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1、第5章 核酸的结构,Nucleic Acid,核酸（DNA和RNA）是线性多聚核苷酸， 基本结构单元是核苷酸 DNA与RNA结构相似，组成成份上略有不同,核酸的组成,核酸,核苷酸,水 解,核 酸,代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；,代表碱基,代表磷酸基,核苷酸,一、核苷酸（nucleotide),（一） 碱基,嘌呤碱：腺嘌呤、鸟嘌呤 嘧啶碱：胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶 稀有碱基：,嘌呤环,嘧啶环,（1）嘌呤碱,（2）嘧啶碱,(uracil),(cytosine),(thymine),RNA,DNA,尿嘧啶 U,胸腺嘧啶 T,胞嘧啶 C,鸟嘌呤 G,腺嘌呤 A,胺式亚胺式互变异
2、构,酮式烯醇式互变异构,（3）稀有碱基,嘌呤次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、 N2、N2-二甲基鸟嘌呤。 嘧啶5-甲基胞嘧啶、5-羟甲基胞嘧啶、 二氢尿嘧啶、4-巯尿嘧啶 都是基本碱基的化学修饰型,（二）核苷：核糖+碱基,DNA含-D-2-脱氧核糖 RNA含-D-核糖,核苷 nucleoside,糖与碱基之间的C-N键：C-N糖苷键，且都是糖苷键。 C1N1（嘧啶） C1N9（嘌呤） 碱基与糖环平面垂直。,核苷 nucleoside,（三） 核苷酸,磷酸,碱基,戊糖,H2O,H2O,碱基,磷酸,戊糖,核苷键,酯键,核苷酸,碱基连接（核苷键）,酯 键,（对DNA为H）,1,2,3,4,5,八种核苷酸
3、,M/单，D/二，T/三；P-磷酸 RNA的名称为单/二/三苷酸， DNA在单/二/三前加脱氧两字。 如AMP称腺苷一磷酸(或腺苷酸） dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸） 稀有核苷酸与上类似,（四）核苷酸的衍生物,生物体内分布最广和最重要的一种核苷酸衍生物。,（1）ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸),ATP的性质,是重要的能量转换中间体 ATP含两个高能磷酸键：水解时 可释放大量自由能，推动体内各种需能反应。 ATP也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。,(2)GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),生物体内游离存在，也是一种高能化合物 具有类似ATP的
4、结构 主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体 在许多情况下, ATP 和 GTP 可以相互转换,（3）cAMP 和 cGMP,cAMP 3,5环腺嘌呤核苷一磷酸 cGMP 3,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸 细胞间信使 cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键：pH 7.4时水解能约为43.9 kJ /mol，比 ATP 水解能高得多。,二、 核酸的共价结构,DNA一级结构是指DNA上的核苷酸排列顺序。 (核苷酸相当于氨基酸、单糖的角色）,（一）DNA的一级结构,脱H2O 脂键相连,3，5-磷酸二酯键,首,尾,（1）核苷酸间以3-5磷酸二酯键相连 （2）一端称为5-磷酸端（5-P表示） 一端称为3-
5、羟基端（3-OH表示） （3）多聚核苷酸链具有方向性，表示时， 需注明方向：53或是35,DNA一级结构的简写形式,A,核苷酸,首端,末端,pApCpTpG -pA-C-T-G,核苷酸顺序又称碱基顺序,（二） RNA的一级结构,核糖核苷酸通过磷酸二酯键相连形成的长链,研究最多：tRNA、rRNA及一些小分子RNA。 1、tRNA分子特点： 约由7393个核苷酸组成 分子中含有较多的修饰成分（10-20%） 3-末端都具有CCAOH的结构 5-末端磷酸化，常为G（pC）,RNA一级结构特点,tRNA的功能： 结合活化氨基酸（ 3-CCA-OH ），搬运氨基酸到核糖体； 识别mRNA密码子。 参与
6、蛋白质的翻译。,5末端帽子结构：m7GpppN 3末端有多聚腺苷酸尾巴结构(polyA) 单顺反子（一条mRNA链上有一个编码区）,2、mRNA一级结构的特点：,（1）真核细胞mRNA,真核生物mRNA的共价结构,帽子结构,帽子结构：识别翻译起始 polyA：维持mRNA的稳定性,功能,原核生物mRNA为多顺反子，无修饰碱基。 多顺反子mRNA(polycistronic mRNA)：一条mRNA链上有多个编码区,（2）原核细胞mRNA,mRNA的功能 蛋白质合成的模板。,* rRNA的种类（根据沉降系数）,真核生物 5S rRNA 28S rRNA 5.8S rRNA 18S rRNA,原核
7、生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA,3、rRNA一级结构特点,rRNA的功能 作为核糖体的骨架； 催化肽键的形成。,4、其他小分子RNA及RNA组学,除上述三种RNA外的其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs, snmRNAs)。,1、snmRNAs,核内小RNA（snRNA） 核仁小RNA （snoRNA） snmRNAs 胞质小RNA （scRNA） 催化性小RNA（即ribozyme） 小片段干涉 RNA （siRNA）,snmRNAs的功能 参与hnRNA和rRNA的加工和转运。,核不均一RNA,RNA组
8、学研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能。同一生物体内不同种类的细胞、同一细胞在不同时间、不同状态下snmRNAs的表达具有时间和空间特异性。,RNA组学：,（一）DNA双螺旋结构的研究背景,碱基组成分析 Chargaff 规则：A = T G C 嘌呤碱 = 嘧啶碱,已知核酸的化学结构,DNA纤维的X-射线衍射图谱分析,三、DNA的高级结构,Chargaff DNA碱基组成具有： 生物种的特异性； 无组织/器官特异性； 不受生长发育、营养状况及环境条件的影响。,Chargaff规则： （1）A=T （2）G=C （3）A+C=G+T （4）A+G=C+T,其他组合易相互排斥 如 G:T,
9、DNA 一 股 的 核 苷 酸 序 列 与 另 一 股 的 序 列 互 补：A-T、G-C,(二）DNA二级结构B型双螺旋,James Watson (left) and Francis Crick, 1953,大 部 分 DNA 所 具 有 的 双 螺 旋 结 构 ， 亦 称 为 B 型,反向、平行、右手螺旋2 链间碱基配对相连 每10个碱基对螺旋上升一周 疏水碱基位于内部 相邻碱基平面互相平行， 垂直于螺旋轴,（1）两条反向平行的 多核苷酸链围绕 同一中心轴缠绕， 为右手螺旋。,1、结构特征,（2） 碱基位于双螺旋的内侧， 磷酸和核糖在外侧， 通过3，5磷酸二酯键构成骨架。 碱基平面与纵轴
10、垂直， 糖环平面与纵轴平行。 大沟：宽1.2nm，深0.85nm，小沟：宽0.6nm，深0.75nm。,（3）主要参数,双螺旋的直径为2nm， 碱基堆积距离为0.34nm， 两个核苷酸之间的夹角36， 每圈螺旋含10个核苷酸，螺距3.4nm。,（4）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而结合。 AT GC （5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则，一条核苷酸链序列可决定另一条互补链的序列。,双螺旋的补充： （1）夹角和碱基对的数目变化 （2）碱基对沿长轴旋转一定的角度,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
11、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。,2、稳定双螺旋结构的因素,3、DNA双螺旋结构的多样性,DNA的类型 类型 结晶状态 螺距 碱基距离 每圈 旋转 (nm) (nm) bp数 方向 A 相对湿度75% 2.8 0.256 11 右手 DNA钠盐 B 相对湿度92% 3.4 0.34 10 右手 DNA钠盐 C 相对湿度66% 3.1 0.332 9.3 右手 DNA锂盐 Z d(GCGCGC) 4.44 0.37 12 左手,4、三股螺旋DNA K. Hoogsteen 196
12、3,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),P 490 图13-11 H-DNA的结构,DNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象。 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互作用 DNA的拓扑特征 超螺旋是DNA三级结构的主要形式。,（三）DNA的三级结构,环形DNA,一条链断裂：开环分子（ocDNA) 两条链断裂：线型分子 (linear DNA),1、 环状DNA的三种典型构象,（1）、 松弛环形DNA （2）、 解链环形DNA （3）、 正超螺旋与负超螺旋DNA,MO
13、V : PBCA0267501supercoiling of DNA,2、 三种环形DNA的拓扑学特性,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 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
14、L0是指松驰环形DNA的L值,3、 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。,真核细胞染色体的DNA念珠状三级结构,（四）DNA与蛋白质的复合体,1、染色体,（H2A、H2B、H3、H4）2,RNA通常是单链线形分子 自身回折形成局部双螺旋（二级结构） 进而折叠（三级结构） 多数形成核蛋白复合物（四级结构）， 如核糖体、拼接体、编辑体等。 RNA病毒是具有感染性的RNA复合物,四、RNA的高级结构,RNA中的碱基配对原则 A-U G-C,氨基酸臂：由7对bp组成，富含G， 末端为CCA，接受活化AA 二氢尿嘧啶环（D环）： 由812个核苷酸组成 反密码环：识别密码子 额外环：大小是tRNA分类的重要指标 假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核苷环 （T C环）,1、二级结构,（一）tRNA的高级结构,tRNA的三叶草型二级结构,1,2,3,叶子,反密码子环,反密码子,载运氨基酸,臂,稀有碱基,四环四臂,2、tRNA的三级结构,tRNA的三级结构：倒“L”形,核糖体：rRNA+蛋白质 催化肽键合成的是rRNA ， 蛋白质维持rRNA构象，起辅助作用,（二）rRNA的高级结构,大肠杆菌16s rRNA,
