第13章核酸的结构.ppt

一、元素组成,主要元素组成：C、H、O、N、P(911%),与蛋白质比较，核酸一般不含S，而P的含量较为稳定，占9-11%。,二、基本构成单位：核苷酸(nucleotide),核苷酸由戊糖、磷酸和含氮碱三部分构成,第13章 核酸的结构,一、核苷酸(一)碱基,（1）嘧啶碱（pyrimidine,Py）,（2）嘌呤碱（purine,Pu）,其它嘌呤（核酸的代谢产物）：黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸等,稀有碱基,大多出现在tRNA中 次黄嘌呤(I)二氢尿嘧啶(D)假尿嘧啶()5-甲基胞嘧啶(m5C)1-甲基腺嘌呤(m1A)N6-N6甲基腺嘌呤(m26A),胺式亚胺式互变异构,酮式烯醇式互变异构,碱基的结构特征,嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260 nm左右）。,组成核酸的戊糖,组成核酸的戊糖有两种：,(二)核苷 nucleoside,糖与碱基之间以 C-N键，称为 N-糖苷键 嘌呤核苷：糖C1-N9 碱，嘧啶核苷：糖C1-N1碱,碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）,次黄苷,脱氧核糖核苷,2修饰核苷（modified nucleoside）：也称稀有核苷（minor nucleoside）,修饰核苷包括三种情况:（1）由修饰碱基和糖组成的核苷（2）由非修饰碱基和2-O-甲基核糖组成的核苷（3）由碱基与糖连接方式特殊的核苷,稀有核苷酸,修饰成分,核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。,“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷,假尿苷（）1,C5-糖苷键,还有一些核苷，它们的碱基不是嘌呤环，但可把它们看作是鸟苷的衍生物，如Y核苷、Q核苷。,取代基用下列小写英文字母表示:,核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脱氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP,核苷酸,2，3，5一核糖核苷酸,(2-AMP),(3-AMP),(5-AMP),3，5一脱氧核糖核苷酸,Deoxyadenosine 3-monphosphate(3-dAMP),Deoxyadenosine 5-monphosphate(5-dAMP),脱氧（核糖）核苷酸（deoxyribonucleotide）：,体内重要的游离核苷酸及其衍生物,含核苷酸的生物活性物质：NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD 等都含有 AMP,多磷酸核苷酸：NMP，NDP，NTP,环化核苷酸:cAMP，cGMP,AMP,cAMP,作为第二信使参与细胞信号传递。,第二节核酸的共价结构一、核酸中核苷酸的连接方式,核酸中核苷酸的排列顺序。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。,核酸中核苷酸的连接方式：通过 3，5 磷酸二酯键连接。,碱基序列从左到右表示5 3,a位,b位,5PAPCPGPCPTPGPTPA 3 或 5 ACGCTGTA 3,一级结构表示方法,竖线式,文字式,(一)DNA的一级结构,指脱氧核糖核苷酸序列.直线形或环形无分支多聚体。生物的遗传特征：基因：指DNA分子中最小的功能单位。基因组：某生物体所含全部基因。大小表示：如108 bp 真核生物DNA存在有三类核苷酸序列：高度重复、中度重复和单一序列。,碱基组成分析Chargaff 规则：A=T；G C,碱基的理化数据分析：A-T、G-C以氢键配对较合理,DNA纤维的X-线衍射图谱分析,DNA双螺旋结构的研究背景,DNA的高级结构,一.DNA的二级结构双螺旋结构,二、DNA的空间结构,（一）DNA的二级结构（secondary structure）,1、碱基组成规则(Chargaff规则),A=T，G=C；A+G=T+C(嘌呤与嘧啶的总数相等),有种属特异性,无组织、器官特异性,不受年龄、营养、性别及其他环境等影响,DNA分子由两条DNA单链组成。DNA的双螺旋结构是分子中两条DNA单链之间基团相互识别和作用的结果。双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。,DNA双螺旋结构的特点,double helix model,DNA双螺旋结构的要点,（1）DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5端3端，而另一条链的方向为3端5端。,（2）嘌呤和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,（3）螺旋横截面的直径约为2nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈的高度）为3.4 nm。,（4）维持两条DNA链相互结合的力是链间碱基对形成的氢键。碱基结合具有严格的配对规律:A与T结合，G与C结合，这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。在DNA分子中，嘌呤碱基的总数与嘧啶碱基的总数相等。,（5）螺旋表面形成大沟(major groove)及小沟(minor groove)，彼此相间排列。小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。（6）氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性。,（二）二级结构：双螺旋结构模型(double helix model),1、Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DNA),（1）反平行双链：脱氧核糖-磷酸骨架位于外侧，碱基对位于内侧,（2）碱基互补配对：AT配对（两个氢键），GC配对（三个氢键）；碱基对平面垂直纵轴,（3）右手双螺旋：螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，10bp/圈,（4）表面功能区：小沟较浅；大沟较深，是蛋白质识别DNA碱基序列的基础,（5）维持结构稳定的力量：氢键维持双链横向稳定，碱基堆积力维持螺旋纵向稳定,3、其他螺旋形式,Z-DNA（左手双螺旋）A-DNA,稳定双螺旋结构的作用力为氢键、碱基堆积力（疏水作用）和环境中正离子的作用。,双螺旋分子中糖分子与纵轴平行，与碱基平面垂直。,碱基的配对使得双螺旋DNA分子在复制时以半保留的形式进行,（三）DNA双螺旋分子结构的不同类型（受环境影响而改变）主要有三种，分别命名为A、B 和 C型。其中 B 型与Watson-Crick提出的模型一致，A和 C 型在低相对湿度的条件下形成，它们的螺距都比B型要短，A型DNA的结构与DNA和RNA的杂合链相似。Z型 DNA（新发现）首先在富含GC的DNA短片段中发现，后用抗体证明天然DNA中也有，它是一种左手螺旋，在细胞中可能与基因表达的调控有关。,二级结构因环境条件而改变几种DNA钠盐,A-DNA：相对湿度75%每周11个核苷酸对，粗短,Z-DNA：左手螺旋每周12个核苷酸对，细长,B-DNA：相对湿度92%每周10.4个核苷酸对,A.Rich在研究d(CGCGCGCG)寡聚体的结构时，发现它为左手螺旋，称为ZDNA。天然BDNA和ZDNA可相互转变。,（四）DNA分子的三螺旋结构(H-DNA)在DNA分子中，镜像重复序列可以回折，形成三螺旋结构。三螺旋结构配对方式必须符合Hoogsteen配对模型：A或T与A=T配对中的A配对；G或C与G=C碱基对中的G配对,C必须质子化与G的N7形成两个氢键。三股螺旋：第三股来自分子间或分子内。H-DNA：P490,DNA双螺旋的稳定性,DNA双螺旋结构在生理条件下很稳定。维持这种稳定性的因素包括：两条DNA链之间形成的氢键，碱基堆积力。双螺旋结构内部形成的疏水区，消除了介质中水分子对碱基之间氢键的影响；介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）中和了磷酸基团的负电荷，降低了DNA链之间的排斥力等。改变介质条件和环境温度，将影响双螺旋的稳定性。,天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在1061010。大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为1.4106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小。黑腹果蝇最大染色体由6.2107bp组成，长2.1cm多瘤病毒的DNA由5100bp组成，长1.7mm,H-DNA:三条链局部螺旋,（二）DNA的三级结构,双螺旋进一步扭曲,形成一种比双螺旋更高层次的空间构象。包括：线状DNA形成的纽结、超螺旋和多重螺旋、环状DNA形成的结、超螺旋和连环等.,三、DNA的三级结构（一）正螺旋和负螺旋 负超螺旋-右旋；正超螺旋-左旋。,大多数原核生物：1）共价封闭的环状双螺旋分子2）超螺旋结构：双螺旋基础上的螺旋化,正超螺旋(positive supercoil):盘绕方向与双螺旋方同相同负超螺旋(negative supercoil):盘绕方向与双螺旋方向相反,超螺旋结构(superhelix 或supercoil)DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。正超螺旋(positive supercoil)左手超螺旋，是B-DNA加剧螺旋形成的超螺旋，非自然选择，不利于基因表达。负超螺旋(negative supercoil)右手超螺旋，是B-DNA减弱螺旋形成的超螺旋，自然选择，利于基因表达。,意义DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。,DNA双螺旋为右手螺旋。细胞中的环状DNA一般呈负超螺旋，即右手螺旋不足导致部分碱基不能形成配对，分子通过整体拓扑学上的右旋来补足右手螺旋的不足，在数学上呈1：1，即分子整体右旋一圈来补双螺旋上的一圈不足。正超螺旋为双螺旋旋转过度，通过分子整体的左旋来解开过度的螺旋。,（二）White方程：L=T+WL（Linking nnmber）：链环数或称拓扑环绕数，指cccDNA中一条链绕另一条链的总次数。其特点是：（1）L是整数；（2）在cccDNA中任何拓扑学状态中其值保持不变；（3）右手螺旋的L取正值。W（Writhing number）：扭曲数，即超螺旋数。其特点是：（1）可以是非整数；（2）是变量；（3）右手螺旋时，W取负值。T（Twisting number）：缠绕数，即双螺旋的圈数。其特点是：（1）可以是非整数；（2）是变量；（3）右手螺旋时T为正值。,超螺旋的量度可以用超螺旋密度来表示：=（L-T）/T 在天然DNA中，约为-0.05，大约20个双螺旋有1个超螺旋。,松驰环形,正超螺旋（左旋）,解链环形,负超螺旋（右旋）,天然存在的DNA多为负超螺旋（易解链，便于复制、转录）,（三）DNA在真核生物细胞核内的组装,核小体(nucleosome)：由DNA和组蛋白构成。,DNA：以负超螺旋缠绕在组蛋白上,组蛋白核心：H2B,H2A,H3,H4,H1组蛋白在核小体之间,DNA的存在形式,核小体的电镜照片,（a）核小体的结构图，左图为沿核小体轴观察的图示；右图为沿核小体轴垂直方向观察的图示；（b）一半核小体的结构图。,（三）DNA的功能,DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。,基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。,三、RNA的分子结构,RNA的结构特点,RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一定等于嘧啶的总数。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称为“发夹型”结构。在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U 配对。G-U 配对形成的氢键较弱。不同类型的RNA,其二级结构有明显的差异。tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类碱基大部分位于突环部分.,（一）信使RNA的结构与功能,*真核生物mRNA的结构特点,1.大多数真核mRNA的5末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C2也是甲基化，形成帽子结构：m7GpppNm-。,2.大多数真核mRNA的3末端有一个多聚腺苷酸(polyA)结构，称为多聚A尾。,内含子(intron),外显子(exon),*真核生物mRNA成熟过程,mRNA核内向胞质的转位mRNA的稳定性维系翻译起始的调控,帽子结构和多聚A尾的功能,*mRNA的功能 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。,（二）tRNA的结构与功能,*tRNA的一级结构特点 含 1020%稀有碱基，如 DHU 3末端为-CCA-OH 5末端大多数为G 具有 TC,双氢尿嘧啶(DHU),假尿嘧啶(),次黄嘌呤(I),*tRNA的二级结构三叶草形 氨基酸臂 DHU环 反密码环 额外环 TC环,氨基酸臂,额外环,*tRNA的功能：活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译。,1、分子较小，含较多的稀有碱基和非标准碱基配对,2、5端一般为鸟嘌呤核苷酸，3端为CCA-OH3。,3、二级结构为“三叶草”型（cloverleaf pattern）,小结,反密码环：反密码环中部的三个碱基可以与mRNA的三联体密码形成碱基互补配对，解读遗传密码，称为反密码子（anticodon）。I常出现于反密码子中,氨基酸臂：3末端的CCA-OH3单链用于连接该tRNA转运的氨基酸。,二氢尿嘧啶环（DHU）：识别氨酰-tRNA合成酶,TC环：识别核蛋白体（核糖体）,4、“倒L”型三级结构,（三）rRNA的结构与功能,核蛋白体的组成,*rRNA的功能:组成核蛋白体，作为蛋白质合成的场所。,（四）其他小分子RNA及RNA组学,除了上述三种RNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非mRNA小RNA(small non-messenger RNAs,snmRNAs),或非编码蛋白质的RNA(non-coding RNA,ncRNA)。,种类：核内小RNA；核仁小RNA；胞质小RNA；催化性小RNA；小片段干涉 RNA,功能：参与hnRNA和rRNA的加工和转运。ncRNA在在基因表达以及应激信号传导等方面起着重要的调节作用。因此，有人也将其称为调节RNA（regulatory RNA）。,小片段干扰RNA（siRNA；又称“引导RNAs”，guide RNAs）：一些小的双链RNA可以高效、特异的阻断体内特定基因表达，促使mRNA降解，诱使细胞表现出特定基因缺失的表型，称为RNA干扰（RNA interference，RNAi，也译作RNA干预或干涉）。它是体内抵御外在感染的一种重要保护机制。,RNAi的作用机制：包括起始阶段和效应阶段。（1）在起始步骤，生物宿主将外源基因表达的双链RNA进行切割，产生具有特定长度（19-21nt）和序列的小片段RNA；（2）在RNAi效应阶段，siRNA双链结合一个核酶复合物从而形成所谓RNA诱导沉默复合物（RISC）。激活RISC需要一个ATP依赖的将siRNA解双链的过程。激活的RISC通过碱基配对定位到同源mRNA转录本上，并在距离siRNA3端12个碱基的位置切割mRNA。,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:,