第二章 核酸的結(jié)構(gòu)和功能

第二章核酸的結(jié)構(gòu)和功能第1頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)DNA結(jié)構(gòu)

1核酸的化學(xué)組成與共價結(jié)構(gòu)

2雙螺旋模型的特征

3雙螺旋結(jié)構(gòu)的其他形式

4DNA二級結(jié)構(gòu)的其它形式第2頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一核酸脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）

核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）

1核酸的化學(xué)組成與共價結(jié)構(gòu)◆組成◆類型第3頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一1核酸的化學(xué)組成與共價結(jié)構(gòu)◆堿基第4頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一1核酸的化學(xué)組成與共價結(jié)構(gòu)◆戊糖第5頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一◆核苷（nucleoside)：由D－核糖或D－2脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。核酸中的主要核苷有5種。

◆核苷酸(nucleotide)：核苷酸與磷酸殘基構(gòu)成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的結(jié)構(gòu)單元。◆

3’,5’－磷酸二酯鍵：核酸是由眾多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸，相鄰二個核苷酸之間的連接鍵即：3’，5’－磷酸二酯鍵。

1核酸的化學(xué)組成與共價結(jié)構(gòu)第6頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一1核酸的化學(xué)組成與共價結(jié)構(gòu)

◆

DNA分子的一級結(jié)構(gòu)①

多聚核苷酸鏈

主鏈?zhǔn)呛颂呛土姿醾?cè)鏈為堿基

由3’,5’磷酸二酯鍵連接

②鏈的方向：同一個磷酸基的3’酯鍵到5’酯鍵的方向

(5’→3’)5’-UCAGGCUA-3’=UCAGGCUA

默認(rèn)書寫順序5‘→3’

3’5’5’第7頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一2雙螺旋模型的特征1953.Watson&Crick

Watson（沃森）和Crick（克里克）建立的雙螺旋模型

Chatgaff（查塔姆）對DNA堿基組成的研究結(jié)果

Wilkins（威爾金斯）及其同事Franklin（富蘭克林）等用X射線衍射方法獲得的DNA結(jié)構(gòu)資料

第8頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)特點：右手反平行雙螺旋主鏈位于螺旋外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)，核糖平面與旋轉(zhuǎn)軸接近平行兩條鏈間存在堿基互補螺旋的每條鏈相鄰兩個堿基平面之間的距離為0.34nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，螺距為3.4nm，直徑為2nm大溝（majorgroove，2.2nm）和小溝（minorgroove，1.2nm）2雙螺旋模型的特征第9頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一模型中的堿基配對有何重要性？①A-T,G-C配對可形成很好的線性氫鍵；②A-T對和G-C對的幾何形狀一樣，使雙鏈距離相近，使雙螺旋保持均一；③堿基對處在同一平面內(nèi)。不論核苷酸的順序如何，都不影響雙螺旋的結(jié)構(gòu)；④為DNA半保留復(fù)制奠定了基礎(chǔ)。2雙螺旋模型的特征第10頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一影響雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素

堿基堆積的棒狀實體

●氫鍵

(Hydrogenbond4~6kc/mol)弱鍵,可加熱解鏈氫鍵堆積,有序排列(線性,方向)

第11頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一●堿基堆積力

(非特異性結(jié)合力)

磷酸骨架,氨基,酮基周圍水分子間的有序排列

嘌呤環(huán)與嘧啶環(huán)作用半徑疏水作用力

(Hydrophobicinteraction)

3.4A°(0.34nm/堿基對間距)第12頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一●帶負(fù)電荷的磷酸基的靜電斥力每一個核苷酸的磷酸基上都帶有一個負(fù)電荷。如果這些負(fù)電荷沒有被中和，雙鏈之間的這種強有力的靜電排斥作用將驅(qū)使兩條鏈分開

第13頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一●堿基分子的內(nèi)能

當(dāng)由于溫度等因素使堿基分子內(nèi)能增加時．堿基的定向排列遭受破壞，從而削弱堿基的氫鍵結(jié)合力和堿基的堆集力，會使DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)受到破壞。第14頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

綜上所述在決定DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)狀態(tài)的四點因素中，前二者(互補堿基的氫鍵結(jié)合力和相鄰堿基的堆集力)有利于DNA維持雙螺旋構(gòu)型，而后二者(磷酸基的靜電斥力和堿基分子的內(nèi)能)則不利于DNA維持雙螺旋構(gòu)型。一種DNA分子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)將是達(dá)四種因素競爭的結(jié)果。

第15頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

◆DNA的構(gòu)象現(xiàn)已知有A，B，C，D，E，T，Z7種。引起DNA雙鏈構(gòu)象改變有以下因素：

（1）核苷酸順序；（2）堿基組成；（3）鹽的種類；（4）相對濕度。3雙螺旋結(jié)構(gòu)的其他形式第16頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一B-DNA：生理狀態(tài)下，每螺圈10.4個堿基對，右手螺旋；

A-DNA：高鹽濃度下，每螺圈11個堿基對，右手螺旋；

Z-DNA：序列富含GC，嘌呤和嘧啶交替出現(xiàn)，每螺圈12個堿基對，左手螺旋。

DNA鈉鹽在相對濕度92％或活細(xì)胞生理狀態(tài)下，以及A－T較豐富的大多數(shù)自然DNA。DNA－RNA雜交分子或RNA雙鏈在高鹽的條件下，嘌呤-嘧啶相間排列，在活細(xì)胞中如果胞嘧啶被甲基化的（m5C）第17頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

Z－DNA的生物學(xué)意義：應(yīng)當(dāng)指出Z－DNA的形成通常在熱力學(xué)上是不利的。因為Z－DNA中帶負(fù)電荷的磷酸根距離太近了，這會產(chǎn)物靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點。DNA解螺旋卻是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)位點與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。

第18頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)DNA分子的高級結(jié)構(gòu)單鏈核酸形成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)回文序列形成的十字形結(jié)構(gòu)三股螺旋DNADNA的四鏈結(jié)構(gòu)DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)第19頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

當(dāng)同一個核酸分子中一段堿基序列附近緊接著一段它的互補序列時，核酸鏈有可能自身回折配對產(chǎn)生一個反向平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)，稱為發(fā)夾（hairpin）。由莖（配對區(qū)）和環(huán)（非配對區(qū)）組成。

●單鏈核酸形成的發(fā)夾結(jié)構(gòu)第20頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

回文序列：又稱反向重復(fù)序列，指DNA片段上的一段具有二重旋轉(zhuǎn)對稱性的反向互補序列。在雙鏈DNA中，如果兩條互補鏈分開，每條鏈上的互補序列都有機(jī)會發(fā)生堿基配對而形成一個發(fā)夾。兩個相對的發(fā)夾結(jié)構(gòu)形成了一個十字形結(jié)構(gòu)，對應(yīng)于4個雙螺旋區(qū)域的交叉點。原來的雙螺旋位于十字形結(jié)構(gòu)的兩側(cè)?！窕匚男蛄行纬傻氖中谓Y(jié)構(gòu)第21頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

1957，F(xiàn)elsenfeld發(fā)現(xiàn)三鏈核酸結(jié)構(gòu)（triplex)，1963，Hoogsteen，提出DNA三螺旋結(jié)構(gòu)，Hoogsteen模型中，第三個堿基以A或T與A＝T中的A配對，G或C與G三C中的G配對，只形成2個氫鍵，三股螺旋中第三股鏈可以來自分子間或分子內(nèi)。當(dāng)DNA一條鏈或其中一段為全嘌呤，另一條鏈或其中對應(yīng)的一段為全嘧啶，責(zé)可回折產(chǎn)生H－DNA，這種重復(fù)序列又稱H回文序列。

●

三股螺旋DNA第22頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一●四股螺旋DNA

(tetraplexDNA,TetrableHelixDNA)

1958.Poly(G)X-rayphotograph

堿基形成環(huán)狀氫鍵連接結(jié)構(gòu)TetrableHelixDNA均有形成四股螺旋DNA的可能

5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’3’---AATCCCAATCCC-5’Poly(G),4(dG)

染色體端粒高度重復(fù)的DNA序列

著絲點附近的高度重復(fù)序列

形成條件－－串聯(lián)重復(fù)的鳥苷酸已有實驗結(jié)果表明－－真核細(xì)胞端粒中存在四鏈結(jié)構(gòu)

第23頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一結(jié)構(gòu)特點LinkedbyHoogsteenBondingGGGG第24頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一

⊙DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)超螺旋是DNA三級結(jié)構(gòu)的主要形式，雙螺旋DNA進(jìn)一步扭曲盤繞則形成?！馜NA的超螺旋結(jié)構(gòu)第25頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一超螺旋是有方向的，有正超螺旋和負(fù)超螺旋兩種

第26頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一超螺旋結(jié)構(gòu)的方向性B-DNA緊纏overwinding(右旋)

正超螺旋（positivesupercoiled）導(dǎo)致左手超螺旋以一根繩子做實驗：原來的繩子的兩股以右旋方向纏繞；在繩子的一端向緊纏方向捻轉(zhuǎn)，再將繩子的兩端連接起來，則產(chǎn)生一個左旋的超螺旋以解除外加捻轉(zhuǎn)的協(xié)變第27頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一B-DNA松纏unwinding(左旋)

負(fù)超螺旋（NegativeSupercoiled

）導(dǎo)致右手超螺旋在繩子的一端向松纏方向捻轉(zhuǎn)，再將繩子的兩端連接起來，則產(chǎn)生一個右旋的超螺旋以解除外加捻轉(zhuǎn)的協(xié)變第28頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一⊙

DNA超螺旋的產(chǎn)生

☆DNA超螺旋都是由DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶產(chǎn)生的

拓?fù)洚悩?gòu)酶I識別負(fù)超螺旋DNA，引入正超螺旋拓?fù)洚悩?gòu)酶II主要功能為引入負(fù)超螺旋

，在DNA復(fù)制中起十分重要的作用

生物體通過拓?fù)洚悩?gòu)酶1和II的相反作用而使負(fù)超螺旋達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)。

DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶催化反應(yīng)本質(zhì)是先切斷DNA的磷酸二脂鍵，改變DNA的鏈環(huán)數(shù)之后再連接之，兼具DNA內(nèi)切酶和DNA連接酶的功能．然而它們并不能連接事先已經(jīng)存在的斷裂DNA，也就是說，其斷裂反應(yīng)與連接反應(yīng)是相互耦聯(lián)的。第29頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一⊙超螺旋的意義原核生物、線粒體、葉綠體、質(zhì)粒的DNA存在方式，使DNA形成高度致密狀態(tài)從而得以裝入核中；

DNA結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化以滿足功能上的需要。如負(fù)超螺旋分子所受張力會引起互補鏈分開導(dǎo)致局部解鏈形成呼吸泡，利于復(fù)制和轉(zhuǎn)錄第30頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)真核生物染色體的組裝模型

▲染色質(zhì)染色體☆在細(xì)胞分裂間期，基因組以染色質(zhì)形式存在

☆在細(xì)胞分裂期，基因組以染色體形式存在

常染色質(zhì)

DNA的壓縮比為1000-2000，主要為單拷貝基因和中等重復(fù)序列，是基因的活躍表達(dá)區(qū)域。異染色質(zhì)

DNA折疊壓縮程度比較高，以凝集狀態(tài)存在，對堿性染料著色較深，分為永久性的異染色質(zhì)和功能性異染色質(zhì)第31頁，共33頁，2023年，2月20日，星期一▲染色體的化學(xué)組成

☆

DNA

主要化