1、第13章 核酸的结构(Structure of nucleic acid)一、核苷酸一、核苷酸二、核酸的共价结构二、核酸的共价结构三、三、DNA的高级结构的高级结构四、四、RNA的高级结构的高级结构核酸的组成成分核糖核糖碱基碱基核苷酸核苷酸核糖核酸核糖核酸 RNA核苷核苷磷酸磷酸聚合聚合脱氧核糖脱氧核糖 碱基碱基 脱氧脱氧核苷酸核苷酸 脱氧脱氧核糖核酸核糖核酸 DNA脱氧脱氧核苷核苷磷酸磷酸聚合聚合一、核苷酸核酸中的碱基种类DNARNA嘌呤碱嘌呤碱腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤嘧啶碱嘧啶碱胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶嘌呤环和嘧啶环的结构核酸中的嘌呤和嘧
2、啶碱基酮式和烯醇式的互变异构稀有碱基几种嘌呤碱基 次黄嘌呤（次黄嘌呤（I I）黄嘌呤（黄嘌呤（X X）尿酸尿酸 茶叶碱茶叶碱 可可碱可可碱 咖啡碱咖啡碱核糖和脱氧核糖核糖（链式）核糖（链式）核糖（环式）核糖（环式）脱氧核糖（链式）脱氧核糖（链式）脱氧核糖（环式）脱氧核糖（环式）核苷(nucleoside)糖苷键糖苷键碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。DNA和RNA中的各种核苷核苷酸 (nucleotide)核苷酸 (nucleotide)5-5-腺苷酸腺苷酸 3-3-腺苷酸腺苷酸 2-2-腺腺苷酸苷酸多磷酸核苷酸环化核苷
3、酸（cAMP）（cGMP）二、核酸的共价结构53核酸中核苷酸的连接方式53核酸结构的简写式53两种磷酸二酯酶的水解位点三、DNA的高级结构 Chargaff 等在等在20世纪世纪40年代应用纸层析及年代应用纸层析及紫外分光光度技术测定各种生物紫外分光光度技术测定各种生物DNA的碱基组的碱基组成，结果发现，成，结果发现，DNA的碱基组成具有生物种的的碱基组成具有生物种的特异性。不同物种的特异性。不同物种的DNA有其独特的碱基组成，有其独特的碱基组成，而同一物种不同组织和器官的而同一物种不同组织和器官的DNA碱基组成是碱基组成是一样的，不受生长发育、营养状况以及环境条一样的，不受生长发育、营养状况
4、以及环境条件的影响。件的影响。DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff规则规则不同生物DNA的碱基组成不同生物DNA的碱基组成（1）A=T （2）G=C （3）嘌呤碱基的总数等于嘧啶）嘌呤碱基的总数等于嘧啶碱基的总数，即碱基的总数，即A+G=C+T。这个规则为。这个规则为Watson和和Crick提提出出DNA双螺旋结构提供了重要根据。双螺旋结构提供了重要根据。DNA的X光衍射图DNA的二级结构 1953年，年，Watson和和Crick提出了提出了DNA分子的分子的双螺旋模型，并因此双螺旋模型，并因此和威尔金斯一起分享了和威尔金斯一起分享了1962年的诺贝尔医学或生理学奖。年的诺贝尔医学或
5、生理学奖。DNA的二级结构DNA分子双螺旋模型具有以下特征：分子双螺旋模型具有以下特征：（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。（2）嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与）嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖形成的主链在外侧，碱基平面与纵轴垂直，核糖形成的主链在外侧，碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。两条链的配对偏向一侧，糖环平面与纵轴平行。两条链的配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟。形成一条大沟和一条小沟。DNA分子的双螺旋结构DNA的二级结构（3）双螺旋的平均直径为）双螺旋的
6、平均直径为2nm，两个相邻的碱，两个相邻的碱基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为两个核苷酸之间的夹角为36。因此，沿中心轴。因此，沿中心轴每旋转一圈有每旋转一圈有10个核苷酸，每一圈的高度（螺距）个核苷酸，每一圈的高度（螺距）为为3.4nm。（4）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起，键而结合在一起，A必须与必须与T配对，配对，G必须与必须与C配配对。对。AT之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，GC之间形成之间形成3个氢个氢键。键。（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限
7、）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但根据碱基配对的原则，当一条链上的碱基制，但根据碱基配对的原则，当一条链上的碱基序列确定后，另一条链上的碱基序列必须与之互序列确定后，另一条链上的碱基序列必须与之互补。两条链互为互补链。补。两条链互为互补链。配对碱基之间的氢键配对碱基之间的氢键碱基堆积力 The bases are stacked on the inside of the structure;these heterocyclic bases,as a consequence of their-electron clouds,are hydrophobic on their flat si
8、des.碱基堆积力使DNA成为双螺旋 DNA其它构象的发现 后来，后来，K.Dickerson等人用人工合成的多等人用人工合成的多聚脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行聚脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行X射射线衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与线衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与Watson和和Crick模型非常相似，但在结构上并模型非常相似，但在结构上并不像不像Watson-Crick模型那样均一。这是由于碱模型那样均一。这是由于碱基序列不同，以致在局部结构上有较大差异。基序列不同，以致在局部结构上有较大差异。Dickerson结构的差异处（1）在）在Dickerson的十二聚体中，两个
9、碱基之间的的十二聚体中，两个碱基之间的夹角可由夹角可由28至至42不等，实际平均每一圈含不等，实际平均每一圈含10.4个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变动。动。（2）在）在Dickerson的十二聚体中，组成碱基对的两的十二聚体中，组成碱基对的两个碱基的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长个碱基的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶片那样，故称为螺旋桨状扭曲（片那样，故称为螺旋桨状扭曲（propeller twisting）。这种结构可提高碱基堆积力，使
10、）。这种结构可提高碱基堆积力，使DNA结构更稳定。结构更稳定。Dickerson模型中碱基对的螺旋桨状扭曲不同类型的DNA双螺旋 Watson和和Crick模型代表模型代表DNA钠盐在较高湿度钠盐在较高湿度下（下（92%）制得的纤维的结构，该结构称为）制得的纤维的结构，该结构称为B型。型。由于它的水分含量较高，可能比较接近大部分由于它的水分含量较高，可能比较接近大部分DNA在细胞中的构象。在细胞中的构象。DNA能以多种不同的构象能以多种不同的构象存在，除存在，除B型外通常还有型外通常还有A型、型、C型、型、D型、型、E型，型，以及左手螺旋的以及左手螺旋的Z型。其中型。其中A型和型和B型是型是D
11、NA的两的两种基本的构象，种基本的构象，C型、型、D型、型、E型与型与B型类似，型类似，Z型型则比较特殊。则比较特殊。ADNA 在在相对湿度相对湿度75%以下获得的以下获得的DNA纤维的纤维的X射射线衍射分析表明，这种线衍射分析表明，这种DNA纤维具有不同于纤维具有不同于B型型的结构特点，称为的结构特点，称为A型。型。ADNA也是由两条反也是由两条反向的多核苷酸链组成的右手双螺旋，但螺体较宽向的多核苷酸链组成的右手双螺旋，但螺体较宽而短，碱基对与中心轴有而短，碱基对与中心轴有19的倾角。的倾角。RNA分子分子的双螺旋区以及的双螺旋区以及RNADNA杂合双链也具有与杂合双链也具有与ADNA相似的
12、结构。相似的结构。DNA双螺旋的A、B、Z型DNA双螺旋的大小沟 在在ADNA中，碱基对倾角大，并偏向中，碱基对倾角大，并偏向双螺旋的边缘，给出一个深且狭的大沟和一双螺旋的边缘，给出一个深且狭的大沟和一个宽且浅的小沟。而个宽且浅的小沟。而BDNA中大沟比小沟中大沟比小沟宽，但深度相近。宽，但深度相近。ZDNA只有小沟，没有只有小沟，没有大沟。大沟。DNA双螺旋的A、B、Z型A型型 B型型 Z型型DNA中糖环的构象 核糖的核糖的呋喃糖环并非平面，糖环上通常有一呋喃糖环并非平面，糖环上通常有一个或两个原子偏离平面。若偏离的原子偏向个或两个原子偏离平面。若偏离的原子偏向C5一侧称为内式，若偏向另一侧
13、称为外式。一侧称为内式，若偏向另一侧称为外式。A型型DNA的糖环为的糖环为C3内式，内式，B型为型为C2内式。内式。A型型B型型DNA中碱基的顺反构象 碱基平面碱基平面绕绕N糖苷键旋转就产生顺式糖苷键旋转就产生顺式（syn）和反式（）和反式（anti）构象，反式构象是指嘌）构象，反式构象是指嘌呤的六元环或嘧啶的呤的六元环或嘧啶的2位位O远离糖链方向，顺式远离糖链方向，顺式构象是指它们靠近糖链方向构象是指它们靠近糖链方向。DNA中碱基的顺反构象 顺式顺式 反式反式 反式反式DNA中碱基的顺反构象BDNA中碱基的反式构象中碱基的反式构象 ZDNA中碱基的顺式构象中碱基的顺式构象B型DNA中碱基的反
14、式构象ZDNA A.Rich在研究人工合成的在研究人工合成的d（CGCGCG）寡）寡核苷酸结构时发现了核苷酸结构时发现了DNA左手螺旋的结构，它每左手螺旋的结构，它每12个碱基对为一圈，螺距个碱基对为一圈，螺距4.56nm，只有小沟。，只有小沟。dC是是C2内式、碱基反式；内式、碱基反式；dG是是C3内式，碱基顺式。内式，碱基顺式。磷酸和糖的骨架呈现磷酸和糖的骨架呈现Z字形走向。随后发现天然字形走向。随后发现天然DNA局部也有局部也有Z型结构。型结构。Z型型DNA的序列必须含鸟的序列必须含鸟嘌呤，并且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。嘌呤，并且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。各型各型DNA可在一定条件下相互转变
15、。可在一定条件下相互转变。B型DNA中的局部Z型结构A、B、Z型 DNA结构参数的比较DNA三股螺旋 早早在在20世纪世纪50年代双螺旋发现之后不久，就观年代双螺旋发现之后不久，就观察到了一些人工合成的寡核苷酸能够形成三股螺旋察到了一些人工合成的寡核苷酸能够形成三股螺旋（triplex），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脱氧核糖），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。核苷酸。K.Hoogsteen于于1963年首先描述了三股螺年首先描述了三股螺旋结构。在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸旋结构。在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸链与寡嘧啶核苷酸寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结链与寡嘧啶核苷酸寡嘌呤核苷
16、酸双螺旋的大沟结合。第三股链的碱基可与合。第三股链的碱基可与Watson-Crick碱基对中的碱基对中的嘌呤碱形成嘌呤碱形成Hoogsteen配对。第三股链与寡嘌呤核配对。第三股链与寡嘌呤核苷酸之间为同向平行。苷酸之间为同向平行。Hoogsteen配对3333DNA三股螺旋图三股螺旋中的第三股三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子间，也可以来自分子内。可以来自分子内。DNA的三级结构 DNA的三级结构是指双螺旋的的三级结构是指双螺旋的DNA分子通过分子通过扭曲和折叠形成特定的构象，包括不同二级结构扭曲和折叠形成特定的构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相单元
17、间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用，以及互作用，以及DNA的拓扑特征。超螺旋是三级结的拓扑特征。超螺旋是三级结构的一种主要形式。构的一种主要形式。DNA超螺旋的产生 当当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如果使这种正常的果使这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转分子额外地多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放
18、出来，出来，DNA将恢复成正常的松弛态双螺旋。但如将恢复成正常的松弛态双螺旋。但如果果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外的张力就不能释放，这种额外的张力就不能释放，DNA分子本身就会分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋。电话线的超螺旋DNA的三种形式 从生物体中分离出的从生物体中分离出的DNA有三种形式：有三种形式：线状线状DNA（linear DNA）共价闭合环共价闭合环DNA（covalently closed circular DNA，cccDNA）开环开环DNA（open c
19、ircular DNA，ocDNA）cccDNA常以超螺旋形式存在，常以超螺旋形式存在，ocDNA和和linear DNA为松弛态。为松弛态。DNA的三种形式linear DNA cccDNA ocDNADNA的超螺旋形式不同超螺旋程度的双链环状DNA超螺旋程度增加超螺旋程度增加cccDNA的一些重要拓扑学特性（1）连环数（）连环数（linking number）这是环状）这是环状DNA的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋DNA中，一条链中，一条链以右手螺旋以右手螺旋绕另一条链缠绕的绕另一条链缠绕的圈数，以字母圈数，以字母L表示。表示。L值不同的相同
20、值不同的相同DNA分分子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化拓扑子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化拓扑异构体之间的转变。异构体之间的转变。cccDNA的一些重要拓扑学特性（2）扭转数（）扭转数（twisting number）指）指DNA分子分子中的中的Watson-Crick螺旋数，以螺旋数，以T表示。表示。（3）超螺旋数（）超螺旋数（number of turns of superhelix）或缠绕数（或缠绕数（writhing number）以）以W表示。表示。三者之间的关系为三者之间的关系为 L=T+W cccDNA的一些重要拓扑学特性（4）比连环差（）比连环差（specific li
21、nking difference）以）以表示，表示，用以表示用以表示DNA的超螺旋程度。的超螺旋程度。=（LL0）/L0 式中式中L为双螺旋为双螺旋DNA分子的连环数，分子的连环数，L0为同一为同一DNA分子松弛状态时的连环数。分子松弛状态时的连环数。越大则超螺旋程越大则超螺旋程度越高。天然环状度越高。天然环状DNA分子一般都以负超螺旋构象分子一般都以负超螺旋构象存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在0.05左右。左右。拓扑异构体的电泳图同样大小的同样大小的DNA L值递值递减减1环状DNA的正超螺旋环状DNA的负超螺旋环状DNA的不同构象负超螺旋为右手螺旋，
22、正超螺旋为左手螺旋。负超螺旋为右手螺旋，正超螺旋为左手螺旋。线状DNA的负超螺旋L=-2,负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。染色体DNA中的超螺旋拓扑异构酶的作用 拓扑异构酶有两种类型，拓扑异构酶有两种类型，型酶能使双链型酶能使双链超螺旋超螺旋DNA转变成松弛型环状转变成松弛型环状DNA，每一次催，每一次催化作用可消除一个负超螺旋，即使化作用可消除一个负超螺旋，即使L值增加值增加1。型酶刚好相反，可使松弛型环状型酶刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成转变成负超螺旋负超螺旋DNA，每催化一次使，每催化一次使L值减少值减少2。DNA的十字结构有反向重复
23、序列时可形成十字结构有反向重复序列时可形成十字结构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，以核蛋白的形式存在。复合物，以核蛋白的形式存在。DNA存在于病存在于病毒颗粒中，细菌的拟核中，真核细胞的细胞核和毒颗粒中，细菌的拟核中，真核细胞的细胞核和线粒体、叶绿体中。由于线粒体、叶绿体中。由于DNA分子很长，必须分子很长，必须以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。病毒的结构噬菌体噬菌体fdfd噬菌体噬菌体T2T2动物病毒动物病毒细菌中的细菌中的DNA细菌拟核的突环结构黑腹果蝇染色质的电镜
24、照片真核生物染色体的核小体结构 染色质的基本结构单位是核小体（染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），核），核小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白H2A、H2B、H3和和H4各各2个组成，个组成，DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕1.8圈，共圈，共146bp。核小体之间连接。核小体之间连接DNA的长度随不同核小的长度随不同核小体而略有不同，平均每个核小体占体而略有不同，平均每个核小体占DNA200bp。真核生物染色体DNA组装的不同层次的结构四、RNA的高级结构tRNA tRNA在蛋白质生物合成中具有转运氨基在蛋
25、白质生物合成中具有转运氨基酸和识别密码子的作用，它携带特定的氨基酸酸和识别密码子的作用，它携带特定的氨基酸通过反密码子与密码子的识别，按照遗传密码通过反密码子与密码子的识别，按照遗传密码的规定合成肽链，将遗传信息从的规定合成肽链，将遗传信息从RNA传到蛋白传到蛋白质。细胞内的质。细胞内的tRNA种类很多，每一种氨基酸种类很多，每一种氨基酸都有对应的一种或几种都有对应的一种或几种tRNA。tRNA三叶草形二级结构模型不同的不同的tRNA由由7394个核苷酸组成个核苷酸组成氨基酸臂氨基酸臂二氢二氢 U U 环环（D 环）环）TCTC 环环额外环额外环（可变环）（可变环）反密码子环反密码子环反密码子反密码子二氢尿嘧啶核苷和假尿嘧啶核苷结构式二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷DHU tRNA的三级结构tRNA的三级结构反密码子环反密码子环二氢二氢 U U 环环（D D 环）环）TCTC 环环氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环（可变环）（可变环）16SrRNA和5S rRNA的二级结构
