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1、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,Nitrogenous base,Pentose sugar,Phosphate,一、核苷酸,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
2、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AT，GC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
3、 ：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 碱基堆积力形成疏水环境（主要因素） 。 碱基配对的氢键。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。 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DN
4、A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
5、 左手,螺旋直径 2.55nm 2.37nm 1.84nm,碱基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm,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,2.46nm 3.32nm 4.56nm,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
6、股与寡嘌呤之间同向平行，并按Hoogsteen配对。,T= A : A , CG ： C+ T = A : T CG ： 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=23,T=23,W=0,解链环形,1,5,10,15,20,23,DNA超螺旋的形成,连环数（linking number , L）
7、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（twisting number , T） DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目，以T表示 超螺旋数（缠绕数 , writhing number , W）,L=T+W,比连环差（specific linking difference , ） 表示DNA的超螺旋程度(Superhelix density) =（LL0）/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
8、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。,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,动
9、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,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
10、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。 组成RNA的戊糖是核糖 RNA的U替代DNA中的T，此外，RNA中常有一些稀有碱基。 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,3,5,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： 16
11、S 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,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。 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-AGGA
12、GGU-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,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。,
