分子生物学 核酸的结构与功能综述

第二章 DNA和RNA的结构 第一节 核酸的化学组成与结构 n核酸 核苷酸 n核苷酸 核苷 磷酸 n核苷 碱基 n 戊糖 一、核苷(nucleoside) n由碱基与戊糖通过N 糖苷键连接而形成 的。 n游离形式存在于细胞 中。 (一)碱基 Ø嘌呤 n腺嘌呤(A) n鸟嘌呤(G) Ø嘧啶 n胞嘧啶(C) n胸腺嘧啶 (T) n尿嘧啶(U) Ø 稀有碱基， n定量分析-碱基对波长为260nm的紫外线有 最大光吸收； n减色效应-碱基堆积力使核酸形成稳定的三 维结构；将杂环内的共轭键遮蔽起来所造成。 (二)戊糖 ØD核糖 n核糖核酸(RNA) ØD2脱氧核糖 n脱氧核糖核酸(DNA) ØRNA不如DNA分子稳定 nC-2上连有1个羟基 二、核苷酸 n核苷酸 Ø核苷的戊糖上C5位的 羟基与1个磷酸基团以 酯键连接 n二磷酸核苷酸 n三磷酸核苷酸 n环腺苷酸(cAMP)或环 鸟苷酸(cGMP) 三、核酸的结构 n核苷酸通过3，5磷 酸二酯键连接成无分 支的线性大分子 n骨架由戊糖与磷酸基 团组成 n 每股核酸链都有5和 3两个的末端，习惯 上按照5-3的方向书 写。 第二节 DNA的结构 一、研究历史 n1928年，Griffith的肺炎球菌转化实验 n1944年，Avery等人指出脱氧核糖核酸是导致肺炎球 菌转化的基本单位” n1951年，Herriott发现噬菌体T2 n1952年，Hershey和Chase为此用32P和35S进行了同位素 掺入实验 n1950年，Chargaff提出DNA分子的碱基组成是有规律 的 n1951年，Wilkins发现这DNA分子是由2条链组成的螺 旋结构 n1953年， Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型 二、DNA的结构 n一级结构 Ø核酸分子中核 苷酸的线性排 列顺序 §二级结构 Ø双螺旋结构 n其他高级结构 Ø分子规律地压 缩 (二)DNA的二级结构模型 Watson-Crick模型 nDNA分子是由两条反 向平行的多核苷酸链 围绕同一中心轴相互 缠绕形成的右手螺旋 n直径2nm，每环绕一 周升高 3.4nm，两个 相邻碱基对之间相距 0.34nm， n每周都由10个碱基对 形成。 n磷酸与核糖组成的骨 架位于双螺旋的外侧 ，碱基位于内侧。 n上下相邻的碱基平面 相互平行，且与中心 轴垂直。核糖平面与 中心轴平行。 n 两条反向平行链的稳 定性由疏水相互作用 和众多氢键来维持。 Watson-Crick模型 n位于同一平面上的两 个碱基间的配对是有 规律的，其中A与T通 过两对氢键配对，G 与C通过三对氢键配 对。 n碱基对互补原则(base pair complementarity)是碱 基的大小、形状和化 学组成共同限定的结 果。 Watson-Crick模型 nDNA分子的双螺旋结构 形成大小不等的两条螺 旋形凹沟。 n较大的1条称大沟(major groove)，较小的一条称 小沟(minor groove)。 n 每个碱基都会有一部分 在此区域“暴露”出来， 以便与其他的DNA结合 分子相接触。 Watson-Crick模型 DNA构象种类 n1、B构象 ØWatson-Crick模型，是 DNA结构的平均特征 n2、A、C、D、E、Z构 象 n3、构象变化的因素 Ø自身特定的碱基序列 Ø周围环境条件 A构象 n特征 Ø每一螺旋有11个碱基对 Ø显得比B-DNA短粗 n部位 ØDNA.RNA杂交链 Ø单链RNA的局部互补双 链 Z构象 n1979年Rich等发现 n特征 Ø二级结构更为细长 Ø左手螺旋的DNA Ø具有独特的锯齿形 (ZigZag)骨架 ZDNA的生物学意义 影响DNA的超螺旋状态，影响 DNA与其他分 子的结合状态，影响基因活性。 有利于调节蛋白识别并结合于特定的核酸序列 ZDNA参加真核生物染色质结构的形成 所有基因的增强子均含有形成ZDNA的序列 DNA二级结构的维持 n1氢键 ØG-C的配对强度高于AT Ø维持 DNA分子结构的稳定性 n 2.碱基堆积力 Ø实质是疏水相互作用和范德华引力 Ø维持DNA的二级结构起重要作用。 DNA二级结构的破坏（变性） n1、DNA变性因素 Ø加热 ØpH值变化 Ø有机溶剂 (尿素、酰胺) n2、DNA变性的用途 n3、增色效应 ØDNA变性后在260nm处的紫外光吸收将增强 (三) DNA的三级结构 n DNA的三级结构的定义 Ø是指双螺旋结构基础上的卷曲 包括 Ø线状双链的扭结和超螺旋、多重螺旋 Ø单链形成的环 Ø环状DNA中的扭结、超螺旋和连环 n 三级结构的普遍形式 Ø环形DNA双螺旋链进一步盘绕形成的超螺 旋。 DNA封闭环状结构 n真核DNA ØDNA结合蛋白组成的支架使DNA形成许多连 续的环状功能单位。 n原核DNA 1环形DNA的拓扑学特性(topology) n(1)连环数(1inking number) Ø以L表示,指双螺旋中两条链相互缠绕的次数 n(2)缠绕数(twisting number) Ø用T表示,是指DNA分子中Watson-Crick螺旋的 数目。 n (3)超螺旋周数(writhenumber of turns of superhelix) Ø 以W表示, W LT 超螺旋 n有方向性，分正超螺旋和负超螺旋。 n天然DNA都呈负超螺旋 超螺旋的生物学意义 n(1)超螺旋DNA较之松弛型分子有更为紧 密的结构，因而对DNA分子在细胞内的 包装过程更为有利。 n(2)超螺旋会影响双螺旋分子的解旋能力 ，从而影响到DNA与其他分子之间的相 互作用。 2DNA的包装 n第一步 Ø由大约200bp的DNA盘绕组蛋 白八聚体1.75周，形成直径约 10nm的核小体重复单位。 Ø相邻核小体之间形成 “串珠式 ”，DNA被压缩7倍。 n第二步 Ø每6个核小体盘曲一周，缠绕 成直径约30nm的纤维。 Ø染色质纤维在非组蛋白的帮助 下，沿着染色体纵轴反复盘曲 ，形成直径 300nm的染色体舒 展形式。DNA被压缩 100倍以 上 n第三步 n继续缠绕成为致密染色体。 DNA被压缩了大约104倍 (四) DNA的特殊结构 n1、回文序列 n2、三链DNA n3、四链DNA 1回文序列 (palindromic sequence) n序列特征 Ø反向重复的碱基序列 (inverted repeats) n结构特征 Ø发夹结构(hairpin) Ø十字架结构(cruciform structure) Ø分为茎、环两部分，结构稳 定性差，在DNA的调控区较 常见 Ø可用S1核酸酶来鉴定。 2三链DNA n(1) 结构特征 ØPyPuPy，如TAT，CGC等 ØPyPuPu，如TAA，CGG等 n(2) “HDNA(hingedDNA) Ø高嘌呤(Pu)或高嘧啶(Py)的双链DNA Ø链内包含有的对映重复序列 ØDNA链在此形咸一尖锐的转角 Ø对单链特异性的S1核酸酶高度敏感 (3)三链DNA的生物学意义 n作为靶序列的“分子剪刀”：精确切割目的双 螺旋DNA。 n反基因(antigene) 技术:作为基因表达的抑制 物，选择性阻断靶基因，抑制其转录。 n阻止序列专一性蛋白质的结合，影响DNA 与蛋白质结合及DNA复制、转录等。 3 四链DNA n特征 Ø富含G单链或两条富 含G的单链形成稳定 的G4四链DNA结构 n分布 Ø端粒(telomere)DNA n功能 Ø稳定染色体 Ø保持DNA完整性 第三节 RNA 一 、RNA的结构特征 n(一) 包含核糖，易被水解。 n(二) 尿嘧啶(U)替代胸腺嘧啶(T) n(三) 单链形式存在，无互补碱基比例。 n (四) 含稀有碱基或修饰碱基 二、RNA的主要类型和功能 n1、mRNA Ø占细胞总RNA的5，蛋白质合成的模板。 n 2、tRNA Ø占细胞总RNA的15，运送氨基酸到核糖体 n3、 rRNA Ø占细胞总RNA的80，核糖体的主要组分 §4、snR NA和scRNA Ø与遗传信息的表达密切相关 三 tRNA (一) tRNA一级结构 n1分子长度约7090个核 苷酸， n2分子中约20多个位置上 的核苷酸是保守的。 n3成熟的tRNA 5末端通常 为pG；3末端序列为CCA， n4分子含多种稀有或修饰 碱基，在所有RNA分子中修 饰程度最高。 n1、结构 Ø4茎4环组成的特征 性三叶草形结构 n2、功能域 Ø氨基酸接受茎 在 其3末端是CCA ØTC环 Ø可变环 ØD环 Ø反密码子环 (二) tRNA二级结构 (三) tRNA三级结构 酵母Phe tRNA三维结构的模型 1 tRNA分子中存在两个构象参数类似A型DNA的双螺旋 区。这两个双螺旋区相互垂直，使整个分子成为倒L 型。 酵母Phe tRNA三维结构的模型 2带有氨基酸连接位点的3CCA末端处于“L”的一端， 反密码子环则处在另一端，使 tRNA分子上的两个主要 功能区之间具有最大限度的间隔。 酵母Phe tRNA三维结构的模型 n3CCA末端及其附近的双螺旋区与tRNA分子的其他区 域缺乏强有力的相互作用，有利于3末端在蛋白质合成 过程中发生一些必要的构象变化。 酵母Phe tRNA三维结构的模型 n4在二级结构中未配对的某 些碱基参与了三级结构中特 殊的氢键作用 n核糖磷酸骨架与某些碱基 甚至其他区域的骨架之间也 能产生相互作用， nD环和 TC环组成倒L构象 的拐角 n上述几种作用都有助于维系 整个分子的结构。 (四) tRNA结构、功能、识别 ntRNA折叠形成大小相似的特征性三 级结构，使所有的tRNA分子都能进 入核糖体的A位和P位。 tRNA的识别 n同工tRNA Ø受同一氨酰tRNA合成酶的催化转运相同氨基 酸的tRNA n第二套遗传密码(second genetic code) Ø氨酰tRNA合成酶与tRNA分子间的相互识别作 用机制 n酶识别作用的位点 Ø氨基酸接受茎与反密码子环 Ø tRNA的构象 (五) tRNA转录后加工 n转录产物为多聚前体 nRNaseP切割产生多个具有成熟的tRNA 5端的 tRNA nRNase D逐一切去3端多余的核苷酸，直到 CCA序列处，形成具有成熟的3末端tRNA分 子。 (六)校正tRNA(suppressor tRNA) n1、校正tRNA Ø以tRNA基因的突变来补偿mRNA密码子上的 突变，从而恢复或部分恢复密码子“原意”的 tRNA。 n2、校正机制 Ø校正突变发生于tRNA的反密码子处，突变的 tRNA反密码子可识别突变后的密码子，合成 蛋白质的功能可基本保持正常。 四、rRNA n构成核糖体大、小亚基的骨架 n决定着整个复合体的结构以及蛋白组分所附着 的位置。 n较为稳定，碱基修饰成分少。 (一)核糖体的化学组成 n原核核糖体 ØRNA:蛋白质 2:1 Ø沉降系数是70S。 ü30S的小亚基(含16SrRNA和21个蛋白质分子) ü50S的大亚基(含23SrRNA，5SrRNA和31个蛋白质分子) n真核核糖体 Ø RNA:蛋白质1:1 Ø沉降系数80S， ü大亚基为60S(含28S、5.8S、 5S rRNA以及49个蛋白质分 子) ü小亚基为40S(含18SrRNA和33个蛋白分子)。 (二) rRNA的一级结构 n1、修饰碱基的含量比tRNA少得多，显著特点是甲 基化核苷的存在 n2、5S rRNA其进化上的保守性高于其他种类的 rRNA，5SrRNA一般不含修饰成分。 n 3、5.8SrRNA与大肠杆菌23SrRNA5端的160个核苷 酸具有同源性。 n4、不同生物来源的两种大分子rRNA(类16SrRNA和 类23SrRNA)一级结构的某些区域有高度的序列同源 性。 (三) rRNA的二级结