核酸的結構原理

1、核酸包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類，它們對生物體的遺傳信息的傳遞、蛋白質(zhì)的生物合成及生物的發(fā)育調(diào)控等生命過程起著決定性的作用。l核酸的結構與功能l染色體的結構l基因組l核酸結構的研究簡史l核酸的基本結構單位lDNA的結構lDNA的功能lRNA的結構lRNA的功能l1868年，瑞士的Friedrich Miescher從膿細胞核中提取得到結合蛋白質(zhì)的核酸，稱為核素（nuclein）l1889年，Richard Altmann得到不含蛋白質(zhì)的核素，命名為核酸（nucleic acid）l1929年，Levene Jacobs得到核酸的化學組成l1938年，Astbury開始D

2、NA纖維衍射的工作l1944年，Avery等完成肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗，證明DNA是遺傳物質(zhì)l1950年前后，Chargaff和Markham分析了各種生物DNA的堿基組成，發(fā)現(xiàn)了DNA堿基組成規(guī)律：A=T, G=Cl1953年，James Watson和Francis Crick建立DNA雙螺旋結構模型l1970s年代初，建立DNA重組技術，產(chǎn)生了一門新的學科基因工程。l1970s年代末，開始進行人工合成DNA片段的結晶和晶體衍射的分析工作。l1978年發(fā)表了第一個DNA片段晶體結構，是一個四核苷酸片段。l1979年，A.Rich測定了d(CGCGCG)片段的晶體結構，發(fā)現(xiàn)是一個左手雙螺旋結構。l

3、1980年，R.E.Dickerson測定了12聚核苷酸片段：d(CGCGAATTCGCG)的晶體結構，證實了Watson-Crick模型的正確性，同時也發(fā)現(xiàn)了一些不同的結構特征。l1992年，建立了核酸三維結構數(shù)據(jù)庫NDB。l現(xiàn)在，X射線晶體學、NMR和計算機模擬方法都已經(jīng)用于研究核酸的空間結構。l核酸是線性的多聚核苷酸（polynucleotide），核苷酸（nucleotide）是核酸的基本結構單位l核苷酸的結構n核苷l戊糖l堿基n磷酸l戊糖的類型nb-D-核糖 RNAnb-D-2-脫氧核糖 DNAl糖環(huán)的折疊形式n內(nèi)型（endo）與外型（exo）構象以C5作為參照n糖環(huán)的折疊形式有兩大

4、類l信封式（envelope form）nC2-endo（2E）nC3-endo（3E）nC2-exo （2E）nC3-exo （3E）l扭轉(zhuǎn)式（twist form）nC2-endo-C3-exo（ , , ），又稱S式nC2-exo-C3-endo（ , , ），又稱N式23,3223322332l單體核苷酸中糖環(huán)折疊C3-endo與C2-endo各占一半的比例lB-DNA螺旋中糖環(huán)構象為C2-endolA-DNA螺旋中糖環(huán)構象為C3-endolRNA螺旋中糖環(huán)構象為C3-endol腺嘌呤 Al鳥嘌呤 Gl胞嘧啶 Cl胸腺嘧啶 T l尿嘧啶 UlDNA的一級結構l雙螺旋DNA的二級結構l超

5、螺旋DNA的三級結構l三鏈和四鏈DNA的結構lDNA的一級結構是脫氧核糖核苷酸以3, 5-磷酸二酯鍵連接形成的長鏈l脫氧核糖和磷酸構成DNA的磷酸二酯主鏈，由糖苷鍵連接的堿基是DNA的側鏈n磷酸基總是離子化的n核酸是聚陰離子n核苷酸鏈具有極性，方向：53n每個核苷酸中有6-7個自由旋轉(zhuǎn)的單鍵l核苷酸的序列編碼了DNA中的遺傳信息nChargaff規(guī)則：雙鏈DNA中 A = T & G = C n核苷酸中的堿基可以被修飾：DNA中A和 C有時被甲基化lSanger法（雙脫氧末端終止法）lMaxam-Gilbert法（化學降解法）l雙螺旋結構的三種類型nB-DNAnA-DNAnZ-DNAl

6、B型DNA是天然DNA的最常見的構象，Watson-Crick雙螺旋模型就是B型DNA的構象lB型DNA的結構特征n兩條反平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞。n磷酸-脫氧核糖主鏈在外，堿基在內(nèi)。堿基平面相互平行疊加，與中心軸垂直，堿基平面的間距為3.4。n每圈螺旋含有10對堿基，螺距34。相鄰兩對堿基的夾角為36，螺旋的直徑約為20。n兩條鏈相對的堿基存在A-T, C-G的互補關系，A-T之間有兩個氫鍵，C-G之間有三個氫鍵。n糖苷鍵是反式構型，脫氧核糖的折疊是2內(nèi)型n在DNA雙螺旋分子上交替存在大溝和小溝l1980年，Dickerson測定了12聚寡核苷酸片段的晶體結構，發(fā)現(xiàn)并不象Wat

7、son-Crick模型那樣均一，在局部結構上有較大的差異。從而對Watson-Crick模型提出了一些補充：n相鄰兩個堿基之間的夾角可從28到42不等，而不是固定的36。n組成堿基對的兩個堿基的分布并非在同一平面上，而是沿堿基對的長軸旋轉(zhuǎn)一定角度，稱為螺旋槳狀扭曲。n雙螺旋局部的構象變化能導致雙螺旋結構整體的變化，如彎曲和溝的加寬等。lWatson-Crick模型的意義nWatson-Crick模型闡明了遺傳物質(zhì)復制和傳代的機制，對分子遺傳學的形成和發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。lA-DNA是在相對濕度為75%以下時獲得的DNA纖維的結構。后來在DNA的晶體結構中也發(fā)現(xiàn)A-DNA的存在。lA-DNA的

8、結構特征n也是右手雙螺旋結構n螺旋直徑比B-DNA更大。n堿基排列更緊密，堿基平面間距為2.56，每圈螺旋有11對堿基，螺距28。n脫氧核糖的折疊形式為C3內(nèi)型，而B-DNA為C2內(nèi)型。n堿基對與中心軸的傾角不同，約為20，導致大溝和小構也有細微的差別。l1979年A.Rich等人測定了人工合成的DNA片段d(CGCGCG)的晶體結構，發(fā)現(xiàn)它是一個左手雙螺旋結構，稱為Z-DNA。lZ-DNA的結構特征為：n是左手雙螺旋構象。n糖-磷酸主鏈的走向呈Z字形。nZ-DNA較B-DNA細長，螺旋直徑18，堿基平面間距3.7。每圈螺旋含12對堿基，螺距45。n鳥嘌呤堿基是順式構象，胞嘧啶堿基仍是反式構象。nZ-DNA的糖環(huán)的折疊是C3內(nèi)型，B-DNA是C2內(nèi)型。nZ-DNA只有一條小溝，較深，含有較高的負電荷密度。lZ-DNA也可存在于天然DNA的特殊區(qū)域，可能在調(diào)控基因表達中起重要作用。 A-DNA B-DNA Z-DNA 螺旋 右手 右手 左手 每圈的殘基數(shù) 11 10 12 每個殘基上升的距離(nm) 0.255 0.34 0.37