生物化学之核酸的结构与功能

第四章核酸的结构与功能第一节核酸的化学组成第二节核苷酸的结构第三节核酸的一级结构第四节DNA的结构与功能第五节RNA的空间结构与功能第六节核酸的理化性质及应用第七节核酸酶核酸的研究历史：1868年，瑞士外科医生FridrichMiescher从脓细胞核中分离到核酸样物质。1944年，OswaldAvery通过肺炎双球菌转化实验证实了DNA是遗传的物质基础。核酸分为DNA和RNA。DNA存在于细胞核和线粒体内，RNA存在于细胞质和细胞核内。第一节核酸的化学组成核酸是一种线形多聚核苷酸。核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，所以核酸的基本单位是：核苷酸。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核苷酸磷酸核苷碱基戊糖核酸核糖脱氧核糖嘌呤嘧啶•碱基+戊糖•核苷+磷酸•核苷酸poly聚合•核酸•(核苷酸之间通过3,5-磷酸二脂键连接)按戊糖不同，可分：1、脱氧核糖核酸（DNA）：分布于细胞核中，为染色体主要成份。D-2-脱氧核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶）2、核糖核酸：（RNA）：分布于细胞质和核仁中。D-核糖；磷酸；碱基（腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶）戊糖核糖脱氧核糖OOHHOHHOHCH2HOHH12345??/////54321HHOCH2HHOHOHHHO?///////核酸的重要性1、DNA是遗传物质，是遗传信息的载体：DNA→RNA→多肽中氨基酸的组成和顺序（中心法则）2、DNA以自身的半保留复制方式把遗传信息一代一代传递下去；3、核酸的研究在医学、农学等生命科学中发挥重要作用；4、基因工程进行的DNA重组，将创造出自然界原来没有的新品种。第二节核苷酸的结构一、碱基1、嘧啶碱：在嘧啶2位碳原子上由酮基取代H，4位碳原子上有氨基或酮基取代HNN123456嘧啶(pyrimidine)654321NNHNH2??O胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧啶）Cytosine(C)?NNH123456OO?尿嘧啶(2，4-二氧嘧啶)Uracil(U)O??654321NNHCH3??O胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）Thymine(T)此外还有：5-甲基胞嘧啶，5-羟甲基胞嘧啶，5,6-双氢尿嘧啶，假尿嘧啶。O?O654321NHNHR?Ψ假尿嘧啶核苷O?O654321NHNH2H2R?DHU:双氢尿嘧啶2、嘌呤碱：在嘌呤2位或6位碳原子上H被氨基或酮基取代此外还有：N6-甲基腺嘌呤，7-甲基鸟嘌呤等（p.479，表13-2）。NNHNN234567891嘌呤(purine)19875432NNHNN6NH2?腺嘌呤(6-氨基嘌呤)Adenine(A)198765432NNHNNH2N?O鸟嘌呤(2-氨基6-氧嘌呤)Guanine(G)7-甲基鸟嘌呤NNNNH2NOHCH39R2456781?mG：甲基鸟嘌呤核苷在DNA和RNA中都有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。胸腺嘧啶（T）只出现在DNA分子中，尿嘧啶（U）则只出现于RNA分子中。嘌呤嘧啶核糖磷酸DNAA，GC，T脱氧核糖磷酸RNAA，GC，U核糖磷酸两类核酸分子的组成比较嘌呤、嘧啶环上由于有共轭双键，在260nm波长附近对紫外光有较强的吸收。二、核苷由核糖和碱基之间以糖苷键（C-N糖苷键）缩合而成。连接方式是嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1与糖的C-1’以糖苷键相连。β-构型（1位羟基在环的上面）。核糖核苷：腺嘌呤核苷、鸟嘌呤核苷、胞嘧啶核苷、尿嘧啶核苷（p.480，表13-3）脱氧核糖核苷：腺嘌呤脱氧核苷、鸟嘌呤脱氧核苷、胞嘧啶脱氧核苷、胸腺嘧啶脱氧核苷（假尿嘧啶核苷：核糖与尿嘧啶第5位碳原子形成C-C糖苷键）19875432NNN6NH2?/////??54321HOCH2HHOHOHHONH腺嘌呤核苷（腺苷）核苷=核糖+碱基O?NNH2?123456///////?OHHNHOHCH2HOHH12345胞嘧啶脱氧核苷（脱氧胞苷）三、核苷酸核苷中的戊糖羟基（主要是5位上的）被磷酸酯化，形成核苷酸（p.481，表3-4）。核糖核苷酸：腺嘌呤核苷酸（AMP）、鸟嘌呤核苷酸（GMP）、胞嘧啶核苷酸（CMP）、尿嘧啶核苷酸（UMP）脱氧核糖核苷酸：腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）、鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）、胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）、胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）核糖核苷酸在2、3、5位上都有一个自由羟基，能各自被磷酸酯化；脱氧核糖核苷酸在2位上没有羟基，故只有3、5能被磷酸酯化。四、多磷酸核苷酸核苷与一个磷酸产生磷酸酯化的核苷酸，称为核苷单磷酸（NMP）；核苷单磷酸进一步磷酸化，形成核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（NTP）。磷酸之间的焦磷酸键含有很高的能量，称为高能键（~），是生物体内能量利用和贮存的主要物质（12000卡/每克分子高能键）。核苷二磷酸：ADP、GDP、CDP、UDP核苷三磷酸：ATP、GTP、CTP、UTP脱氧核苷二磷酸：dADP、dGDP、dCDP、dTDP脱氧核苷三磷酸：dATP、dGTP、dCTP、dTTPαβγO～OOPOOPOO----ATPADPAMPOOP～NNNNNH2OOHOHCH2O核苷酸=核苷+磷酸αβγO～OOPOOPOO----ATPADPAMPOOP～NNNNNH2OOHOHCH2O磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C-5’上。NMP（nucleosidemonophosphate)NDP(nucleosidediphosphate)NTP(nucleosidetriphosphate)五、环化核苷酸类（3,5’-环状腺苷酸，cAMP）由腺苷酸上磷酸与核糖的3’，5’碳原子形成双脂环化而成，其中3’位的磷酸酯键为高能键：由腺苷酸环化酶催化ATP脱去一分子焦磷酸而环化成cAMP；它又可被专一性的磷酸二酯酶水解成5’-AMP。六、核苷酸的性质1、紫外吸收：嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，因此使得碱基、核苷和核苷酸在240~290nm的紫外波段有强烈的吸收峰，最大吸收值在260nm附近。2、互变异构作用：凡含有酮基的嘧啶或嘌呤碱，在溶液中可发生酮式和烯醇式的互变异构现象：在生物细胞内一般是以酮式存在（这对核酸中氢键结构的形成十分重要）。654321NNHNH2??O?123456OHNH2?NN酮式烯醇式胞嘧啶（2-氧，4-氨基嘧啶）Cytosine(C)第三节核酸的一级结构一级结构指其核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，也称碱基序列。DNA：四种脱氧核苷酸按一定顺序以磷酸二酯键相连形成的聚脱氧核苷酸链（polydeoxynucleotides）。DNA的书写顺序是5‘——3’。DNA一级结构///////?OHHNHCH2HH12345///////?OHHNHCH2HH12345///////?OHHNHOHH12345OPOOO--OOPOOHCH2OOPOOOOPOO5’末端的磷酸基团3‘，5’-磷酸二酯键3‘末端羟基APCPTPCPGPAPPOH5'3'5'pApCpTpCpGpA-OH3'5'ACTCGA3'PPOHPOHPOHPOHACGU5'3'2'5'3'PPHPHPHPH5'3'2'5'3'R1R2R3R4RNADNA链简化图链简化图第四节DNA的结构与功能一、DNA的二级结构的研究史二十世纪二十年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出了四核苷酸假说。他认为DNA分子是由A、G、C、T4种核苷酸不断重复延伸而成。二十世纪五十年代初，Chargaff采用层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子的碱基组成，发现不同物种的DNA碱基组成不一样，并总有[A]=[T]；[C]=[G]。1953年，Watson和Crick以Chargaff的发现为基础，进行DNA晶体的X-射线衍射图谱研究，提出了DNA的双螺旋结构。1962年，Watson（美）和Crick（英）与Wilkins共享Nobel生理医学奖，Wilkins通过对DNA分子的X-射线衍射研究证实了Watson和Crick的DNA模型。DNA的二级结构(双螺旋)1953年，Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构二、DNA双螺旋结构的要点1、Watson-Crick模型模型的特性：双螺旋：两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，并且均为右手螺旋；双螺旋结构上有二条螺形凹沟：一条较深，称大沟；一条较浅，称小沟。基团位置：碱基位于双螺旋的内侧，且其平面与纵轴垂直；磷酸与核糖位于双螺旋外侧，彼此通过3’,5’-磷酸二酯键相连，形成DNA分子的骨架，且糖环的平面与纵轴平行。基团走向：多核苷酸链的方向取决于磷酸二酯键的走向，习惯上以C’3→C’5为正向。尺度：双螺旋平均直径为2nm。两个相邻的碱基之间相距高度（碱基堆积距离）为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36o。因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转的高度（螺距）为3.4nm。碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但依据碱基配对原则，当一条链序列确定后，可决定另一条互补链的序列。氢键：两条核苷酸链依靠彼此碱基之间的氢键相连而结合在一起：A与T相配对，形成两个氢键：A（N6）--T（O4）A（N1）--T（N3）G与C相配对，形成三个氢键：G（N2）--C（O2）G（N1）--C（N3）G（O6）--C（N4）上述碱基之间的配对原则，称之为碱基互补。?NH23457891654321NNCH3RHONNNN6ROHT==A123456234567891NNNNNHHHRHHNONNROC≡≡G2、Dickerson十二聚体（人工合成）的补充：（1）两个核苷酸之间的夹角并非都是36，可由28至42不等，实际平均每一螺周含10.4个碱基对；（2）组成碱基对的两个核苷酸的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶片的样子，故称为螺旋桨状扭曲。这可提高碱基堆积力，使DNA结构更稳定；（3）维持DNA二级结构的作用力：氢键、碱基堆积力。后者为维持二级结构的主要作用力。三、DNA结构的多样性DNA的右手螺旋并不是自然界DNA唯一存在的方式。右手螺旋结构是在生理盐水溶液中提取的DNA的结构，目前将这种结构称为B-DNA。1979年，AlexanderRich发现了左手螺旋，称为Z-DNA，另外也有A-DNA的存在。1、C-3’内式和C-2’内式是指呋喃核糖信封式构象中C3还是C2指向C5，见p14图1-13；2、糖苷键构象：嘌呤六元环或嘧啶的O2指向。远离糖的为反式，指向糖的为顺式。19875432NNN6NH2?/////??54321HOCH2HHOHOHHONHO?NNH2?123456///////?OHHNHOHCH2HOHH12345嘌呤六元环顺式嘧啶O2环顺式四、DNA的三级结构DNA的三级结构指DNA双螺旋通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。超螺旋是DNA三级机构的一种形式。环形DNA：大部分原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺旋。包括：某些病毒、噬菌体、细菌质粒、真核生物线粒体和叶绿体、细菌染色体DNA。线形DNA的两端有粘末端，也可借助DNA连接酶将互补的粘末端连接成环形DNA。超螺旋结构1、超螺旋的形成原因：当DNA双螺旋分子以一定构象自由存在时，是处于能量最低状态，为松弛型；如果额外多转或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放出来，DNA将恢复正常的双螺旋状态；但如果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外的张力就不能释放掉，DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋（双螺旋的螺旋）。2、拓扑学特性：（1）连环数：在双螺旋中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的次数，以L表示；（2）扭曲数：DNA分子中的Watson-Crick螺旋数目（螺周数），以T表示；（3）超螺旋数：双螺旋链再扭