核酸的結(jié)構(gòu)

NucleicAcid核酸（DNA和RNA）是線性多聚核苷酸，基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸DNA與RNA結(jié)構(gòu)相似，組成成份上略有不同核酸的組成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基水解主要的分類依據(jù)核酸代表戊糖，對(duì)DNA而言為脫氧核糖，對(duì)RNA而言為核糖；

代表堿基

代表磷酸基核苷酸一、核苷酸（nucleotide)（一）堿基嘌呤堿：腺嘌呤、鳥嘌呤嘧啶堿：胸腺嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶稀有堿基：

嘌呤環(huán)

嘧啶環(huán)嘌呤（Purine），是存在人體內(nèi)的一種物質(zhì)，主要以嘌呤核苷酸的形式存在，在作為能量供應(yīng)、代謝調(diào)節(jié)及組成輔酶等方面起著十分重要的作用。嘌呤是有機(jī)化合物，分子式C5H4N4，無(wú)色結(jié)晶，在人體內(nèi)嘌呤氧化而變成尿酸，人體尿酸過(guò)高就會(huì)引起痛風(fēng)。海鮮，動(dòng)物的肉的嘌呤含量都比較高，所以，有痛風(fēng)的病人除用藥物治療外（醫(yī)治痛風(fēng)的藥物一般對(duì)腎都有損害），更重要的是平時(shí)注意忌口。嘧啶（C4H4N2，1,3-二氮雜苯）是一種雜環(huán)化合物。嘧啶（Pyrimidine）由2個(gè)氮原子取代苯分子間位上的2個(gè)碳形成，是一種二嗪。和吡啶一樣，嘧啶保留了芳香性。（1）嘌呤堿鳥兒張嘴吸氨氣：張嘴即O，嘌呤有O又有-NH2＝G線兒將鳥嘴來(lái)系，注意換氣：系嘴即去掉O，G去掉O再把-NH2換個(gè)位置＝A（2）嘧啶堿(uracil)(cytosine)(thymine)胸前一灘尿：U+一碳基團(tuán)（甲基）＝T尿里兩泡泡：嘧啶中有兩個(gè)O＝U上面一個(gè)是氨氣胞：U靠上面的一個(gè)O換成-NH2就是CRNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鳥嘌呤G腺嘌呤A

（3）稀有堿基嘌呤——次黃嘌呤、1-甲基次黃嘌呤、

N2、N2-二甲基鳥嘌呤。嘧啶——5-甲基胞嘧啶、5-羥甲基胞嘧啶、二氫尿嘧啶、4-巰尿嘧啶

都是基本堿基的化學(xué)修飾型（二）核苷：核糖+堿基DNA含β-D-2-脫氧核糖RNA含β-D-核糖核苷nucleoside糖與堿基之間的C-N鍵：C-N糖苷鍵，且都是β糖苷鍵。C1——N1（嘧啶）C1——N9（嘌呤）堿基與糖環(huán)平面垂直。核苷nucleoside核苷nucleoside

稀有核苷：

1、2’-0-甲基-核糖-核苷

2、稀有堿基二氫尿嘧啶（DHU）

3、連接方式C-C（假尿嘧啶核苷,ψ）假尿苷，pseudouridine，ψ123456次黃嘌呤核苷（三）核苷酸磷酸堿基戊糖H2OH2O堿基磷酸戊糖核苷鍵酯鍵核苷酸堿基連接（核苷鍵）酯鍵（對(duì)DNA為H）1`2`3`4`5`八種核苷酸M/單，D/二，T/三；P-磷酸RNA的名稱為單/二/三苷酸，

DNA在單/二/三前加脫氧兩字。

如AMP稱腺苷一磷酸(或腺苷酸）

dAMP稱為脫氧腺苷一磷酸（脫氧腺苷酸）稀有核苷酸與上類似（四）核苷酸的衍生物生物體內(nèi)分布最廣和最重要的一種核苷酸衍生物。（1）ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATP的性質(zhì)是重要的能量轉(zhuǎn)換中間體ATP水解時(shí)可釋放大量自由能，推動(dòng)體內(nèi)各種需能反應(yīng)。ATP也是磷?；瘎毫柞；牡孜锞咻^高能量（活化分子），是許多生物化學(xué)反應(yīng)的激活步驟。

(2)GTP(鳥嘌呤核糖核苷三磷酸)生物體內(nèi)游離存在，也是一種高能化合物具有類似ATP的結(jié)構(gòu)主要是作為蛋白質(zhì)合成中磷酰基供體在許多情況下,ATP和GTP可以相互轉(zhuǎn)換（3）cAMP

和cGMPcAMP3’,5’環(huán)腺嘌呤核苷一磷酸cGMP

3’,5’-環(huán)鳥嘌呤核苷一磷酸——細(xì)胞間信使cAMP

和cGMP

的環(huán)狀磷酯鍵是一個(gè)高能鍵：pH7.4時(shí)水解能約為43.9kJ/mol，比ATP水解能高得多。二、核酸的共價(jià)結(jié)構(gòu)DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)是指DNA上的核苷酸排列順序。

(核苷酸相當(dāng)于氨基酸、單糖的角色）（一）DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)脫H2O脂鍵相連3`，5`-磷酸二酯鍵首尾3`5`（1）核苷酸間以3′-5′磷酸二酯鍵相連（2）一端稱為5′-磷酸端（5’-P表示）一端稱為3′-羥基端（3’-OH表示）（3）多聚核苷酸鏈具有方向性，表示時(shí)，需注明方向：5′→3′或是3′→5′DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)寫形式戊糖3`-OH5`-磷酸PA核苷酸5`3`首端末端PPPPPP

AGCTGCOHpApCpTpG-pA-C-T-G核苷酸順序又稱堿基順序（二）RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)核糖核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵相連形成的長(zhǎng)鏈研究最多：tRNA、rRNA及一些小分子RNA。1、tRNA分子特點(diǎn)：約由60－95個(gè)核苷酸組成分子中含有較多的修飾成分（10-15%）,這些結(jié)構(gòu)增加了識(shí)別和疏水作用。3‘-末端都具有－CCA－OH的結(jié)構(gòu)5’-末端磷酸化，常為G（pC）RNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

tRNA的功能：

結(jié)合活化氨基酸（3′-CCA-OH），搬運(yùn)氨基酸到核糖體；識(shí)別mRNA密碼子。參與蛋白質(zhì)的翻譯。①5′末端帽子結(jié)構(gòu)：m7GpppN，m7GpppNmpNp，m7GpppNmpNmpNp,三種結(jié)構(gòu)，分別稱為O型，I型和II型。O型是指末端核苷酸的核糖未甲基化，I型指末端一個(gè)核苷酸的核糖甲基化，II型指末端兩個(gè)核苷酸的核糖均甲基化。G代表鳥苷，N代表任意堿基，m在字母左側(cè)表示堿基被甲基化，數(shù)字表示甲基化的位置，m在字母右側(cè)表示核糖被甲基化。②3′末端有多聚腺苷酸尾巴結(jié)構(gòu)(polyA)③單順?lè)醋樱ㄒ粭lmRNA鏈上有一個(gè)編碼區(qū)）2、mRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）真核細(xì)胞mRNA

5′帽子密碼子3′polyAm7Gppp-AUGGUG……………UAAAAAA…AA5′端非翻譯區(qū)編碼區(qū)3′非翻譯區(qū)真核生物mRNA的共價(jià)結(jié)構(gòu)O型帽子結(jié)構(gòu)m7G5’PPP5’Np帽子結(jié)構(gòu)：有助于核糖體對(duì)mRNA的識(shí)別和結(jié)合，使翻譯得以正確起始

polyA：維持mRNA的穩(wěn)定性，與mRNA半壽期有關(guān)。新生mRNA的polyA較長(zhǎng)，而衰老的mRNA的polyA較短。功能原核生物mRNA為多順?lè)醋樱瑹o(wú)修飾堿基。多順?lè)醋觤RNA(polycistronicmRNA)：一條mRNA鏈上有多個(gè)編碼區(qū)（2）原核細(xì)胞mRNAmRNA的功能★蛋白質(zhì)合成的模板。*rRNA的種類（根據(jù)沉降系數(shù)）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNA3、rRNA一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與tRNA不同，rRNA的甲基化較多發(fā)生在核糖上。rRNA的功能作為核糖體的骨架；與mRNA和tRNA作用，催化肽鍵的形成，促使蛋白質(zhì)合成的正確進(jìn)行。4、其他小分子RNA及RNA組學(xué)除上述三種RNA外的其他種類的小分子RNA，統(tǒng)稱為非mRNA小RNA(smallnon-messengerRNAs,snmRNAs)。

1、snmRNAs

核內(nèi)小RNA（snRNA）核仁小RNA（snoRNA）snmRNAs胞質(zhì)小RNA（scRNA）催化性小RNA（即ribozyme）小片段干涉RNA

（siRNA）

snmRNAs的功能參與hnRNA和rRNA的加工和轉(zhuǎn)運(yùn)。核不均一RNARNA組學(xué)研究細(xì)胞中snmRNAs的種類、結(jié)構(gòu)和功能。同一生物體內(nèi)不同種類的細(xì)胞、同一細(xì)胞在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下snmRNAs的表達(dá)具有時(shí)間和空間特異性。

RNA組學(xué)：（一）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的研究背景

Chargaff發(fā)現(xiàn)的DNA堿基組成規(guī)律Chargaff規(guī)則：[A]=

[T][G]

[C][嘌呤堿]=

[嘧啶堿]

已知核酸的化學(xué)性質(zhì)和核苷酸鍵長(zhǎng)、鍵角數(shù)據(jù)

DNA纖維的X-射線衍射圖譜分析

三、DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)Chargaff在20世紀(jì)40年代應(yīng)用紙層析和紫外分光光度技術(shù)測(cè)定各種生物DNA的堿基組成。DNA堿基組成具有：

物種的特異性：即四種含氮堿基的比例在同物種不同個(gè)體間是一致的，但再不同物種間則有差異。

無(wú)組織/器官特異性；不受生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)狀況及環(huán)境條件的影響。Chargaff規(guī)則：（1）A=T（2）G=C（3）A+C=G+T（4）A+G=C+T腺嘌呤胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶其他組合易相互排斥如G:TDNA一股的核苷酸序列與另一股的序列

互補(bǔ)：A-T、G-CFranklin,RosalindElsie(1920-58),Britishbiophysicist.BorninLondon,shewaseducatedinphysicalchemistryatNewnhamCollege,Cambridge.FranklinconductedX-raydiffractionstudiesonthestructureoftheDNAmolecule,thecarrierofhereditaryinformation,whileworkinginthelaboratoryofBritishbiophysicistMauriceWilkins.ThisworkenabledAmericanbiochemistJamesDeweyWatsonandtheBritishFrancisCricktodeterminethehelicalstructureoftheDNAmolecule.

衍射圖(二）DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)—B型雙螺旋

JamesWatson(left)andFrancisCrick,1953大部分DNA所具有的雙螺旋結(jié)構(gòu)，亦稱為B型小溝大溝5`3`5`3`反向、平行、右手螺旋2鏈間堿基配對(duì)相連每10個(gè)堿基對(duì)螺旋上升一周疏水堿基位于內(nèi)部相鄰堿基平面互相平行，垂直于螺旋軸（1）兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸纏繞，為右手螺旋。1、結(jié)構(gòu)特征（2）堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸和核糖在外側(cè)，通過(guò)3’，5’－磷酸二酯鍵構(gòu)成骨架。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)平面與縱軸平行。大溝：寬1.2nm，深0.85nm，小溝：寬0.6nm，深0.75nm。（3）主要參數(shù)雙螺旋的直徑為2nm，兩個(gè)相鄰的堿基對(duì)之間的高度距離為0.34nm，兩個(gè)核苷酸之間的夾角36°，每圈螺旋含10個(gè)核苷酸，螺距3.4nm。（4）兩條核苷酸鏈依靠堿基間形成的氫鍵而結(jié)合。

A＝TG≡C（5）堿基在一條鏈上的排列順序不受任何限制。但根據(jù)堿基配對(duì)原則，一條核苷酸鏈序列可決定另一條互補(bǔ)鏈的序列。Watson和Crick的模型是根據(jù)DNA纖維的X射線衍射資料推導(dǎo)出來(lái)的，其提供的只是DNA結(jié)構(gòu)的平均特征。

K.Dickerson等人用人工合成的多聚脫氧核糖核苷酸（十二聚體）晶體進(jìn)行X射線衍射分析后，認(rèn)為十二聚體的結(jié)構(gòu)與Watson和Crick的模型十分相似，但在結(jié)構(gòu)上并不象Watson和Crick模型那么均一。雙螺旋的補(bǔ)充：（1）夾角和堿基對(duì)的數(shù)目變化（兩個(gè)堿基的夾角可由28。至42。不等。每一螺周含10.4個(gè)堿基對(duì)）（2）堿基對(duì)的兩個(gè)堿基的分布并非在同一平面上，而是沿長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)一定的角度。①堿基堆積力形成疏水環(huán)境（主要因素）。②堿基配對(duì)的氫鍵。GC含量越多，越穩(wěn)定。③磷酸基上的負(fù)電荷與介質(zhì)中的陽(yáng)離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負(fù)電荷間的斥力，有助于DNA穩(wěn)定。④堿基處于雙螺旋內(nèi)部的疏水環(huán)境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。2、穩(wěn)定雙螺旋結(jié)構(gòu)的因素

3、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的多樣性C、D和E型DNA鈉鹽在較高濕度下（92%）制得的纖維結(jié)構(gòu)。稱為B型，由于其水分含量較高，可能比較接近大部分DNA在細(xì)胞中的構(gòu)象。A型：相對(duì)濕度為75%以下。DNA的類型類型結(jié)晶狀態(tài)螺距堿基距離每圈旋轉(zhuǎn)

(nm)(nm)bp數(shù)方向A相對(duì)濕度75%2.80.25611右手

DNA鈉鹽B相對(duì)濕度92%3.40.3410右手

DNA鈉鹽C相對(duì)濕度66%3.10.3329.3右手

DNA鋰鹽Zd(GCGCGC)4.440.3712左手4與DNA堿基順序相關(guān)的特殊二級(jí)結(jié)構(gòu)(1).回文序列所謂回文序列就是指DNA某一片段旋轉(zhuǎn)180。后,順序不變的序列，回文序列中的單鏈可形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。雙鏈可形成十字架結(jié)構(gòu)。這種發(fā)夾結(jié)構(gòu)或十字架結(jié)構(gòu)在大腸桿菌細(xì)胞DNA中已有發(fā)現(xiàn)。

(2)鏡象結(jié)構(gòu)所謂鏡象結(jié)構(gòu)就是指DNA某一片段在一條鏈上出現(xiàn)顛倒重復(fù)的序列。多嘌呤-多嘧啶的鏡象序列可形成三螺旋結(jié)構(gòu)(H-螺旋或Hoogsteen螺旋)：該螺旋常處在許多真核細(xì)胞基因的表達(dá)調(diào)節(jié)區(qū)，可能與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)有關(guān)。5、三股螺旋DNAK.Hoogsteen1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合：oligo(Py):oligo(Pu)—oligo(Py/Pu)三股螺旋DNA中的堿基配對(duì)TTAT·A*TCCGC·G*C·表示W(wǎng)atson-Crick配對(duì)，*表示Hoogsteen配對(duì)圖14-10H-DNA的結(jié)構(gòu)

DNA雙螺旋通過(guò)扭曲和折疊所形成的特定構(gòu)象。

包括：不同二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用單鏈與二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相互作用

DNA的拓?fù)涮卣鞒菪荄NA三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。（三）DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)環(huán)形DNA共價(jià)閉環(huán)DNA（covalentlyclosedcircularDNA,cccDNA）,呈超螺旋型。一條鏈斷裂：開環(huán)分子（opencircularDNA,ocDNA)，分子呈松弛態(tài)。兩條鏈斷裂：線型分子

(linearDNA)電泳行為：超螺旋>線形>開環(huán)MOV:PBC\A0267501\supercoilingofDNA2、三種環(huán)形DNA的拓?fù)鋵W(xué)特性①連環(huán)數(shù)（linkingnumber,L）DNA雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù)。上述三種環(huán)狀DNA分子具有相同的結(jié)構(gòu)，但L值不同，所以稱為拓?fù)洚悩?gòu)體。拓?fù)洚悩?gòu)酶可以催化拓?fù)洚悩?gòu)體之間的轉(zhuǎn)換。②扭轉(zhuǎn)數(shù)（twistingnumber,T）DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù)目，以T表示③超螺旋數(shù)（纏繞數(shù),writhingnumber,W）連環(huán)數(shù)（L）纏繞數(shù)（T）扭曲數(shù)W松馳環(huán)25250解鏈環(huán)23230超螺旋2325-2L=T+W3、

拓?fù)洚悩?gòu)酶改變DNA拓?fù)洚悩?gòu)體的L值。①拓?fù)洚悩?gòu)酶酶I（解旋酶）能使雙鏈負(fù)超螺旋DNA轉(zhuǎn)變成松馳形環(huán)狀DNA，每次催化使L值增加1。②拓?fù)洚悩?gòu)酶酶II（促旋酶）能使松馳環(huán)狀DNA轉(zhuǎn)變成負(fù)超螺旋形DNA，每次催化使L減少2。生物體內(nèi)的核酸通常與蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)合物，以核蛋白（nucleoprotein）形式存在。基因組DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合形成染色體。病毒可以看成游離的染色體。DNA分子十分巨大，將它組裝到有限的空間需要高度組織，這種組裝可以用壓縮比（compressionratio）表示。壓縮比：DNA分子長(zhǎng)度與組裝后特定結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度之比。真核細(xì)胞在間期DNA組裝成染色質(zhì)，它具有各種活性，如復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，其壓縮比為1000-2000。在有絲分裂期，染色質(zhì)進(jìn)一步組裝成染色體，以便于將DNA分配到子代細(xì)胞，此時(shí)壓縮比達(dá)8000-10000。（四）DNA與蛋白質(zhì)的復(fù)合體真核細(xì)胞染色體的DNA念珠狀三級(jí)結(jié)構(gòu)1、染色體（H2A、H2B、H3、H4）2

真核生物染色體DNA組裝不同層次的結(jié)構(gòu)DNA

（直徑2nm）核小體鏈（10nm，每個(gè)核小體200bp）纖絲（30nm，每圈6個(gè)核小體）突環(huán)