生物化学第13章核酸的结构.ppt

《生物化学第13章核酸的结构.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生物化学第13章核酸的结构.ppt（83页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第13章 核酸的结构(Structure of nucleic acid)一、核苷酸一、核苷酸二、核酸的共价结构二、核酸的共价结构三、三、DNA的高级结构的高级结构四、四、RNA的高级结构的高级结构核酸的组成成分核糖核糖碱基碱基核苷酸核苷酸核糖核酸核糖核酸 RNA核苷核苷磷酸磷酸聚合聚合脱氧核糖脱氧核糖 碱基碱基 脱氧脱氧核苷酸核苷酸 脱氧脱氧核糖核酸核糖核酸 DNA脱氧脱氧核苷核苷磷酸磷酸聚合聚合一、核苷酸核酸中的碱基种类DNARNA嘌呤碱嘌呤碱腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤鸟嘌呤嘧啶碱嘧啶碱胞嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶胞嘧啶尿嘧啶尿嘧啶嘌呤环和嘧啶环的结构核酸中的嘌呤和嘧

2、啶碱基酮式和烯醇式的互变异构稀有碱基几种嘌呤碱基 次黄嘌呤（次黄嘌呤（I I）黄嘌呤（黄嘌呤（X X）尿酸尿酸 茶叶碱茶叶碱 可可碱可可碱 咖啡碱咖啡碱核糖和脱氧核糖核糖（链式）核糖（链式）核糖（环式）核糖（环式）脱氧核糖（链式）脱氧核糖（链式）脱氧核糖（环式）脱氧核糖（环式）核苷(nucleoside)糖苷键糖苷键碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。DNA和RNA中的各种核苷核苷酸 (nucleotide)核苷酸 (nucleotide)5-5-腺腺苷苷酸酸 3-3-腺腺苷苷酸酸 2-2-腺腺苷苷酸酸多磷酸核苷酸环化核苷

3、酸（cAMP）（cGMP）二、核酸的共价结构53核酸中核苷酸的连接方式53核酸结构的简写式53两种磷酸二酯酶的水解位点三、DNA的高级结构 Chargaff 等等在在20世世纪纪40年年代代应应用用纸纸层层析析及及紫紫外外分分光光光光度度技技术术测测定定各各种种生生物物DNA的的碱碱基基组组成成，结结果果发发现现，DNA的的碱碱基基组组成成具具有有生生物物种种的的特特异异性性。不不同同物物种种的的DNA有有其其独独特特的的碱碱基基组组成成，而而同同一一物物种种不不同同组组织织和和器器官官的的DNA碱碱基基组组成成是是一一样样的的，不不受受生生长长发发育育、营营养养状状况况以以及及环环境境条条件

4、的影响。件的影响。DNA碱基组成的碱基组成的Chargaff规则规则不同生物DNA的碱基组成不同生物DNA的碱基组成（1）A=T （2）G=C （3）嘌嘌呤呤碱碱基基的的总总数数等等于于嘧嘧啶啶碱碱基基的的总总数数，即即A+G=C+T。这这个个规规则则为为Watson和和Crick提提出出DNA双螺旋结构提供了重要根据。双螺旋结构提供了重要根据。DNA的X光衍射图DNA的二级结构 1953年年，Watson和和Crick提提出出了了DNA分分子子的的双双螺螺旋旋模模型型，并并因因此此和和威威尔尔金金斯斯一一起起分分享享了了1962年的诺贝尔医学或生理学奖。年的诺贝尔医学或生理学奖。DNA的二级

5、结构DNA分子双螺旋模型具有以下特征：分子双螺旋模型具有以下特征：（1）两两条条反反向向平平行行的的多多核核苷苷酸酸链链围围绕绕同同一一中中心心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。（2）嘌嘌呤呤与与嘧嘧啶啶碱碱位位于于双双螺螺旋旋的的内内侧侧，磷磷酸酸与与核核糖糖形形成成的的主主链链在在外外侧侧，碱碱基基平平面面与与纵纵轴轴垂垂直直，糖糖环环平平面面与与纵纵轴轴平平行行。两两条条链链的的配配对对偏偏向向一一侧侧，形成一条大沟和一条小沟。形成一条大沟和一条小沟。DNA分子的双螺旋结构DNA的二级结构（3）双双螺螺旋旋的的平平均均直直径径为为2nm，两两个个相相邻邻的的

6、碱碱基基对对之之间间相相距距的的高高度度，即即碱碱基基堆堆积积距距离离为为，两两个个核核苷苷酸酸之之间间的的夹夹角角为为36。因因此此，沿沿中中心心轴轴每每旋旋转一圈有转一圈有10个核苷酸，每一圈的高度（螺距）为。个核苷酸，每一圈的高度（螺距）为。（4）两两条条核核苷苷酸酸链链依依靠靠彼彼此此碱碱基基之之间间形形成成的的氢氢键键而而结结合合在在一一起起，A必必须须与与T配配对对，G必必须须与与C配配对。对。AT之间形成两个氢键，之间形成两个氢键，GC之间形成之间形成3个氢键。个氢键。（5）碱碱基基在在一一条条链链上上的的排排列列顺顺序序不不受受任任何何限限制制，但但根根据据碱碱基基配配对对的的

7、原原则则，当当一一条条链链上上的的碱碱基基序序列列确确定定后后，另另一一条条链链上上的的碱碱基基序序列列必必须须与与之之互互补。两条链互为互补链。补。两条链互为互补链。配对碱基之间的氢键配对碱基之间的氢键碱基堆积力 The bases are stacked on the inside of the structure;these heterocyclic bases,as a consequence of their-electron clouds,are hydrophobic on their flat sides.碱基堆积力使DNA成为双螺旋 DNA其它构象的发现 后后来来，K.Dic

8、kerson等等人人用用人人工工合合成成的的多多聚聚脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸（十十二二聚聚体体）晶晶体体进进行行X射射线线衍衍射射分分析析后后，认认为为这这种种十十二二聚聚体体的的结结构构与与Watson和和Crick模模型型非非常常相相似似，但但在在结结构构上上并并不不像像Watson-Crick模模型型那那样样均均一一。这这是是由由于于碱碱基基序列不同，以致在局部结构上有较大差异。序列不同，以致在局部结构上有较大差异。Dickerson结构的差异处（1）在在Dickerson的的十十二二聚聚体体中中，两两个个碱碱基基之之间间的的夹夹角角可可由由28至至42不不等等，实实际际平平均均每每

9、一一圈圈含含个个碱碱基基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变动。对。分子大小的各参数也随序列不同而有变动。（2）在在Dickerson的的十十二二聚聚体体中中，组组成成碱碱基基对对的的两两个个碱碱基基的的分分布布并并非非在在同同一一平平面面上上，而而是是碱碱基基对对沿沿长长轴轴旋旋转转一一定定角角度度，从从而而使使碱碱基基对对的的形形状状像像螺螺旋旋桨桨叶叶片片 那那 样样，故故 称称 为为 螺螺 旋旋 桨桨 状状 扭扭 曲曲（propeller twisting）。这这种种结结构构可可提提高高碱碱基基堆堆积积力力，使使DNA结构更稳定。结构更稳定。Dickerson模型中碱基对的螺旋桨状扭

10、曲不同类型的DNA双螺旋 Watson和和Crick模模型型代代表表DNA钠钠盐盐在在较较高高湿湿度度下下（92%）制制得得的的纤纤维维的的结结构构，该该结结构构称称为为B型型。由由于于它它的的水水分分含含量量较较高高，可可能能比比较较接接近近大大部部分分DNA在在细细胞胞中中的的构构象象。DNA能能以以多多种种不不同同的的构构象象存存在在，除除B型型外外通通常常还还有有A型型、C型型、D型型、E型型，以以及及左左手手螺螺旋旋的的Z型型。其其中中A型型和和B型型是是DNA的的两两种种基基本本的的构构象象，C型型、D型型、E型型与与B型型类类似似，Z型型则比较特殊。则比较特殊。ADNA 在在相相

11、对对湿湿度度75%以以下下获获得得的的DNA纤纤维维的的X射射线线衍衍射射分分析析表表明明，这这种种DNA纤纤维维具具有有不不同同于于B型型的的结结构构特特点点，称称为为A型型。ADNA也也是是由由两两条条反反向向的的多多核核苷苷酸酸链链组组成成的的右右手手双双螺螺旋旋，但但螺螺体体较较宽宽而而短短，碱碱基基对对与与中中心心轴轴有有19的的倾倾角角。RNA分分子子的的双双螺螺旋旋区区以以及及RNADNA杂杂合合双双链链也也具具有有与与ADNA相似的结构。相似的结构。DNA双螺旋的A、B、Z型DNA双螺旋的大小沟 在在ADNA中中，碱碱基基对对倾倾角角大大，并并偏偏向向双双螺螺旋旋的的边边缘缘，

12、给给出出一一个个深深且且狭狭的的大大沟沟和和一一个个宽宽且且浅浅的的小小沟沟。而而BDNA中中大大沟沟比比小小沟沟宽宽，但但深深度度相相近近。ZDNA只只有有小小沟沟，没没有有大沟。大沟。DNA双螺旋的A、B、Z型A型型 B型型 Z型型DNA中糖环的构象 核核糖糖的的呋呋喃喃糖糖环环并并非非平平面面，糖糖环环上上通通常常有有一一个个或或两两个个原原子子偏偏离离平平面面。若若偏偏离离的的原原子子偏偏向向C5一一侧侧称称为为内内式式，若若偏偏向向另另一一侧侧称称为为外外式式。A型型DNA的糖环为的糖环为C3内式，内式，B型为型为C2内式。内式。A型型B型型DNA中碱基的顺反构象 碱碱基基平平面面绕

13、绕N糖糖苷苷键键旋旋转转就就产产生生顺顺式式（syn）和和反反式式（anti）构构象象，反反式式构构象象是是指指嘌嘌呤呤的的六六元元环环或或嘧嘧啶啶的的2位位O远远离离糖糖链链方方向向，顺顺式式构象是指它们靠近糖链方向构象是指它们靠近糖链方向。DNA中碱基的顺反构象 顺式顺式 反式反式 反式反式DNA中碱基的顺反构象BDNA中碱基的反式构象中碱基的反式构象 ZDNA中碱基的顺式构象中碱基的顺式构象B型DNA中碱基的反式构象ZDNA A.Rich在在研研究究人人工工合合成成的的d（CGCGCG）寡寡核核苷苷酸酸结结构构时时发发现现了了DNA左左手手螺螺旋旋的的结结构构，它它每每12个个碱碱基基对

14、对为为一一圈圈，螺螺距距，只只有有小小沟沟。dC是是C2内内式式、碱碱基基反反式式；dG是是C3内内式式，碱碱基基顺顺式式。磷磷酸酸和和糖糖的的骨骨架架呈呈现现Z字字形形走走向向。随随后后发发现现天天然然DNA局局部部也也有有Z型型结结构构。Z型型DNA的的序序列列必必须须含含鸟鸟嘌嘌呤呤，并并且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。各型各型DNA可在一定条件下相互转变。可在一定条件下相互转变。B型DNA中的局部Z型结构A、B、Z型 DNA结构参数的比较DNA三股螺旋 早早在在20世世纪纪50年年代代双双螺螺旋旋发发现现之之后后不不久久，就就观观察察到到了了一一些些人人工工合合成成

15、的的寡寡核核苷苷酸酸能能够够形形成成三三股股螺螺旋旋（triplex），寡寡核核苷苷酸酸包包括括核核糖糖核核苷苷酸酸和和脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸。K.Hoogsteen于于1963年年首首先先描描述述了了三三股股螺螺旋旋结结构构。在在三三股股螺螺旋旋中中，通通常常是是一一条条同同型型寡寡核核苷苷酸酸链链与与寡寡嘧嘧啶啶核核苷苷酸酸寡寡嘌嘌呤呤核核苷苷酸酸双双螺螺旋旋的的大大沟沟结结合合。第第三三股股链链的的碱碱基基可可与与Watson-Crick碱碱基基对对中中的的嘌嘌呤呤碱碱形形成成Hoogsteen配配对对。第第三三股股链链与与寡寡嘌嘌呤呤核核苷酸之间为同向平行。苷酸之间为同向平行。H

16、oogsteen配对3333DNA三股螺旋图三三股股螺螺旋旋中中的的第第三三股股可可以以来来自自分分子子间间，也也可以来自分子内。可以来自分子内。DNA的三级结构 DNA的的三三级级结结构构是是指指双双螺螺旋旋的的DNA分分子子通通过过扭扭曲曲和和折折叠叠形形成成特特定定的的构构象象，包包括括不不同同二二级级结结构构单单元元间间的的相相互互作作用用、单单链链与与二二级级结结构构单单元元间间的的相相互互作作用用，以以及及DNA的的拓拓扑扑特特征征。超超螺螺旋旋是是三三级级结结构的一种主要形式。构的一种主要形式。DNA超螺旋的产生 当当DNA双双螺螺旋旋分分子子在在溶溶液液中中以以一一定定构构象象

17、自自由由存存在在时时，双双螺螺旋旋处处于于能能量量最最低低状状态态，此此为为松松弛弛态态。如如果果使使这这种种正正常常的的DNA分分子子额额外外地地多多转转几几圈圈或或少少转转几几圈圈，就就会会使使双双螺螺旋旋中中存存在在张张力力。当当双双螺螺旋旋分分子子的的末末端端是是开开放放的的，这这种种张张力力可可以以通通过过链链的的转转动动而而释释放放出出来来，DNA将将恢恢复复成成正正常常的的松松弛弛态态双双螺螺旋旋。但但如如果果DNA分分子子的的两两端端是是固固定定的的，或或者者是是环环状状分分子子，这这种种额额外外的的张张力力就就不不能能释释放放，DNA分分子子本本身身就就会会发发生生扭扭曲，用

18、以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋。电话线的超螺旋DNA的三种形式 从生物体中分离出的从生物体中分离出的DNA有三种形式：有三种形式：线状线状DNA（linear DNA）共价闭合环共价闭合环DNA（covalently closed circular DNA，cccDNA）开环开环DNA（open circular DNA，ocDNA）cccDNA常常以以超超螺螺旋旋形形式式存存在在，ocDNA和和linear DNA为松弛态。为松弛态。DNA的三种形式linear DNA cccDNA ocDNADNA的超螺旋形式不同超螺旋程度的双链环状DNA超螺旋程度增加

19、超螺旋程度增加cccDNA的一些重要拓扑学特性（1）连连环环数数（linking number）这这是是环环状状DNA的的一一个个很很重重要要的的特特征征。连连环环数数指指的的是是在在双双螺螺旋旋DNA中中，一一条条链链以以右右手手螺螺旋旋绕绕另另一一条条链链缠缠绕绕的的圈圈数数，以以字字母母L表表示示。L值值不不同同的的相相同同DNA分分子子称称为为拓拓扑扑异异构构体体。拓拓扑扑异异构构酶酶可可以以催催化化拓拓扑扑异构体之间的转变。异构体之间的转变。cccDNA的一些重要拓扑学特性（2）扭扭转转数数（twisting number）指指DNA分分子子中的中的Watson-Crick螺旋数，以

20、螺旋数，以T表示。表示。（3）超超 螺螺 旋旋 数数（number of turns of superhelix）或或缠缠绕绕数数（writhing number）以以W表示。表示。三者之间的关系为三者之间的关系为 L=T+W cccDNA的一些重要拓扑学特性（4）比比连连环环差差（specific linking difference）以以表表示示，用以表示用以表示DNA的超螺旋程度。的超螺旋程度。=（LL0）/L0 式式中中L为为双双螺螺旋旋DNA分分子子的的连连环环数数，L0为为同同一一DNA分分子子松松弛弛状状态态时时的的连连环环数数。越越大大则则超超螺螺旋旋程程度度越越高高。天天然然

21、环环状状DNA分分子子一一般般都都以以负负超超螺螺旋旋构构象象存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在左右。存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在左右。拓扑异构体的电泳图同同样样大大小小的的DNA L值值递递减减1环状DNA的正超螺旋环状DNA的负超螺旋环状DNA的不同构象负超螺旋为右手螺旋，正超螺旋为左手螺旋。负超螺旋为右手螺旋，正超螺旋为左手螺旋。线状DNA的负超螺旋L=-2,负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。染色体DNA中的超螺旋拓扑异构酶的作用 拓拓扑扑异异构构酶酶有有两两种种类类型型，型型酶酶能能使使双双链链超超螺螺旋旋DNA转转变变成成松松弛

22、弛型型环环状状DNA，每每一一次次催催化化作作用用可可消消除除一一个个负负超超螺螺旋旋，即即使使L值值增增加加1。型型酶酶刚刚好好相相反反，可可使使松松弛弛型型环环状状DNA转转变变成成负超螺旋负超螺旋DNA，每催化一次使，每催化一次使L值减少值减少2。DNA的十字结构有反向重复序列时可形成十字结构有反向重复序列时可形成十字结构DNA与蛋白质复合物的结构 生生物物体体内内的的核核酸酸通通常常都都与与蛋蛋白白质质结结合合形形成成复复合合物物，以以核核蛋蛋白白的的形形式式存存在在。DNA存存在在于于病病毒毒颗颗粒粒中中，细细菌菌的的拟拟核核中中，真真核核细细胞胞的的细细胞胞核核和和线线粒粒体体、叶

23、叶绿绿体体中中。由由于于DNA分分子子很很长长，必必须须以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。病毒的结构噬菌体噬菌体fdfd噬菌体噬菌体T2T2动物病毒动物病毒细菌中的细菌中的DNA细菌拟核的突环结构黑腹果蝇染色质的电镜照片真核生物染色体的核小体结构 染染色色质质的的基基本本结结构构单单位位是是核核小小体体（nucleosome），核核小小体体的的核核心心是是一一个个蛋蛋白白质质八八聚聚体体，由由组组蛋蛋白白H2A、H2B、H3和和H4各各2个个组组成成，DNA以以左左手手螺螺旋旋在在组组蛋蛋白白核核心心上上盘盘绕绕圈圈，共共146bp。核核小小体

24、体之之间间连连接接DNA的的长长度度随随不不同同核核小小体体而略有不同，平均每个核小体占而略有不同，平均每个核小体占DNA200bp。真核生物染色体DNA组装的不同层次的结构四、RNA的高级结构tRNA tRNA在在蛋蛋白白质质生生物物合合成成中中具具有有转转运运氨氨基基酸酸和和识识别别密密码码子子的的作作用用，它它携携带带特特定定的的氨氨基基酸酸通通过过反反密密码码子子与与密密码码子子的的识识别别，按按照照遗遗传传密密码码的的规规定定合合成成肽肽链链，将将遗遗传传信信息息从从RNA传传到到蛋蛋白白质质。细细胞胞内内的的tRNA种种类类很很多多，每每一一种种氨氨基基酸酸都有对应的一种或几种都有对应的一种或几种tRNA。tRNA三叶草形二级结构模型不同的不同的tRNA由由7394个核苷酸组成个核苷酸组成氨基酸臂氨基酸臂二氢二氢 U U 环环（D 环）环）TC TC 环环额外环额外环（可变环）（可变环）反密码子环反密码子环反密码子反密码子二氢尿嘧啶核苷和假尿嘧啶核苷结构式二氢尿嘧啶核苷二氢尿嘧啶核苷 假尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷DHU tRNA的三级结构tRNA的三级结构反密码子环反密码子环二氢二氢 U U 环环（D D 环）环）TC TC 环环氨基酸臂氨基酸臂额外环额外环（可变环）（可变环）16SrRNA和5S rRNA的二级结构