《核酸的结构》课件.ppt

第14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,核苷 nucleoside,稀有核苷：1、2-0-甲基-核糖-核苷 2、稀有碱基 DHU 3、连接方式（假尿嘧啶核苷）,假尿苷，pseudouridine，,（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,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,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,H,H,H,H,H,H,H,（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-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35,一、核酸的一级结构,定义 核酸分子中核苷酸的连接方式以及核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。主链：戊糖磷酸骨架位于外侧侧链：碱基对位于内侧方向：3,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。参与蛋白质的翻译。,5末端帽子结构：m7GpppN3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 rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA,原核生物5S rRNA23S rRNA16S 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,ChargaffDNA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,碱基互补配对,T,A,C,G,G-C pair,held together by three hydrogen bonds A-T pair,held together by two hydrogen bonds,DNA 一 股 的 核 苷 酸 序 列 与 另 一 股 的 序 列 互 补：A-T、G-C,Franklin,Rosalind Elsie(1920-58),British biophysicist.Born in London,she was educated in physical chemistry at Newnham College,Cambridge.Franklin conducted X-ray diffraction studies on the structure of the DNA molecule,the carrier of hereditary information,while working in the laboratory of British biophysicist Maurice Wilkins.This work enabled American biochemist James Dewey Watson and the British Francis Crick to determine the helical structure of the DNA molecule.,(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 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),图13-11 H-DNA的结构,基因表达调控的机制之一,四股螺旋DNA分子,G-四碱基体，在真核生物染色体端粒DNA中，富含TTGGGG,以Hoogsteen氢键连接，形成G G碱基对反平行四螺旋结构，稳定染色体结构,结 构 特 点,Linked by Hoogsteen Bonding 61 72,2 poly(T4G4)2 poly(G4C4),结 构 特 点,GGGGTTTGGGGTTTGGGGTTT,真核生物染色体端粒DNA结构,G-quadruplex,可能的功能,A 稳定真核生物染色体结构,B 保证DNA末端准确复制,C 与DNA分子的组装有关,D 与染色体的meiosis&mitosis 有关,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,超螺旋结构DNA,leads to left-handed superhelix,positive supercoiled,Leads to right-handed superhelix,所有生物的DNA几乎 有5%为 Negative Superhelix,Negative Supercoiled,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。,l 拓扑异构酶(topoisomerase I,II)参与构型的改变,Top I对负超螺旋处的单链DNA具有极强的亲合力,Top II,Top I can not act on positively supercoiled DNA,消除负超螺旋,引入负超螺旋,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,含拓扑异构酶（及H1）与DNA复制及转录有关,2、原核细胞的拟核 3、病毒 4、核糖体,RNA和蛋白质核心,突环由双链DNA结合碱性蛋白质所组成,细菌拟核的突环结构,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,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。参与蛋白质的翻译。,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,（三）其它RNA的高级结构,