1、2006-3-22上海大學生命科學學院第十三章第十三章 核酸的結構核酸的結構一、核苷酸一、核苷酸二、核酸的共價結構二、核酸的共價結構三、三、DNADNA的高級結構的高級結構四、四、RNARNA的高級結構的高級結構Nitrogenous basePentose sugarHOCH2HOHDoxyribose (in DNA)HOCH2HOOHRibose (in RNA)PhosphatePyrimidinesCytosineThymineUracilCUTPurinesAdenineGuanineAG核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷戊糖戊糖堿基堿基一、核苷酸一、核苷酸假尿苷（假尿苷（ ）二氫尿嘧啶

2、（二氫尿嘧啶（DHU）AmCH3CH3H3Cm26GHH5HH幾種稀有核苷幾種稀有核苷2006-3-22上海大學生命科學學院2006-3-22上海大學生命科學學院2006-3-22上海大學生命科學學院核苷酸的生物學功能核苷酸的生物學功能 作為核酸的單體作為核酸的單體 細胞中的攜能物質（如細胞中的攜能物質（如ATPATP、GTPGTP、CTPCTP、U UTPTP） 酶的輔助因子的結構成分（如酶的輔助因子的結構成分（如NADNAD） 細胞通訊的媒介（如細胞通訊的媒介（如cAMPcAMP、cGMPcGMP）二、核酸的共價結構二、核酸的共價結構2006-3-22上海大學生命科學學院三、三、DNADN

3、A的高級結構的高級結構（一）（一） Chargaff Chargaff 規律規律 19501950年年（1 1）所有生物的）所有生物的DNADNA中，中，A=TA=T，G=CG=C，A+C=G+TA+C=G+T， 且且A+G=C+TA+G=C+T。（2 2） DNADNA的堿基組成具有種的特異性。的堿基組成具有種的特異性。（3 3） DNADNA堿基組成沒有組織和器官的特異性。堿基組成沒有組織和器官的特異性。（4 4） 年齡、營養狀況、環境等因素不影響年齡、營養狀況、環境等因素不影響DNADNA的堿的堿基組成。基組成。2006-3-22上海大學生命科學學院（二）（二）DNADNA的二級結構的二

4、級結構DNADNA的的NaNa鹽纖維和鹽纖維和DNADNA晶體的晶體的X X光衍射分析（光衍射分析（FranklinFranklin）2006-3-22上海大學生命科學學院DNADNA的雙螺旋模型特點的雙螺旋模型特點（1 1）兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個）兩條反向平行的多聚核苷酸鏈沿一個假設的中心軸右旋相互盤繞而形成。假設的中心軸右旋相互盤繞而形成。（2 2）磷酸和脫氧核）磷酸和脫氧核糖單位作為不變糖單位作為不變的骨架組成位于的骨架組成位于外側，作為可變外側，作為可變成分的堿基位于成分的堿基位于內側，鏈間堿基內側，鏈間堿基按按A AT T，G GC C配配對（堿基配對原對（堿基配對原則，則

5、，ChargaffChargaff定定律）律）2006-3-22上海大學生命科學學院（3 3）螺旋直徑）螺旋直徑2nm2nm，相鄰堿基平面垂直距離，相鄰堿基平面垂直距離0.34nm,0.34nm,螺旋結構螺旋結構每隔每隔1010個堿基對（個堿基對（base pair, bpbase pair, bp）重復一次，間隔為）重復一次，間隔為3.4nm3.4nm。大溝：寬1.2nm ，深0.85nm；小溝 ：寬0.6nm，深0.75nm。 大溝和小溝分別指雙螺旋表面凹下去的較大溝槽和較小大溝和小溝分別指雙螺旋表面凹下去的較大溝槽和較小溝槽。小溝位于雙螺旋的互補鏈之間溝槽。小溝位于雙螺旋的互補鏈之間,

6、,而大溝位于相毗而大溝位于相毗鄰的雙股之間。鄰的雙股之間。 2006-3-22上海大學生命科學學院堿基平面與縱軸垂直，糖環平面與縱軸平行；兩條核苷酸鏈之間依靠堿基間的氫鏈結合在一起；螺圈之間主要靠堿基平面間的堆積力維持。2006-3-22上海大學生命科學學院2006-3-22上海大學生命科學學院穩定雙螺旋結構的因素穩定雙螺旋結構的因素堿基堆積力形成疏水環境（主要因素）堿基堆積力形成疏水環境（主要因素） 。堿基配對的氫鍵。堿基配對的氫鍵。GCGC含量越多，越穩定。含量越多，越穩定。磷酸基上的負電荷與介質中的陽離子或組蛋白的磷酸基上的負電荷與介質中的陽離子或組蛋白的正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸

7、基上的負電正離子之間形成離子鍵，中和了磷酸基上的負電荷間的斥力，有助于荷間的斥力，有助于DNADNA穩定。穩定。堿基處于雙螺旋內部的疏水環境中，可免受水溶堿基處于雙螺旋內部的疏水環境中，可免受水溶性活性小分子的攻擊。性活性小分子的攻擊。2006-3-22上海大學生命科學學院DNADNA的雙螺旋結構的雙螺旋結構的意義的意義該模型揭示了該模型揭示了DNADNA作為遺傳物質的穩定性特征，最有作為遺傳物質的穩定性特征，最有價值的是確認了堿基配對原則，這是價值的是確認了堿基配對原則，這是DNADNA復制、轉復制、轉錄和反轉錄的分子基礎，亦是遺傳信息傳遞和表錄和反轉錄的分子基礎，亦是遺傳信息傳遞和表達的分

8、子基礎。該模型的提出是上世紀生命科學達的分子基礎。該模型的提出是上世紀生命科學的重大突破之一，它奠定了生物化學和分子生物的重大突破之一，它奠定了生物化學和分子生物學乃至整個生命科學飛速發展的基石。學乃至整個生命科學飛速發展的基石。2006-3-22上海大學生命科學學院（ 1 1 ） B - D N AB - D N A ： 典 型 的： 典 型 的Watson-CrickWatson-Crick雙螺旋雙螺旋DNADNA右手雙螺旋右手雙螺旋每圈螺旋每圈螺旋10.410.4個堿基對個堿基對螺距：螺距：3.32nm3.32nm（2 2） A-DNAA-DNA右手雙螺旋，外形粗短。右手雙螺旋，外形粗短

9、。RNA-RNARNA-RNA、RNA-DNARNA-DNA雜交分子雜交分子具有這種結構。具有這種結構。（3 3）Z-DNAZ-DNA左手螺旋，外形細長。左手螺旋，外形細長。天然天然B-DNAB-DNA的局部區域可以的局部區域可以形成形成Z-DNAZ-DNA。2006-3-22上海大學生命科學學院A B Z外型外型 粗短粗短 適中適中 細長細長螺旋方向螺旋方向 右手右手 右手右手 左手左手螺旋直徑螺旋直徑 2.55nm 2.37nm 1.84nm堿基直升堿基直升 0.23nm 0.34nm 0.38nm堿基夾角堿基夾角 32.70 34.60 60.00每圈堿基數每圈堿基數 11 10.4 1

10、2軸心與堿軸心與堿基對關系基對關系2.46nm 3.32nm 4.56nm堿基傾角堿基傾角 190 10 90大溝大溝 很窄很深很窄很深 很寬較深很寬較深 平坦平坦小溝小溝 很寬、淺很寬、淺 窄、深窄、深 較窄很深較窄很深2006-3-22上海大學生命科學學院 三股螺旋三股螺旋DNA DNA K. Hoogsteen 1963Hoogsteen 1963通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸- -寡嘌呤核苷酸雙寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結合：螺旋的大溝結合：oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py) : oligo(Pu)oligo(Py/Pu

11、)oligo(Py/Pu)第一股是寡嘧啶，中間是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡第一股是寡嘧啶，中間是寡嘌呤，第三股可以是寡嘧啶或寡嘌呤嘌呤2006-3-22上海大學生命科學學院第三股與寡嘌呤之間同向平行，并按第三股與寡嘌呤之間同向平行，并按HoogsteenHoogsteen配對。配對。T= A : A , CG ： C+T = A : T CG ： G2006-3-22上海大學生命科學學院DNADNA三股螺旋結構常出現在三股螺旋結構常出現在DNADNA復制、轉錄、重組的復制、轉錄、重組的起始位點或調節位點，如啟動子區。起始位點或調節位點，如啟動子區。第三股鏈的存在可能使一些調控蛋白或第三股鏈

12、的存在可能使一些調控蛋白或RNARNA聚合酶聚合酶等難以與該區段結合，從而阻遏有關遺傳信息的等難以與該區段結合，從而阻遏有關遺傳信息的表達。表達。2006-3-22上海大學生命科學學院（三）（三）DNADNA的三級結構的三級結構三級結構三級結構是指是指DNADNA在雙螺旋的基礎上通過扭曲和折疊形成的構在雙螺旋的基礎上通過扭曲和折疊形成的構象。象。超螺旋是超螺旋是DNADNA三級結構的主要形式。三級結構的主要形式。超螺旋超螺旋螺旋和超螺旋電話線螺旋和超螺旋電話線螺旋螺旋L=25,T=25,W=0松弛環形松弛環形1152010523L=23,T=23,W=0解鏈環形解鏈環形151015202315

13、10152025L=23,T=25,W=2負超螺旋負超螺旋121482316131510152023右手旋轉擰松兩匝后的線形右手旋轉擰松兩匝后的線形DNADNADNA超螺旋的形成超螺旋的形成2006-3-22上海大學生命科學學院2006-3-22上海大學生命科學學院連環數（連環數（linking number , Llinking number , L）DNADNA雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數雙螺旋中，一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數扭轉數（扭轉數（twisting number , Ttwisting number , T）DNADNA分子中的分子中的Watson-Cr

14、ickWatson-Crick螺旋數目，以螺旋數目，以T T表示表示超螺旋數（纏繞數超螺旋數（纏繞數 , writhing number , W, writhing number , W）L=T+WL=T+W連環數（L）扭轉數（T）纏繞數W松馳環25250解鏈環23230超螺旋2325-22006-3-22上海大學生命科學學院比連環差（比連環差（specific linking difference , specific linking difference , ）表示表示DNADNA的超螺旋程度的超螺旋程度(Superhelix density)(Superhelix density)=（L

15、 LL L0 0）/L/L0 0 = = 每一圈初級螺旋（每一圈初級螺旋（10bp10bp，360360）出現超螺旋）出現超螺旋數數L L0 0是指松馳環形是指松馳環形DNADNA的的L L值值負超螺旋負超螺旋DNADNA是由于兩條鏈的纏繞不足引起（是由于兩條鏈的纏繞不足引起（L L），），很易解鏈，易于參加很易解鏈，易于參加DNADNA的復制、重組和轉錄等的復制、重組和轉錄等2006-3-22上海大學生命科學學院拓撲異構酶拓撲異構酶改變改變DNADNA拓撲異構體的拓撲異構體的L L值。值。拓撲異構酶酶拓撲異構酶酶I I（解旋酶）（解旋酶）能使雙鏈負超螺旋能使雙鏈負超螺旋DNADNA轉變成松馳

16、形環狀轉變成松馳形環狀DNADNA，每次催，每次催化使化使L L值增加值增加1 1。拓撲異構酶酶拓撲異構酶酶IIII（促旋酶）（促旋酶）能使松馳環狀能使松馳環狀DNADNA轉變成負超螺旋形轉變成負超螺旋形DNADNA，每次催化使，每次催化使L L減少減少2 2。 DNA雙鏈重新連接雙鏈重新連接DNA雙鏈穿過雙鏈穿過DNA的釋放的釋放重復重復起始起始DNA雙鏈斷裂雙鏈斷裂2006-3-22上海大學生命科學學院DNADNA超螺旋結構形成的意義超螺旋結構形成的意義使使DNADNA形成高度致密狀態從而得以裝入核中；形成高度致密狀態從而得以裝入核中；推動推動DNADNA結構的轉化以滿足功能上的需要。如結

17、構的轉化以滿足功能上的需要。如負超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導致負超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導致局部變性，利于復制和轉錄。局部變性，利于復制和轉錄。2006-3-22上海大學生命科學學院（四）（四）DNADNA與蛋白質復合物的結構與蛋白質復合物的結構生物體內的核酸通常都與蛋白質結合形成復合物，生物體內的核酸通常都與蛋白質結合形成復合物，以核蛋白（以核蛋白（nucleoproteinnucleoprotein）的形式存在。）的形式存在。DNADNA分子十分巨大，與蛋白質結合后被組裝到有限的分子十分巨大，與蛋白質結合后被組裝到有限的空間中。空間中。1.1.病毒病毒噬菌體噬菌體T2T2

18、結構結構頭部頭部頸圈頸圈尾部尾部基板基板尾絲尾絲尖釘尖釘動物病毒切面模式圖動物病毒切面模式圖被膜（脂蛋白、被膜（脂蛋白、碳水化合物）碳水化合物）衣殼（蛋白質）衣殼（蛋白質）核酸核酸突起（糖蛋白）突起（糖蛋白）病毒粒病毒粒細菌擬核（細菌擬核（nucleoid nucleoid ）的突環結構）的突環結構DNA-蛋白質核心蛋白質核心突環由雙鏈突環由雙鏈DNA結結合堿性蛋白質組成合堿性蛋白質組成平均一個突環含平均一個突環含有約有約40kpDNA2.2.細菌的擬核細菌的擬核3.3.真核生物的染色體真核生物的染色體真核生物染色體真核生物染色體DNADNA組裝不同組裝不同層次的結構層次的結構DNA （2nm

19、）核小體鏈（核小體鏈（ 11nm，每個核小體，每個核小體200bp）纖絲（纖絲（ 30nm，每圈，每圈6個核小體）個核小體）突環（突環（ 150nm，每個突環大約，每個突環大約75000bp）玫瑰花結（玫瑰花結（ 300nm ，6個突環）個突環）螺旋圈（螺旋圈（ 700nm，每圈，每圈30個玫瑰花）個玫瑰花）染色體（染色體（ 1400nm， 每個染色體含每個染色體含10個螺旋圈個螺旋圈2006-3-22上海大學生命科學學院四、四、RNARNA的結構的結構（一）（一）RNARNA的一級結構的一級結構AMPAMP、GMPGMP、CMPCMP、UMPUMP通過通過3 3、5 5磷酸二酯鍵形成的磷酸二

20、酯鍵形成的線形多聚體。線形多聚體。組成組成RNARNA的戊糖是核糖的戊糖是核糖RNARNA的的U U替代替代DNADNA中的中的T T，此外，此外，RNARNA中常有一些稀有堿基。中常有一些稀有堿基。天然天然RNARNA分子都是單鏈線形分子，只有部分區域是分子都是單鏈線形分子，只有部分區域是雙螺旋雙螺旋結構結構。2006-3-22上海大學生命科學學院（二）（二）tRNAtRNA的高級結構的高級結構 70-90b 70-90b，分子量在，分子量在25kd25kd左右，沉降系數左右，沉降系數4S4S左右左右有較多稀有堿基有較多稀有堿基3 3末端為末端為CCA-OHCCA-OH 5 5末端大多為末端

21、大多為pGpG或或pCpC二級結構是三葉草形二級結構是三葉草形倒倒L L形的三級結構形的三級結構 2006-3-22上海大學生命科學學院酵母酵母tRNA tRNA AlaAla 的的二級結構二級結構DHU環環IGC反密碼子反密碼子反密碼環反密碼環氨基酸臂氨基酸臂可變環可變環TC環環CCAAla3 5 2006-3-22上海大學生命科學學院tRNAtRNA的功能：的功能：轉運氨基酸轉運氨基酸識別密碼子識別密碼子參與翻譯起始參與翻譯起始參與參與DNADNA的反轉錄的反轉錄參與基因表達調控參與基因表達調控2006-3-22上海大學生命科學學院（三）（三）rRNArRNA的高級結構的高級結構細菌：細菌

22、： 16S rRNA 16S rRNA 、5S rRNA5S rRNA、23S rRNA23S rRNA組成組成30S30S轉轉錄單位錄單位真核：真核：18SrRNA18SrRNA、 5.8S rRNA5.8S rRNA，28S rRNA28S rRNA組成組成45S45S的的轉錄單位，轉錄單位，5S rRNA5S rRNA單獨轉錄。單獨轉錄。rRNArRNA的功能：的功能：組成核糖體組成核糖體催化肽鍵形成的轉移酶活性存在于催化肽鍵形成的轉移酶活性存在于23SrRNA23SrRNA上上參與參與tRNAtRNA與與mRNAmRNA的結合的結合2006-3-22上海大學生命科學學院16SrRNA1

23、6SrRNA2006-3-22上海大學生命科學學院（四）（四）mRNAmRNA的結構的結構原核：多順反子（原核：多順反子（polycistronic mRNA)真核：單順反子，斷裂基因（真核：單順反子，斷裂基因（splited gene)原核細胞原核細胞mRNAmRNA的結構特點的結構特點5 3 順反子順反子順反子順反子順反子順反子插入順序插入順序插入順序插入順序先導區先導區末端順序末端順序由先導區、插入序列、翻譯區和末端序列組成。沒有由先導區、插入序列、翻譯區和末端序列組成。沒有5 5 帽子帽子和和3 3 polyApolyA。SDSD序列：序列：5 5 端先導區中，有一段富含嘌呤的堿基序列，典型端先導區中，有一段富含嘌呤的堿基序列，典型的為的為5 5 -AGGAGGU-3-AGGAGGU-3 ，位于起始密碼子，位于起始密碼子AUGAUG前約前約1010核苷酸處，核苷酸處，此序列由此序列由ShineShine和和DalgarnoDalgarno發現，稱發現，稱SDSD序列。序列。SDSD序列和核糖體序列和核糖體16S16S的的rRNArRNA的的3 3 末端富含嘧啶堿基的序列互末端富含嘧啶堿基的序列互補。補。真核細胞真核細胞mRNAmRNA的結構特點的結構特點AAAAAAA-OH5 “帽子帽子”PolyA 3 單順反子單順