoogsteen1963 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H-DNA：绞链DNA是一种分子内折叠形成的三股螺
10、旋 p490T=A:A,CG：C+T=A:TCG：G三股螺旋三股螺旋DNA中的中的Hoogsteen-bondingP489-490 第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按第三股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对配对uDNA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。u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。三股螺旋三股螺旋DNA四股四股DNA可能存在于真核细胞染色体的端粒中可能存在于真核细胞染色体的端粒中u DNA的三级结构是指DNA分子在双螺旋双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的特定构象。u 包括不
11、同二级结构单元间的相互作用相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓的拓扑扑特征。u 超螺旋超螺旋是DNA三级结构的主要形式。DNA的三级结构1、环状、环状DNA的三种典型构象的三种典型构象P491（1）松弛环形）松弛环形DNA：线形DNA直接环化（2）解链环形）解链环形DNA：线形DNA拧松后再环化（3）正超螺旋与负超螺旋）正超螺旋与负超螺旋DNADNA的三级结构三种环状DNA分子具有相同的结构，但是拓扑构象不同，称它们为拓扑异构体拓扑异构体。连环数（连环数（linkingnumber,L）DNA双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数扭转数（扭转数（twistingnum
12、ber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示超螺旋数（缠绕数超螺旋数（缠绕数,writhingnumber,W）比连环差（比连环差（）表示）表示DNA的超螺旋程度的超螺旋程度连环数（L）缠绕数（T）扭曲数W松驰环25250解链环23230超螺旋2325-2L=T+W2、三种环形、三种环形DNA的拓扑学特性的拓扑学特性DNA的三级结构3、拓扑异构酶、拓扑异构酶改变DNA拓扑异构体的L值。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。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。DN
13、A的三级结构基因组DNA与蛋白质结合形成染色体（染色质）染色体（染色质）（1）整个病毒可以看成游离的染色体）整个病毒可以看成游离的染色体组成：组成：核酸、蛋白、脂类、糖类基因组：基因组：单链或双链的DNA（或RNA），多数环状形状：形状：丝状、多面体状、（2）细菌染色体的结构）细菌染色体的结构拟核，拟核，nucleoid 细菌基因组多数为双链环状DNA ，与碱性蛋白、RNA结合，形成带有无数突环的刷状染色体。p494DNA与蛋白质复合物的结构 p492（3）真核生物染色体的结构）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构u 染色体的基本结构单位是核小体核小体。核小体是由DNADNA和组组蛋
14、白蛋白组成的。u 组蛋白有五种五种H1,H2A,H2B,H3,H4,后四种各两分子构成一个八聚体八聚体，其外再由双螺旋DNA绕其旋转1.75圈(为DNA的三级结构)，约含140bp 。称为核小体的核心颗核小体的核心颗粒粒(core particle)。两个核心颗粒之间由一段双螺旋DNA链(约60bp)相连，称为连接部连接部。组蛋白H1结合在此部位。若干个核小体再螺旋形成核小体纤维，再进一步螺旋化形成染色体。从双螺旋DNA到染色体，DNA总共压缩了约800080001000010000倍倍.（3）真核生物染色体的结构）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构核小体的结构核小体的结构（3）真
15、核生物染色体的结构）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构6个核小体念个核小体念珠绕成珠绕成30nm纤丝（纤丝（fiber)（3）真核生物染色体的结构）真核生物染色体的结构DNA与蛋白质复合物的结构纤丝扭曲变成突环突环（loop)，约75000bp。六个突环一个玫瑰花结玫瑰花结（rosette)。进而组装成螺旋圈螺旋圈(coil)，由螺旋圈再组装成染色单体（染色单体（chromatid)。p405 染色体的结构层次 核酸紧密缠绕在组蛋白上面Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.230Stryer (1995)
16、 Biochemistry (4e) p.980DNADNA一级结构的不均一性一级结构的不均一性1.1.重复序列重复序列1)1)高度重复序列高度重复序列2-10bp/copy, 105-106 copies/genome多为串联重复排列分布于着丝点、端粒区、结构基因两侧2)2)中度重复序列中度重复序列0.1-1Kb/copy10-104 copies/genome多为间隔重复rDNAtDNAHistone gene cluster3)3)单拷贝序列（单拷贝序列（single copy sequence)single copy sequence)真核生物DNA的序列特点真核生物DNA的序列特点2
17、.2.回文结构（序列）回文结构（序列）(invertedrepeat,palindromesequence)u 较长的回文结构，可形成茎环结构(发夹结构)或十字形结构。u 较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。转录的终止作用与回文结构有关。真核生物DNA的序列特点回文序列中的单回文序列中的单链可形成发卡结构链可形成发卡结构双链回文序列可双链回文序列可形成十字架结构形成十字架结构3 3）镜象结构）镜象结构 所谓镜象结构就是指所谓镜象结构就是指DNADNA某一片段在一条链上出某一片段在一条链上出现现颠倒重复颠倒重复的序列的序列。真核生物DNA的序列特点多嘌呤多嘌呤- -
18、多嘧啶的镜象多嘧啶的镜象序列序列可形成可形成三螺旋三螺旋结构结构(H-(H-螺旋或螺旋或HoogsteenHoogsteen螺螺旋旋): ): 该螺旋常处在许该螺旋常处在许多真核细胞基因的表达多真核细胞基因的表达调节区。可能与调节区。可能与基因表基因表达的调节达的调节有关有关. .真核细胞的内含子（Intron）与 外显子（Exon）mRNADNA53cappoly Atailexonexonexonintronintronmature mRNAProcessingTranscriptionSplicingpromotor35都在细胞核中进行start codonstop codon送至细胞质
19、去除 intronJuang RH (2004) BCbasicsIntron的发现Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.992Roberts, Sharp (1993) First intron第三节 核酸的结构二、RNA的结构（一）（一）RNA的碱基组成的碱基组成1.由A,U,G,C四种碱基组成.2.含有较多的稀有碱基.3.大部分的RNA中,AU;GC.4.mRNA的碱基组成与DNA非常相似(U代替T),有人称D-RNA.5.在tRNA中,由于双螺旋结构较多,基本上A=U;G=C.在一些双链RNA病毒
20、中,A=U;G=C.（二）（二）RNA的一级结构的一级结构P483AMP、GMP、CMP、UMP通过3、5磷酸二 酯键形成的线形多聚体。 组成RNA的戊糖是核糖。 天然RNA分子都是单链线形分子，只有部分 区域是A-型双螺旋结构。第三节 核酸的结构二、RNA的结构 RNA 很容易被水解而断裂 断 裂RNaseNelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.176Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.35微碱1、mRNA的结构的结构原核：多顺反子原核：多顺反子,即一条即一条mRNA链上有
21、多个编码区。链上有多个编码区。真核：单顺反子真核：单顺反子第三节 核酸的结构（二）（二）RNA的一级结构的一级结构非翻译区非翻译区（UTR）2、真核、真核mRNA的结构的结构p484第三节 核酸的结构（二）（二）RNA的一级结构的一级结构5帽子 5非编码区编码区3非编码区 3poly(A)m7G5ppp5Nm(Nm)甲基化鸟苷酸经焦磷酸与mRNA5末端核苷酸相连。翻译起始控制抑制因子结合AUG起点UGA终点UAAUAG抑制因子结合定位信号AAAAA-OH5-帽子帽子：m7G 5-ppp5-Nm（ Nm ）p-O型： m7G 5 -ppp5-Np- :核糖未甲基化I： m7G 5 -ppp5-N
22、mp-Np- ：一个核苷酸甲基化II: m7G 5 -ppp5-Nmp -Nmp -Np-：二个核苷酸甲基化甲基鸟苷5，5-三磷酸m表示甲基化表示甲基化3-端端有一段约有一段约30-300核苷酸的聚腺苷酸核苷酸的聚腺苷酸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。3、原核、原核mRNA的结构（多顺反子）的结构（多顺反子）u 由先导区、插入序列、翻译区和末端序列组成。没有5帽子和3polyA。u 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-AGGAGG
23、U-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。u 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。第三节 核酸的结构（二）（二）RNA的一级结构的一级结构1、tRNA的一级结构的一级结构u 70-90b，分子量在25kd左右，沉降系数4S左右u 有较多稀有碱基u 3末端为CCA-OHu 5末端大多为pG或pCu 二级结构是三叶草形第三节 核酸的结构（三）（三）RNA的高级结构的高级结构单链单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多多“茎茎”多多“环环”结结构构，螺旋部分称为“茎”或“臂”，非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对
24、，G与C配对。2、三叶草形的二级结构、三叶草形的二级结构TC环（假尿嘧啶环）环（假尿嘧啶环）氨基酸臂氨基酸臂二氢尿嘧啶环二氢尿嘧啶环反密码环反密码环额外环额外环3 3、tRNAtRNA的的 三级结构：三级结构： 倒倒LL形形所有的所有的tRNAtRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的这有利于携带的氨基酸的tRNAtRNA进入核糖体的特定部位。进入核糖体的特定部位。 tRNA的功能：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4、rRNA的结构的结构细菌： 16S 、5S 、23S rRNA组成30S转录单位真核：18S、 5.8S，28S rRNA组成45S的转录单位，5S rRNA单独转录。小亚基大亚基转录单位原核1652330真核185（单独转录）285.85 + 45第三节 核酸的结构（三）（三）RNA的高级结构的高级结构P498
