分子生物學-核酸的結構與功能

1、第二章 DNA和RNA的結構,第一節(jié) 核酸的化學組成與結構,核酸 核苷酸 核苷酸 核苷 磷酸 核苷 堿基 戊糖,一、核苷(nucleoside),由堿基與戊糖通過N糖苷鍵連接而形成的。 游離形式存在于細胞中。,(一)堿基,嘌呤 腺嘌呤(A) 鳥嘌呤(G) 嘧啶 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶 (T) 尿嘧啶(U) 稀有堿基，,定量分析-堿基對波長為260nm的紫外線有最大光吸收； 減色效應-堿基堆積力使核酸形成穩(wěn)定的三維結構；將雜環(huán)內(nèi)的共軛鍵遮蔽起來所造成。,(二)戊糖,D核糖 核糖核酸(RNA) D2脫氧核糖 脫氧核糖核酸(DNA) RNA不如DNA分子穩(wěn)定 C-2上連有1個羥基,二、核苷酸,核苷酸

2、 核苷的戊糖上C5位的羥基與1個磷酸基團以酯鍵連接 二磷酸核苷酸 三磷酸核苷酸 環(huán)腺苷酸(cAMP)或環(huán)鳥苷酸(cGMP),三、核酸的結構,核苷酸通過3，5磷酸二酯鍵連接成無分支的線性大分子 骨架由戊糖與磷酸基團組成 每股核酸鏈都有5和3兩個的末端，習慣上按照5-3的方向書寫。,第二節(jié) DNA的結構,一、研究歷史,1928年，Griffith的肺炎球菌轉化實驗 1944年，Avery等人指出脫氧核糖核酸是導致肺炎球菌轉化的基本單位” 1951年，Herriott發(fā)現(xiàn)噬菌體T2 1952年，Hershey和Chase為此用32P和35S進行了同位素摻入實驗 1950年，Chargaff提出DNA

3、分子的堿基組成是有規(guī)律的 1951年，Wilkins發(fā)現(xiàn)這DNA分子是由2條鏈組成的螺旋結構 1953年， Watson和Crick提出DNA結構的雙螺旋模型,二、DNA的結構,一級結構 核酸分子中核苷酸的線性排列順序 二級結構 雙螺旋結構 其他高級結構 分子規(guī)律地壓縮,(二)DNA的二級結構模型,Watson-Crick模型,DNA分子是由兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞形成的右手螺旋 直徑2nm，每環(huán)繞一周升高 3.4nm，兩個相鄰堿基對之間相距0.34nm， 每周都由10個堿基對形成。,磷酸與核糖組成的骨架位于雙螺旋的外側，堿基位于內(nèi)側。 上下相鄰的堿基平面相互平行，且與中

4、心軸垂直。核糖平面與中心軸平行。 兩條反向平行鏈的穩(wěn)定性由疏水相互作用和眾多氫鍵來維持。,Watson-Crick模型,位于同一平面上的兩個堿基間的配對是有規(guī)律的，其中A與T通過兩對氫鍵配對，G與C通過三對氫鍵配對。 堿基對互補原則(basepair complementarity)是堿基的大小、形狀和化學組成共同限定的結果。,Watson-Crick模型,DNA分子的雙螺旋結構形成大小不等的兩條螺旋形凹溝。 較大的1條稱大溝(major groove)，較小的一條稱小溝(minor groove)。 每個堿基都會有一部分在此區(qū)域“暴露”出來，以便與其他的DNA結合分子相接觸。,Watson-

5、Crick模型,DNA構象種類,1、B構象 Watson-Crick模型，是DNA結構的平均特征 2、A、C、D、E、Z構象 3、構象變化的因素 自身特定的堿基序列 周圍環(huán)境條件,A構象,特征 每一螺旋有11個堿基對 顯得比B-DNA短粗 部位 DNA.RNA雜交鏈 單鏈RNA的局部互補雙鏈,Z構象,1979年Rich等發(fā)現(xiàn) 特征 二級結構更為細長 左手螺旋的DNA 具有獨特的鋸齒形(ZigZag)骨架,ZDNA的生物學意義, 影響DNA的超螺旋狀態(tài)，影響 DNA與其他分子的結合狀態(tài)，影響基因活性。 有利于調(diào)節(jié)蛋白識別并結合于特定的核酸序列 ZDNA參加真核生物染色質結構的形成 所有基因的增強

6、子均含有形成ZDNA的序列,DNA二級結構的維持,1氫鍵 G-C的配對強度高于AT 維持 DNA分子結構的穩(wěn)定性 2.堿基堆積力 實質是疏水相互作用和范德華引力 維持DNA的二級結構起重要作用。,DNA二級結構的破壞（變性）,1、DNA變性因素 加熱 pH值變化 有機溶劑 (尿素、酰胺) 2、DNA變性的用途 3、增色效應 DNA變性后在260nm處的紫外光吸收將增強,(三) DNA的三級結構,DNA的三級結構的定義 是指雙螺旋結構基礎上的卷曲 包括 線狀雙鏈的扭結和超螺旋、多重螺旋 單鏈形成的環(huán) 環(huán)狀DNA中的扭結、超螺旋和連環(huán) 三級結構的普遍形式 環(huán)形DNA雙螺旋鏈進一步盤繞形成的超螺旋。

7、,DNA封閉環(huán)狀結構,真核DNA DNA結合蛋白組成的支架使DNA形成許多連續(xù)的環(huán)狀功能單位。 原核DNA,1環(huán)形DNA的拓撲學特性(topology),(1)連環(huán)數(shù)(1inking number) 以L表示,指雙螺旋中兩條鏈相互纏繞的次數(shù) (2)纏繞數(shù)(twisting number) 用T表示,是指DNA分子中Watson-Crick螺旋的數(shù)目。 (3)超螺旋周數(shù)(writhenumber of turns of superhelix) 以W表示, W LT,超螺旋,有方向性，分正超螺旋和負超螺旋。 天然DNA都呈負超螺旋,超螺旋的生物學意義,(1)超螺旋DNA較之松弛型分子有更為緊密的結

8、構，因而對DNA分子在細胞內(nèi)的包裝過程更為有利。 (2)超螺旋會影響雙螺旋分子的解旋能力，從而影響到DNA與其他分子之間的相互作用。,2DNA的包裝,第一步 由大約200bp的DNA盤繞組蛋白八聚體1.75周，形成直徑約10nm的核小體重復單位。 相鄰核小體之間形成 “串珠式”，DNA被壓縮7倍。 第二步 每6個核小體盤曲一周，纏繞成直徑約30nm的纖維。 染色質纖維在非組蛋白的幫助下，沿著染色體縱軸反復盤曲，形成直徑 300nm的染色體舒展形式。DNA被壓縮 100倍以上 第三步 繼續(xù)纏繞成為致密染色體。DNA被壓縮了大約104倍,(四) DNA的特殊結構,1、回文序列 2、三鏈DNA 3、

9、四鏈DNA,1回文序列 (palindromic sequence),序列特征 反向重復的堿基序列 (inverted repeats) 結構特征 發(fā)夾結構(hairpin) 十字架結構(cruciform structure) 分為莖、環(huán)兩部分，結構穩(wěn)定性差，在DNA的調(diào)控區(qū)較常見 可用S1核酸酶來鑒定。,2三鏈DNA,(1) 結構特征 PyPuPy，如TAT，CGC等 PyPuPu，如TAA，CGG等 (2) “HDNA(hingedDNA) 高嘌呤(Pu)或高嘧啶(Py)的雙鏈DNA 鏈內(nèi)包含有的對映重復序列 DNA鏈在此形咸一尖銳的轉角 對單鏈特異性的S1核酸酶高度敏感,(3)三鏈DN

10、A的生物學意義,作為靶序列的“分子剪刀”：精確切割目的雙螺旋DNA。 反基因(antigene) 技術:作為基因表達的抑制物，選擇性阻斷靶基因，抑制其轉錄。 阻止序列專一性蛋白質的結合，影響DNA與蛋白質結合及DNA復制、轉錄等。,3 四鏈DNA,特征 富含G單鏈或兩條富含G的單鏈形成穩(wěn)定的G4四鏈DNA結構 分布 端粒(telomere)DNA 功能 穩(wěn)定染色體 保持DNA完整性,第三節(jié) RNA,一 、RNA的結構特征,(一) 包含核糖，易被水解。 (二) 尿嘧啶(U)替代胸腺嘧啶(T) (三) 單鏈形式存在，無互補堿基比例。 (四) 含稀有堿基或修飾堿基,二、RNA的主要類型和功能,1、m

11、RNA 占細胞總RNA的5，蛋白質合成的模板。 2、tRNA 占細胞總RNA的15，運送氨基酸到核糖體 3、 rRNA 占細胞總RNA的80，核糖體的主要組分 4、snR NA和scRNA 與遺傳信息的表達密切相關,三 tRNA,(一) tRNA一級結構,1分子長度約7090個核苷酸， 2分子中約20多個位置上的核苷酸是保守的。 3成熟的tRNA 5末端通常為pG；3末端序列為CCA， 4分子含多種稀有或修飾堿基，在所有RNA分子中修飾程度最高。,1、結構 4莖4環(huán)組成的特征性三葉草形結構 2、功能域 氨基酸接受莖 在其3末端是CCA TC環(huán) 可變環(huán) D環(huán) 反密碼子環(huán),(二) tRNA二級結構

12、,(三) tRNA三級結構,酵母Phe tRNA三維結構的模型,1 tRNA分子中存在兩個構象參數(shù)類似A型DNA的雙螺旋區(qū)。這兩個雙螺旋區(qū)相互垂直，使整個分子成為倒L型。,酵母Phe tRNA三維結構的模型,2帶有氨基酸連接位點的3CCA末端處于“L”的一端，反密碼子環(huán)則處在另一端，使 tRNA分子上的兩個主要功能區(qū)之間具有最大限度的間隔。,酵母Phe tRNA三維結構的模型,3CCA末端及其附近的雙螺旋區(qū)與tRNA分子的其他區(qū)域缺乏強有力的相互作用，有利于3末端在蛋白質合成過程中發(fā)生一些必要的構象變化。,酵母Phe tRNA三維結構的模型,4在二級結構中未配對的某些堿基參與了三級結構中特殊的

13、氫鍵作用 核糖磷酸骨架與某些堿基甚至其他區(qū)域的骨架之間也能產(chǎn)生相互作用， D環(huán)和 TC環(huán)組成倒L構象的拐角 上述幾種作用都有助于維系整個分子的結構。,(四) tRNA結構、功能、識別,tRNA折疊形成大小相似的特征性三級結構，使所有的tRNA分子都能進入核糖體的A位和P位。,tRNA的識別,同工tRNA 受同一氨酰tRNA合成酶的催化轉運相同氨基酸的tRNA 第二套遺傳密碼(second genetic code) 氨酰tRNA合成酶與tRNA分子間的相互識別作用機制 酶識別作用的位點 氨基酸接受莖與反密碼子環(huán) tRNA的構象,(五) tRNA轉錄后加工,轉錄產(chǎn)物為多聚前體 RNaseP切割產(chǎn)

14、生多個具有成熟的tRNA 5端的tRNA RNase D逐一切去3端多余的核苷酸，直到CCA序列處，形成具有成熟的3末端tRNA分子。,(六)校正tRNA(suppressor tRNA),1、校正tRNA 以tRNA基因的突變來補償mRNA密碼子上的突變，從而恢復或部分恢復密碼子“原意”的tRNA。 2、校正機制 校正突變發(fā)生于tRNA的反密碼子處，突變的tRNA反密碼子可識別突變后的密碼子，合成蛋白質的功能可基本保持正常。,四、rRNA,構成核糖體大、小亞基的骨架 決定著整個復合體的結構以及蛋白組分所附著的位置。 較為穩(wěn)定，堿基修飾成分少。,(一)核糖體的化學組成,原核核糖體 RNA:蛋白

15、質 2:1 沉降系數(shù)是70S。 30S的小亞基(含16SrRNA和21個蛋白質分子) 50S的大亞基(含23SrRNA，5SrRNA和31個蛋白質分子) 真核核糖體 RNA:蛋白質1:1 沉降系數(shù)80S， 大亞基為60S(含28S、5.8S、 5S rRNA以及49個蛋白質分子) 小亞基為40S(含18SrRNA和33個蛋白分子)。,(二) rRNA的一級結構,1、修飾堿基的含量比tRNA少得多，顯著特點是甲基化核苷的存在 2、5S rRNA其進化上的保守性高于其他種類的rRNA，5SrRNA一般不含修飾成分。 3、5.8SrRNA與大腸桿菌23SrRNA5端的160個核苷酸具有同源性。 4、

16、不同生物來源的兩種大分子rRNA(類16SrRNA和類23SrRNA)一級結構的某些區(qū)域有高度的序列同源性。,(三) rRNA的二級結構,分子內(nèi)具有大量的莖環(huán)結構 有多種不同的構象可能性,16S rRNA的結構模型,少于半數(shù)的堿基進行配對 連續(xù)配對區(qū)的長度一般在80個堿基對以下 雙鏈區(qū)中未配對的部分常向外側膨出 共形成4個較為顯著的結構域,23S rRNA,分子中有大約52的核苷酸以雙鏈形式存在 分子自身3端和5端的序列之間形成互補的雙螺旋 通過一些遠距離的堿基配對，使分子形成6個區(qū)域。 細菌23SrRNA之間與真核生物28S rRNA的同源性主要就表現(xiàn)在二級結構方面 大腸桿菌5S rRNA整

17、個分子折疊成“Y”型,16S類rRNA二級結構 a 原核細菌E.coli b 古細菌H.volcanii,c真核 d共同特征,16S類rRNA二級結構,(四) rRNA與蛋白質的結合,rRNA可在特定的位點與蛋白質結合，結合位點通常是帶有發(fā)夾結構 結合到rRNA上的蛋白質可誘導rRNA的構象發(fā)生改變，使其他的蛋白質得以繼續(xù)結合,(五)核糖體亞基的組裝,1 先形成低甲基化略長于成熟的rRNA前體rRNA 2 除去多余的序列并進一步甲基化，前體構象改變。 3 經(jīng)過構象變化，允許其它的蛋白組分繼續(xù)加入。,(六) rRNA在蛋白質合成中的作用,核糖體大亞基rRNA具有肽酰轉移酶活性 16S rRNA3

18、末端的一段6堿基富含嘧啶的保守序列，可與mRNA起始密碼AUG之前的一段富嘌呤序列(也稱SD序列)直接互補 16SrRNA中的另一特定區(qū)域可與tRNA分子上的反密碼子區(qū)域發(fā)生直接作用。,五、mRNA,原核mRNA,為多順反子 (polycistron) 在AUG密碼子上游有SD序列，作用是識別與16SrRNA3 端富含嘧啶的短序列,真核mRNA,通常為單順反子(monocistron) 3 末端有一段長約200個核苷酸的“多聚A尾巴” (polyA tail) 5端有帽子 AUG前后的ACCAUGG(Kozak sequence)序列 是斷裂基團 5端和3末端往往有非翻譯區(qū)(UTR),六、其他種類的RNA,（一）hnRNA,真核細胞核mRNA的前體，統(tǒng)稱為不均一核RNA(heterogeneous Nuclear RNA，hnRNA)。,(二)真核細胞中的小RNA(small RNA),snRNA 細胞核中的小RNA分子稱為核內(nèi)小RNA (small nuclear RNA) scRNA 在胞質中小RNA分子的就叫做胞質小RNA(sall cytoplasmic RNA) snRNP and scRNP 小RNA以結合著蛋白質的核蛋白顆粒(ribonucleoprotein particles）的形式存在。,1snRNA,不到細胞總RNA的1 有15種左右，7種