生物化学第三章核酸的结构与功能课件.ppt

第三章核酸核酸（核酸（Nucleic acid）是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。和传递遗传信息。和传递遗传信息。和传递遗传信息。DNADNA（D Deoxyriboeoxyribon nucleic ucleic a acidcid）脱氧核糖核酸）脱氧核糖核酸）脱氧核糖核酸）脱氧核糖核酸 存在于细胞核和线粒体，存在于细胞核和线粒体，存在于细胞核和线粒体，存在于细胞核和线粒体，携带遗传信息，并通过复携带遗传信息，并通过复携带遗传信息，并通过复携带遗传信息，并通过复制传递给下一代。制传递给下一代。制传递给下一代。制传递给下一代。RNARNA（R Riboibon nucleic ucleic a acidcid）核糖核酸）核糖核酸）核糖核酸）核糖核酸 分布于细胞核、细胞质、线粒体，是分布于细胞核、细胞质、线粒体，是分布于细胞核、细胞质、线粒体，是分布于细胞核、细胞质、线粒体，是DNADNA转录的产转录的产转录的产转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒RNARNA也可也可也可也可作为遗传信息的载体。作为遗传信息的载体。作为遗传信息的载体。作为遗传信息的载体。3.1 3.1 核酸的组成成分核酸的组成成分元素组成元素组成元素组成元素组成 主要元素组成：主要元素组成：主要元素组成：主要元素组成：C C、HH、OO、N N、P P（911%911%）蛋白质比较，核酸一般不含蛋白质比较，核酸一般不含蛋白质比较，核酸一般不含蛋白质比较，核酸一般不含S S，而，而，而，而P P的含量较为稳的含量较为稳的含量较为稳的含量较为稳定，占定，占定，占定，占9-11%9-11%。基本构成单位：核苷酸基本构成单位：核苷酸基本构成单位：核苷酸基本构成单位：核苷酸(nucleotide)(nucleotide)-戊糖（戊糖（戊糖（戊糖（riboseribose）：核糖，脱氧核糖）：核糖，脱氧核糖）：核糖，脱氧核糖）：核糖，脱氧核糖 -碱基（碱基（碱基（碱基（basebase）：嘌呤碱，嘧啶碱）：嘌呤碱，嘧啶碱）：嘌呤碱，嘧啶碱）：嘌呤碱，嘧啶碱 -磷酸（磷酸（磷酸（磷酸（phosphatephosphate）核酸（核酸（核酸（核酸（DNADNA和和和和RNARNA）核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷核苷和脱氧核苷磷酸磷酸磷酸磷酸戊糖戊糖戊糖戊糖碱基碱基碱基碱基嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶核糖核糖核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖3.1.1 3.1.1 戊糖戊糖（DNADNA含含含含脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖；RNARNA含含含含核糖核糖核糖核糖）3.1.2 3.1.2 含氮碱含氮碱碱基碱基嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶存在于存在于DNADNA和和RNARNA中中仅存在于仅存在于RNARNA中中仅存在于仅存在于DNADNA中中两类核酸中除了以上各四种碱基的核苷酸外，还两类核酸中除了以上各四种碱基的核苷酸外，还两类核酸中除了以上各四种碱基的核苷酸外，还两类核酸中除了以上各四种碱基的核苷酸外，还有一些其他修饰碱基，通常含量很少，所以称为有一些其他修饰碱基，通常含量很少，所以称为有一些其他修饰碱基，通常含量很少，所以称为有一些其他修饰碱基，通常含量很少，所以称为稀有碱基。稀有碱基。稀有碱基。稀有碱基。核酸中的稀有碱基是核酸生物合成后修饰产物。核酸中的稀有碱基是核酸生物合成后修饰产物。核酸中的稀有碱基是核酸生物合成后修饰产物。核酸中的稀有碱基是核酸生物合成后修饰产物。RNARNA中，特别是中，特别是中，特别是中，特别是tRNAtRNA中含有较多的稀有碱基如中含有较多的稀有碱基如中含有较多的稀有碱基如中含有较多的稀有碱基如二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（DD）、）、）、）、1-1-甲基次黄嘌呤（甲基次黄嘌呤（甲基次黄嘌呤（甲基次黄嘌呤（mm1 1I I）、）、）、）、次黄嘌呤（次黄嘌呤（次黄嘌呤（次黄嘌呤（I I）、假尿嘧啶（）、假尿嘧啶（）、假尿嘧啶（）、假尿嘧啶（）等。）等。）等。）等。嘌呤（嘌呤（嘌呤（嘌呤（PuPu）嘧啶（嘧啶（嘧啶（嘧啶（PyPy）（1 1）嘌呤碱）嘌呤碱）嘌呤碱）嘌呤碱（2 2）嘧啶碱）嘧啶碱）嘧啶碱）嘧啶碱4-4-硫尿嘧啶硫尿嘧啶硫尿嘧啶硫尿嘧啶二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（二氢尿嘧啶（D D）（3 3）碱基的互变异构体）碱基的互变异构体）碱基的互变异构体）碱基的互变异构体酮酮式式烯烯醇醇式式互互变变异异构构胺胺式式亚亚胺胺式式互互变变异异构构3.1.3 3.1.3 核苷核苷戊糖戊糖戊糖戊糖和和和和含氮碱含氮碱含氮碱含氮碱生成的糖苷生成的糖苷生成的糖苷生成的糖苷 DNA DNA含含含含-D-2-D-2-脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖脱氧核糖 RNA RNA含含含含-D-D-核糖核糖核糖核糖糖与碱基之间的糖与碱基之间的糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-NC-N键：键：键：键：C-NC-N糖苷糖苷糖苷糖苷键，且都是键，且都是键，且都是键，且都是 糖苷键糖苷键糖苷键糖苷键 C1 C1N1N1（嘧啶）（嘧啶）（嘧啶）（嘧啶）C1C1N9N9（嘌呤）（嘌呤）（嘌呤）（嘌呤）碱基与糖环平面垂直碱基与糖环平面垂直碱基与糖环平面垂直碱基与糖环平面垂直（1 1）核苷（）核苷（）核苷（）核苷（ribonucleosideribonucleoside）嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤N-9N-9或嘧啶或嘧啶或嘧啶或嘧啶N-1N-1与核糖与核糖与核糖与核糖C-1C-1通过通过通过通过-N-N-糖苷键糖苷键糖苷键糖苷键相连形成相连形成相连形成相连形成核苷：核苷：核苷：核苷：ARAR，GRGR，URUR，CRCR（2 2）脱氧核苷（）脱氧核苷（）脱氧核苷（）脱氧核苷（deoxyribonucleosidedeoxyribonucleoside）嘌呤嘌呤嘌呤嘌呤N-9 N-9 或嘧啶或嘧啶或嘧啶或嘧啶N-1N-1与脱氧核糖与脱氧核糖与脱氧核糖与脱氧核糖C-1C-1通过通过通过通过-N-N-糖苷键相连形成糖苷键相连形成糖苷键相连形成糖苷键相连形成脱氧核苷：脱氧核苷：脱氧核苷：脱氧核苷：dARdAR，dGRdGR，dTRdTR，dCRdCR（3 3）稀有核苷）稀有核苷）稀有核苷）稀有核苷假尿苷，假尿苷，假尿苷，假尿苷，pseudouridinepseudouridine，3.1.4 3.1.4 核苷酸核苷酸核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）苷酸（脱氧核苷酸）苷酸（脱氧核苷酸）苷酸（脱氧核苷酸）核苷的磷酸酯，磷酸位于核苷的磷酸酯，磷酸位于核苷的磷酸酯，磷酸位于核苷的磷酸酯，磷酸位于C C5 5 核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。核苷酸的组成：含氮碱基、戊糖和磷酸。核苷酸的其他形式核苷酸的其他形式核苷酸的其他形式核苷酸的其他形式 多磷酸核苷（多磷酸核苷（多磷酸核苷（多磷酸核苷（NDPNDP、NTPNTP），环化核苷酸（），环化核苷酸（），环化核苷酸（），环化核苷酸（cAMPcAMP、cGMPcGMP等）等）等）等）辅酶或辅基（辅酶或辅基（辅酶或辅基（辅酶或辅基（NADNAD、NADPNADP、FADFAD、CoACoA等，均含有等，均含有等，均含有等，均含有AMPAMP）活性代谢物（活性代谢物（活性代谢物（活性代谢物（UDPGUDPG、CDP-CDP-胆碱等）胆碱等）胆碱等）胆碱等）5-5-磷酸磷酸磷酸磷酸-脱氧核糖核苷和脱氧核糖核苷和脱氧核糖核苷和脱氧核糖核苷和5-5-磷酸磷酸磷酸磷酸-核糖核苷核糖核苷核糖核苷核糖核苷 pA pA，pTpT，pGpG，pCpC，pUpU分别表示相应的分别表示相应的分别表示相应的分别表示相应的5 5-核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸 除了除了除了除了5 5-核苷酸外，还有核苷酸外，还有核苷酸外，还有核苷酸外，还有3 3-核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸用用用用ApAp，TpTp，GpGp，CpCp，UpUp表示表示表示表示 生物体内游离的生物体内游离的生物体内游离的生物体内游离的2 2-核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸较少，用较少，用较少，用较少，用Gp2Gp2 表示相应的表示相应的表示相应的表示相应的 2 2-核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸八种核苷酸八种核苷酸八种核苷酸八种核苷酸腺腺腺腺嘌嘌嘌嘌呤呤呤呤A A鸟鸟鸟鸟嘌嘌嘌嘌呤呤呤呤GG胞胞胞胞嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶C C尿尿尿尿嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶U U胸腺胸腺胸腺胸腺嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶T TRNARNA AMPAMPGMPGMPCMPCMPUMPUMP未未未未发现发现发现发现DNADNAdAMPdAMPdGMPdGMPdCMPdCMP未未未未发现发现发现发现dTMPdTMPM/M/单，单，单，单，D/D/二，二，二，二，T/T/三；三；三；三；P-P-磷酸磷酸磷酸磷酸RNARNA的名称为单的名称为单的名称为单的名称为单/二二二二/三苷酸，三苷酸，三苷酸，三苷酸，DNADNA在单在单在单在单/二二二二/三前加脱氧两字。三前加脱氧两字。三前加脱氧两字。三前加脱氧两字。如：如：如：如：AMPAMP称腺苷一磷酸（或腺苷酸）称腺苷一磷酸（或腺苷酸）称腺苷一磷酸（或腺苷酸）称腺苷一磷酸（或腺苷酸）dAMP dAMP称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）称为脱氧腺苷一磷酸（脱氧腺苷酸）稀有核苷酸与上类似稀有核苷酸与上类似稀有核苷酸与上类似稀有核苷酸与上类似核苷酸的其他形式核苷酸的其他形式核苷酸的其他形式核苷酸的其他形式cAMPcAMP3 3,5,5-环腺苷环腺苷环腺苷环腺苷细胞间信使细胞间信使细胞间信使细胞间信使 cAMPcAMP 3 3,5,5-环腺嘌呤核苷一磷酸环腺嘌呤核苷一磷酸环腺嘌呤核苷一磷酸环腺嘌呤核苷一磷酸 cGMPcGMP 3 3,5,5-环鸟嘌呤核苷一磷酸环鸟嘌呤核苷一磷酸环鸟嘌呤核苷一磷酸环鸟嘌呤核苷一磷酸 cAMP cAMP 和和和和 cGMP cGMP 的环状磷酯的环状磷酯的环状磷酯的环状磷酯键是一个高能键：键是一个高能键：键是一个高能键：键是一个高能键：pH 7.4pH 7.4时水时水时水时水解能约为解能约为解能约为解能约为43.9 kJ/mol43.9 kJ/mol，比，比，比，比 ATP ATP 水解能高得多。水解能高得多。水解能高得多。水解能高得多。辅酶辅酶辅酶辅酶NADNAD+辅酶辅酶辅酶辅酶NADPNADP+AMPAMPADPADPATPATPATPATP是重要的能量转换中间体是重要的能量转换中间体是重要的能量转换中间体是重要的能量转换中间体ATPATP含含含含两个两个两个两个高能磷酸键：水解时可释放大量自由能，高能磷酸键：水解时可释放大量自由能，高能磷酸键：水解时可释放大量自由能，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。推动体内各种需能反应。推动体内各种需能反应。推动体内各种需能反应。ATPATP也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活也是磷酰化剂：磷酰化的底物具较高能量（活也是磷酰化剂：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。化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。化分子），是许多生物化学反应的激活步骤。GTPGTP游离存在于生物体内，也是一种高能化合物游离存在于生物体内，也是一种高能化合物游离存在于生物体内，也是一种高能化合物游离存在于生物体内，也是一种高能化合物,具具具具有类似有类似有类似有类似ATPATP的结构的结构的结构的结构主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体主要是作为蛋白质合成中磷酰基供体在许多情况下在许多情况下在许多情况下在许多情况下,ATP,ATP 和和和和 GTP GTP 可以相互转换可以相互转换可以相互转换可以相互转换4 4种核糖核苷三磷酸（种核糖核苷三磷酸（种核糖核苷三磷酸（种核糖核苷三磷酸（ATP,UTP,GTP,CTPATP,UTP,GTP,CTP）直接）直接）直接）直接合成合成合成合成RNARNA的原料的原料的原料的原料 4 4 种三磷酸脱氧核糖核苷（种三磷酸脱氧核糖核苷（种三磷酸脱氧核糖核苷（种三磷酸脱氧核糖核苷（dATPdATP，dGTPdGTP，dCTPdCTP，dTTPdTTP）则是直接合成）则是直接合成）则是直接合成）则是直接合成DNADNA的原料。的原料。的原料。的原料。ATPATP在所有生物系统中化学能的贮藏和利用的能在所有生物系统中化学能的贮藏和利用的能在所有生物系统中化学能的贮藏和利用的能在所有生物系统中化学能的贮藏和利用的能量通货量通货量通货量通货 有些核苷三磷酸参与特定的代谢过程有些核苷三磷酸参与特定的代谢过程有些核苷三磷酸参与特定的代谢过程有些核苷三磷酸参与特定的代谢过程如如如如UTPUTP参加者糖的互相转化与合成，参加者糖的互相转化与合成，参加者糖的互相转化与合成，参加者糖的互相转化与合成，CTPCTP参加磷参加磷参加磷参加磷脂的合成，脂的合成，脂的合成，脂的合成，GTPGTP参加蛋白质和嘌呤的合成等参加蛋白质和嘌呤的合成等参加蛋白质和嘌呤的合成等参加蛋白质和嘌呤的合成等 核苷酸的生物学功能核苷酸的生物学功能核苷酸的生物学功能核苷酸的生物学功能3.2 3.2 核酸的一级结构核酸的一级结构核酸中核苷酸的排列顺序，核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序，核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序，核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序，核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。列顺序代表了遗传信息。列顺序代表了遗传信息。列顺序代表了遗传信息。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，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。所以也称为碱基序列。所以也称为碱基序列。所以也称为碱基序列。多个脱氧核苷酸通过多个脱氧核苷酸通过多个脱氧核苷酸通过多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键构成了构成了构成了构成了具有具有具有具有方向性方向性方向性方向性的线性分子，称为的线性分子，称为的线性分子，称为的线性分子，称为多聚脱氧多聚脱氧多聚脱氧多聚脱氧核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸，即，即，即，即DNADNA链链链链。一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸一个脱氧核苷酸33的羟基的羟基的羟基的羟基与另一与另一与另一与另一个核苷酸个核苷酸个核苷酸个核苷酸55的的的的-磷酸基团磷酸基团磷酸基团磷酸基团缩合形缩合形缩合形缩合形成成成成磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键磷酸二酯键。方向：方向：方向：方向：5 5 端端端端3 3 端（由左至右）端（由左至右）端（由左至右）端（由左至右）结构式结构式结构式结构式线条式线条式线条式线条式文字缩写文字缩写文字缩写文字缩写5 5 33首端首端首端首端 末端末端末端末端pApGpCpTpGpApGpCpTpGpCpCpA-G-C-T-G pA-G-C-T-G C CDNADNA的一级结构的一级结构的一级结构的一级结构 是由四种脱氧核苷酸（是由四种脱氧核苷酸（是由四种脱氧核苷酸（是由四种脱氧核苷酸（dAMPdAMP、dGMPdGMP、dCMPdCMP、dTMPdTMP）通）通）通）通过过过过3,5-3,5-磷酸二酯键连接起来的直线形或环状多聚体。磷酸二酯键连接起来的直线形或环状多聚体。磷酸二酯键连接起来的直线形或环状多聚体。磷酸二酯键连接起来的直线形或环状多聚体。通常一个染色体中就是一个通常一个染色体中就是一个通常一个染色体中就是一个通常一个染色体中就是一个DNADNA分子（通常为双链），最大分子（通常为双链），最大分子（通常为双链），最大分子（通常为双链），最大有染色体有染色体有染色体有染色体DNADNA可超过可超过可超过可超过108bp108bp也表示为也表示为也表示为也表示为100Mb100Mb、105Kb105Kb等等等等 人类基因组大小为人类基因组大小为人类基因组大小为人类基因组大小为3.2Gb3.2Gb，大约能为，大约能为，大约能为，大约能为31 00031 000个蛋白质编码。实个蛋白质编码。实个蛋白质编码。实个蛋白质编码。实际上，编码序列只占基因组的际上，编码序列只占基因组的际上，编码序列只占基因组的际上，编码序列只占基因组的1.1%1.1%到到到到1.4%1.4%。RNARNA的一级结构的一级结构的一级结构的一级结构 是由四种核苷酸（是由四种核苷酸（是由四种核苷酸（是由四种核苷酸（AMPAMP、GMPGMP、CMPCMP、TMPTMP）通过）通过）通过）通过3,5-3,5-磷磷磷磷酸二酯键连接起来的直线形多聚体酸二酯键连接起来的直线形多聚体酸二酯键连接起来的直线形多聚体酸二酯键连接起来的直线形多聚体 tRNAtRNA mRNAmRNA snmRNAssnmRNAs和和和和RNARNA组学：组学：组学：组学：核内小核内小核内小核内小RNARNA（snRNAsnRNA）、核仁小）、核仁小）、核仁小）、核仁小RNA RNA（snoRNAsnoRNA）、胞质小）、胞质小）、胞质小）、胞质小RNA RNA（scRNAscRNA）、）、）、）、催化性小催化性小催化性小催化性小RNARNA（即（即（即（即ribozymeribozyme）、小片段干涉）、小片段干涉）、小片段干涉）、小片段干涉 RNA RNA（siRNAsiRNA）3.3 3.3 DNA的二级结构的二级结构DNADNA双链的螺旋形空间结构称双链的螺旋形空间结构称双链的螺旋形空间结构称双链的螺旋形空间结构称DNADNA的二的二的二的二级结构（级结构（级结构（级结构（secondary structure of DNAsecondary structure of DNA）。）。）。）。19531953年年年年WatsonWatson和和和和CrickCrick提出提出提出提出DNADNA的双螺的双螺的双螺的双螺旋结构（旋结构（旋结构（旋结构（DNA double helixDNA double helix，duplexduplex）模）模）模）模型。型。型。型。是是是是2020世纪自然科学最重要的发现之一，世纪自然科学最重要的发现之一，世纪自然科学最重要的发现之一，世纪自然科学最重要的发现之一，对生命科学的发展具有划时代的意义。对生命科学的发展具有划时代的意义。对生命科学的发展具有划时代的意义。对生命科学的发展具有划时代的意义。3.3.1 3.3.1 双螺旋结构的实验依据双螺旋结构的实验依据X X射线衍射数据射线衍射数据射线衍射数据射线衍射数据关于碱基成对的证据：关于碱基成对的证据：关于碱基成对的证据：关于碱基成对的证据：Chargaff Chargaff 规则规则规则规则 不同不同不同不同生物种属的生物种属的生物种属的生物种属的DNADNA的碱基组成不同的碱基组成不同的碱基组成不同的碱基组成不同 同一个体的不同器官或组织的同一个体的不同器官或组织的同一个体的不同器官或组织的同一个体的不同器官或组织的DNADNA碱基组成相同碱基组成相同碱基组成相同碱基组成相同 A=T A=T，GCGC，A+C=G+TA+C=G+T，A+G=C+TA+G=C+TDNADNA的滴定曲线的滴定曲线的滴定曲线的滴定曲线AGCTA/TG/CG+C嘌呤/嘧啶大肠杆菌26.024.925.223.91.090.9950.11.04结核杆菌15.134.935.414.61.030.9970.31.00酵母31.718.317.432.60.971.0535.71.00牛29.021.221.228.71.011.0042.41.01猪29.820.720.729.11.021.0041.41.01人30.419.919.930.11.011.0039.81.01不同生物来源不同生物来源DNA碱基碱基组组分和相分和相对对比例比例3.3.2 3.3.2 双螺旋结构模型的要点双螺旋结构模型的要点（1 1）两条反向平行的多核苷）两条反向平行的多核苷）两条反向平行的多核苷）两条反向平行的多核苷酸酸酸酸链围绕链围绕链围绕链围绕同一中心同一中心同一中心同一中心轴缠绕轴缠绕轴缠绕轴缠绕，为为为为右手螺旋。右手螺旋。右手螺旋。右手螺旋。一条一条一条一条链链链链的的的的5-5-末末末末端与另一条端与另一条端与另一条端与另一条链链链链的的的的3-3-末端相末端相末端相末端相对对对对亲亲亲亲水性的骨架位于双水性的骨架位于双水性的骨架位于双水性的骨架位于双链链链链的外的外的外的外侧侧侧侧疏水性的碱基位于双疏水性的碱基位于双疏水性的碱基位于双疏水性的碱基位于双链链链链的内的内的内的内侧侧侧侧（2 2）两条）两条）两条）两条链链链链上的碱基均在主上的碱基均在主上的碱基均在主上的碱基均在主链链链链内内内内侧侧侧侧，一条，一条，一条，一条链链链链上的上的上的上的A A一定与另一条一定与另一条一定与另一条一定与另一条链链链链上的上的上的上的T T配配配配对对对对，GG一定与一定与一定与一定与C C配配配配对对对对。A A与与与与T T配配配配对对对对形成形成形成形成2 2个个个个氢氢氢氢键键键键，GG与与与与C C配配配配对对对对形成形成形成形成3 3个个个个氢键氢键氢键氢键，螺旋直径，螺旋直径，螺旋直径，螺旋直径为为为为2 nm2 nm氢键氢键氢键氢键维持双链维持双链维持双链维持双链横向稳定性横向稳定性横向稳定性横向稳定性双螺旋模型的碱基配对双螺旋模型的碱基配对双螺旋模型的碱基配对双螺旋模型的碱基配对（3 3）成）成）成）成对对对对碱基大致碱基大致碱基大致碱基大致处处处处于同一平面，于同一平面，于同一平面，于同一平面，该该该该平面与螺旋平面与螺旋平面与螺旋平面与螺旋轴轴轴轴基基基基本垂直，糖本垂直，糖本垂直，糖本垂直，糖环环环环平面与螺旋平面与螺旋平面与螺旋平面与螺旋轴轴轴轴基本平行，磷酸基基本平行，磷酸基基本平行，磷酸基基本平行，磷酸基连连连连在糖在糖在糖在糖环环环环的外的外的外的外侧侧侧侧。相相相相邻邻邻邻碱基平面距离碱基平面距离碱基平面距离碱基平面距离0.34nm0.34nm，螺旋一圈，螺旋一圈，螺旋一圈，螺旋一圈螺距螺距螺距螺距3.4nm3.4nm，一圈，一圈，一圈，一圈1010对对对对碱基。碱基。碱基。碱基。碱基平面之碱基平面之碱基平面之碱基平面之间间间间有有有有3636的的的的错错错错位。位。位。位。碱基堆积力碱基堆积力碱基堆积力碱基堆积力维持双链维持双链维持双链维持双链纵向稳定性纵向稳定性纵向稳定性纵向稳定性 相相相相邻邻邻邻两个碱基两个碱基两个碱基两个碱基对对对对会有重叠，会有重叠，会有重叠，会有重叠，产产产产生了疏水性的生了疏水性的生了疏水性的生了疏水性的碱碱碱碱基堆基堆基堆基堆积积积积力力力力（base base stacking forcestacking force）（4 4）由于碱基）由于碱基）由于碱基）由于碱基对对对对并不并不并不并不处处处处于两条于两条于两条于两条主主主主链链链链的中的中的中的中间间间间，而是向一，而是向一，而是向一，而是向一侧侧侧侧突出，突出，突出，突出，碱基碱基碱基碱基对对对对糖苷糖苷糖苷糖苷键键键键的的的的键键键键角使两个戊糖角使两个戊糖角使两个戊糖角使两个戊糖之之之之间间间间的窄角的窄角的窄角的窄角为为为为120120，广角，广角，广角，广角为为为为240 240 。碱基碱基碱基碱基对对对对上下堆上下堆上下堆上下堆积积积积起来，窄角的一起来，窄角的一起来，窄角的一起来，窄角的一侧侧侧侧形成小沟（形成小沟（形成小沟（形成小沟（minor minor groovegroove），其），其），其），其宽宽宽宽度度度度为为为为1.2 nm1.2 nm。广角的。广角的。广角的。广角的一一一一侧侧侧侧形成大沟形成大沟形成大沟形成大沟（major groovemajor groove），），），），其其其其宽宽宽宽度度度度为为为为2.2 nm2.2 nm。（5 5）大多数天然）大多数天然）大多数天然）大多数天然DNADNA属双属双属双属双链链链链DNADNA（dsDNAdsDNA），少数病），少数病），少数病），少数病毒的毒的毒的毒的DNADNA为单链为单链为单链为单链DNA DNA（ssDNAssDNA）。）。）。）。（6 6）双）双）双）双链链链链DNADNA分子主分子主分子主分子主链链链链上的化学上的化学上的化学上的化学键键键键受碱基配受碱基配受碱基配受碱基配对对对对等因素影等因素影等因素影等因素影响旋响旋响旋响旋转转转转受到限制，使受到限制，使受到限制，使受到限制，使DNADNA分子比分子比分子比分子比较刚较刚较刚较刚硬，呈比硬，呈比硬，呈比硬，呈比较较较较伸展的伸展的伸展的伸展的结结结结构。构。构。构。碱基与中心碱基与中心碱基与中心碱基与中心轴轴轴轴并非垂直，而是并非垂直，而是并非垂直，而是并非垂直，而是有一定的有一定的有一定的有一定的倾倾倾倾斜角斜角斜角斜角12 12 16 16 中心轴嘌呤嘧啶碱基碱基碱基碱基间夹间夹间夹间夹角并非都是角并非都是角并非都是角并非都是3636 ，而是，而是，而是，而是2828 4242 。稳定双螺旋结构的因素稳定双螺旋结构的因素（1 1 1 1）碱基堆积力碱基堆积力碱基堆积力碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）。形成疏水环境（主要因素）。形成疏水环境（主要因素）。形成疏水环境（主要因素）。（2 2 2 2）碱基配对的）碱基配对的）碱基配对的）碱基配对的氢键氢键氢键氢键。GCGC含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。含量越多，越稳定。（3 3 3 3）磷磷磷磷酸酸酸酸基基基基上上上上的的的的负负负负电电电电荷荷荷荷与与与与介介介介质质质质中中中中的的的的阳阳阳阳离离离离子子子子或或或或组组组组蛋蛋蛋蛋白白白白的的的的正正正正离离离离子子子子之之之之间间间间形形形形成成成成离离离离子子子子键键键键，中中中中和和和和了了了了磷磷磷磷酸酸酸酸基基基基上的负电荷间的斥力，有助于上的负电荷间的斥力，有助于上的负电荷间的斥力，有助于上的负电荷间的斥力，有助于DNADNA稳定。稳定。稳定。稳定。（4 4 4 4）碱碱碱碱基基基基处处处处于于于于双双双双螺螺螺螺旋旋旋旋内内内内部部部部的的的的疏疏疏疏水水水水环环环环境境境境中中中中，可可可可免免免免受水溶性活性小分子的攻击。受水溶性活性小分子的攻击。受水溶性活性小分子的攻击。受水溶性活性小分子的攻击。双螺旋结构模型的要点总结双螺旋结构模型的要点总结双螺旋结构模型的要点总结双螺旋结构模型的要点总结 1 1）反反反反平平平平行行行行双双双双链链链链右右右右手手手手螺螺螺螺旋旋旋旋，直直直直径径径径=2nm=2nm，每圈每圈每圈每圈1010对对对对核苷酸，螺距核苷酸，螺距核苷酸，螺距核苷酸，螺距为为为为3.4nm3.4nm 2 2）糖糖糖糖PiPi在在在在螺螺螺螺旋旋旋旋线线线线上上上上，位位位位于于于于外外外外侧侧侧侧，平平平平行行行行于于于于轴轴轴轴，碱碱碱碱基基基基伸伸伸伸向向向向内内内内部部部部其其其其平平平平面面面面垂垂垂垂直直直直于于于于轴轴轴轴，表面形成大沟、小沟表面形成大沟、小沟表面形成大沟、小沟表面形成大沟、小沟 3 3）两）两）两）两链链链链之之之之间间间间A A与与与与T T互互互互补补补补，GG与与与与C C互互互互补补补补 4 4）稳稳稳稳定因素定因素定因素定因素为氢键为氢键为氢键为氢键和碱基堆和碱基堆和碱基堆和碱基堆积积积积力力力力双螺旋结构模型的理论意义双螺旋结构模型的理论意义双螺旋结构模型的理论意义双螺旋结构模型的理论意义 1 1）DNADNA的的的的复复复复制制制制，DNADNA遗遗遗遗传传传传信信信信息息息息在在在在生生生生物物物物世代世代世代世代间间间间、细细细细胞世代胞世代胞世代胞世代间间间间的的的的传递传递传递传递 2 2）遗遗遗遗传传传传与与与与变变变变异异异异，DNADNA分分分分子子子子的的的的碱碱碱碱序序序序列列列列具具具具有有有有保保保保守守守守性性性性和和和和变变变变异异异异性性性性，碱碱碱碱基基基基对对对对是是是是突突突突变变变变的的的的最最最最小小小小单单单单位位位位 3 3）生生生生物物物物的的的的性性性性状状状状控控控控制制制制：蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质的的的的生生生生物物物物合合合合成成成成时遗传时遗传时遗传时遗传密密密密码码码码与反密与反密与反密与反密码码码码互互互互补补补补配配配配对对对对 4 4）为为为为现现现现代代代代分分分分子子子子生生生生物物物物学学学学与与与与基基基基因因因因工工工工程程程程奠奠奠奠定定定定了了了了理理理理论论论论基基基基础础础础3.3.3 3.3.3 DNA二级结构的其他类型二级结构的其他类型类型类型类型类型 结晶状态结晶状态结晶状态结晶状态螺距螺距螺距螺距（nmnm）碱基距离碱基距离碱基距离碱基距离（nmnm）每圈每圈每圈每圈（bpbp数）数）数）数）旋转方向旋转方向旋转方向旋转方向A A相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度75%DNA75%DNA钠盐钠盐钠盐钠盐2.82.80.2560.2561111右手右手右手右手B B相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度92%DNA92%DNA钠盐钠盐钠盐钠盐3.43.40.340.341010右手右手右手右手C C相对湿度相对湿度相对湿度相对湿度66%DNA66%DNA钠盐钠盐钠盐钠盐3.13.10.3320.3329.39.3右手右手右手右手Z Zd d（GCGCGCGCGCGC）1.111.110.370.371212左手左手左手左手回文回文结结构：构：DNADNA序列中以某一序列中以某一序列中以某一序列中以某一中心区域中心区域中心区域中心区域为对为对为对为对称称称称轴轴轴轴，其两其两其两其两侧侧侧侧的碱基的碱基的碱基的碱基对顺对顺对顺对顺序序序序正正正正读读读读和反和反和反和反读读读读都相同的都相同的都相同的都相同的双螺旋双螺旋双螺旋双螺旋结结结结构。即构。即构。即构。即对对对对称称称称轴轴轴轴一一一一侧侧侧侧的片段旋的片段旋的片段旋的片段旋转转转转180180后，与另一后，与另一后，与另一后，与另一侧侧侧侧片片片片段段段段对对对对称重复。回文称重复。回文称重复。回文称重复。回文结结结结构能形成构能形成构能形成构能形成十字十字十字十字结结结结构和构和构和构和发夹结发夹结发夹结发夹结构构构构AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATCTTAAGTTCCCTCTTCATATCTTCTCCCTTCCTAG镜像重复镜像重复：存在于同一股上的某些存在于同一股上的某些存在于同一股上的某些存在于同一股上的某些DNADNA区段的反向重复序列。此序区段的反向重复序列。此序区段的反向重复序列。此序区段的反向重复序列。此序列各列各列各列各单单单单股中没有互股中没有互股中没有互股中没有互补补补补序列，不能形成十字型或序列，不能形成十字型或序列，不能形成十字型或序列，不能形成十字型或发夹结发夹结发夹结发夹结构。构。构。构。三股螺旋三股螺旋（K.Hoogsteen 1963）：通常是一条同型寡核苷酸与寡通常是一条同型寡核苷酸与寡通常是一条同型寡核苷酸与寡通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶嘧啶嘧啶嘧啶核苷酸核苷酸核苷酸核苷酸-寡寡寡寡嘌嘌嘌嘌呤核苷酸呤核苷酸呤核苷酸呤核苷酸双螺旋的大沟双螺旋的大沟双螺旋的大沟双螺旋的大沟结结结结合：合：合：合：oligo(Py):oligo(Pu)oligo(Py/Pu)oligo(Py):oligo(Pu)oligo(Py/Pu)由于由于由于由于设计设计设计设计、合成的第三条、合成的第三条、合成的第三条、合成的第三条连连连连具有具有具有具有结结结结合合合合DNADNA特定位点的能特定位点的能特定位点的能特定位点的能力，有可能抑制基因的表达，力，有可能抑制基因的表达，力，有可能抑制基因的表达，力，有可能抑制基因的表达，这为药这为药这为药这为药物的物的物的物的设计带设计带设计带设计带来了希望。来了希望。来了希望。来了希望。3.4 3.4 DNA的高级结构的高级结构DNADNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象。构象。构象。构象。超螺旋结构（超螺旋结构（超螺旋结构（超螺旋结构（superhelixsuperhelix 或或或或 supercoilsupercoil）DNA DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构 正超螺旋（正超螺旋（正超螺旋（正超螺旋（positive supercoilpositive supercoil）或负超螺旋）或负超螺旋）或负超螺旋）或负超螺旋（negative supercoilnegative supercoil）盘绕方向与盘绕方向与盘绕方向与盘绕方向与DNADNA双螺旋方同双螺旋方同双螺旋方同双螺旋方同相相相相同同同同或或或或相反相反相反相反3.4.1 3.4.1 环状环状DNA的超螺旋结构的超螺旋结构细菌的染色体细菌的染色体细菌的染色体细菌的染色体DNADNA、病毒的、病毒的、病毒的、病毒的DNADNA、质粒、质粒、质粒、质粒、真核生物的线粒体和叶绿体的真核生物的线粒体和叶绿体的真核生物的线粒体和叶绿体的真核生物的线粒体和叶绿体的DNADNA，为，为，为，为双链环形双链环形双链环形双链环形DNADNA （double-strand circular double-strand circular DNADNA，dcDNAdcDNA）可进一步扭曲成可进一步扭曲成可进一步扭曲成可进一步扭曲成超螺旋超螺旋超螺旋超螺旋DNADNA（superhelix DNAsuperhelix DNA），这种结构还），这种结构还），这种结构还），这种结构还可被称为可被称为可被称为可被称为共价闭环共价闭环共价闭环共价闭环DNADNA （covalently covalently closed circular DNAclosed circular DNA，cccDNAcccDNA）超螺旋超螺旋超螺旋超螺旋DNADNA的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，形成的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，形成的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，形成的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，形成松松松松弛环形弛环形弛环形弛环形DNADNA （relaxed circular DNArelaxed circular DNA），也称为），也称为），也称为），也称为开环开环开环开环DNADNA （open circular DNAopen circular DNA，ocDNAocDNA）超螺旋超螺旋超螺旋超螺旋DNADNA的两条链均断裂，就会转化为的两条链均断裂，就会转化为的两条链均断裂，就会转化为的两条链均断裂，就会转化为线形线形线形线形DNADNA （linear DNAlinear DNA）正超螺旋正超螺旋正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋负超螺旋负超螺旋（多见）（多见）（多见）（多见）双链环形双链环形双链环形双链环形DNADNA DNA DNA超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于扑学变化及其调控对于DNADNA复