第六章 核酸的结构与功能 149课件.ppt

1、第六章第六章 核酸的结构与功能核酸的结构与功能一、核酸的分类二、核酸的一级结构三、核酸的高级结构1.DNA的高级结构2.RNA的高级结构四、核酸与蛋白质的相互作用1.DNA与蛋白质形成的复合体2.RNA与蛋白质形成的复合体五、核酸的功能核酸的分类核酸的分类?DNA 一种类型，一种功能（遗传物质）?RNA 多种类型，多种功能 编码RNA和非编码(NcRNA)DNA和和RNA的结构异同的结构异同为什么为什么DNA的第四个碱基通常是的第四个碱基通常是T?LC自发脱氨基变成UL修复酶能够识别这些突变，以用C取代这些U。L如何区分正常的U和突变而来的U?L使用T就很容易解决以上问题。CU为什么为什么DN

2、A 2-脱氧，脱氧，RNA不是不是?LRNA临近的-OH使其更容易自发水解LDNA缺乏2-OH更加稳定 L遗传物质必须更加稳定LRNA需要的时候合成，不需要的时候需要迅速降解亲核基团亲核基团为什么为什么RNA通常单链，通常单链，DNA通常双链？通常双链？RNA处于单链状态，使其能够自我折叠成可以和蛋白质相媲美的各种类型的二级结构和三级结构，这是形成RNA结构多样性的基础，否则所有的RNA与DNA一样，只能形成千篇一律的双螺旋。RNA在三维结构的多样性使其在细胞内能行使多项生物学功能。DNA通常是双链的，使其能够充分地行使作为遗传物质这项唯一的功能 不同类型的不同类型的RNA的功能和分布的功能和

3、分布不同类型的不同类型的RNA的功能和分布的功能和分布核酸的一级结构核酸的一级结构定义：核苷酸或碱基的排列顺序写法：从左到右，从左到右，5端到端到3端端意义：DNA一级结构贮存各种遗传信息构成构成DNA和和RNA核苷酸的结构和连接方式核苷酸的结构和连接方式DNA的二级结构的二级结构DNA的二级结构主要是各种形式的螺旋，特别是B-型双螺旋，此外还有A-型双螺旋、Z-型双螺旋、三链螺旋和四链螺旋等Happy Birthday,Double Helix 51Molecular Structure of Nucleic Acids:A Structure for Deoxyribose Nucleic

4、 Acid(Nature,April 25,1953.volume 171:737-738.)?The novel feature of the structure is the manner in which the two chains are held together by the purine and pyrimidine bases.The(bases)are joined together in pairs,a single base from one chain being hydrogen-bonded to a single base from the other chai

5、n,so that the two lie side by side.One of the pair must be a purine and the other a pyrimidine for bonding to occur.Only specific pairs of bases can bond together.These pairs are:adenine(purine)with thymine(pyrimidine),and guanine(purine)with cytosine(pyrimidine).?.in other words,if an adenine forms

6、 one member of a pair,on either chain,then on these assumptions the other member must be thymine;similarly for guanine and cytosine.The sequence of bases on a single chain does not appear to be restricted in any way.However,if only specific pairs of bases can be formed,it follows that if the sequenc

7、e of bases on one chain is given,then the sequence on the other chain is automatically determined.?.It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.The structure itself suggested that each strand co

8、uld separate and act as a template for a new strand,therefore doubling the amount of DNA,yet keeping the genetic information,in the form of the original sequence,intact.已步入古稀之年的已步入古稀之年的Watson（左）和（左）和Crick（右）在讨论（右）在讨论DNA双螺旋结构模型双螺旋结构模型DNA双螺旋结构的证据双螺旋结构的证据X射线衍射数据Chargaff 规则碱基的互变异构B型双螺旋型双螺旋nDNA二级结构的主要形式为

9、Watson和Crick于1953年提出的B型双螺旋，其主要内容是：（1）DNA由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，两条链相互缠绕形成右手双螺旋；（2）组成右手双螺旋的两条链是互补的，它们通过特殊的碱基对结合在一起，一条链上的A总是与另一条链的T，G总是和C配对。其中AT碱基对有二个氢键，GC碱基对有3个氢键；（3）碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起，对双螺旋的稳定起一定的作用；（4）双螺旋的表面含有明显的大沟和小沟（其宽度分别为2.2nm和1.2nm；（5）双螺旋的其它常数包括相邻碱基对距离为0.34nm，并相差约36。螺旋

10、的直经为2nm，每一转完整的螺旋含有10个碱基对，其高度为3.4nm。B-型型DNA双螺旋结构的主要特征双螺旋结构的主要特征AT和和GC碱基对的配对性质碱基对的配对性质双螺旋稳定的因素双螺旋稳定的因素（1）氢键氢键 氢键固然重要，但它们主要决定碱基配对的特异性，而对双螺旋稳定的贡献不是最重要的。对双螺旋稳定起决定性作用的是碱基的堆集力。（2）碱基堆集力碱基堆集力 这是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。它包括疏水作用和范德华力。碱基间相互作用的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比。总的趋势是嘌呤与嘌呤之间嘌呤与嘧啶之间嘧啶与嘧啶之间。另外碱基的甲基化能提高碱基的堆积力。（3）阳离子或带

11、正电荷的化合物对磷酸基团的中和阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和物种A:TG:CA:G人1.001.001.56大麻哈鱼1.021.021.43小麦1.000.971.22酵母1.031.021.67大肠杆菌1.090.991.05粘质沙雷菌0.950.860.70不同物种不同物种DNA的的A/T、G/C和和A/G的比率的比率DNA的的ABZ双螺旋和三螺旋双螺旋和三螺旋A型双螺旋、型双螺旋、B型双螺旋和型双螺旋和Z型双螺旋的比较型双螺旋的比较由Alex Rich发现?存在于DNA富含G:C的区域?G为顺式构象?C 保持反式，但整个胞苷酸（碱基和脱氧核糖）翻转180度?结果是 G:C 氢键

12、在Z-DNA中得以保持!DNA的非标准二级结构的非标准二级结构细胞内的DNA在特殊的条件下还可能形成其它几种非标准的二级结构。这些特殊的条件包括：DNA受到某些蛋白质的作用（如组蛋白）；DNA本身所具有的特殊基序，例如反向重复序列，回文结构回文结构，镜像重复，直接重复，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含富含A序列序列和富含富含G序列序列。（1）弯曲（2）十字形（3）三链螺旋与H-DNA（4）碱基翻转（5）四链螺旋与G-四联体（6）滑动错配DNA（SMP-DNA）DNA 弯曲弯曲十字形十字形DNA的形成的形成三螺旋三螺旋DNA（H-DNA）Hoogsteen碱基对与碱基对与Watson-Crick碱基

13、对碱基对 DNA双螺旋上某一个位置的双螺旋上某一个位置的C发生的翻转发生的翻转滑动错配滑动错配DNADNA的三级结构超螺旋 如果通过某种手段使得DNA双螺旋每一圈的碱基对数目多于或少于10对，将导致DNA双螺旋缠绕过多或缠绕不足；如果这时的DNA两端被固定或者DNA本来是共价闭环的，的张力无法释放而自发地形成超螺旋结构。DNA超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为左手超螺旋，由DNA双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为右手超螺旋，由DNA双螺旋缠绕不足引起。正超螺旋与负超螺旋正超螺旋与负超螺旋DNA复制过程中正超螺旋复制过程中正超螺旋DNA的形成的形成从从DNA双螺旋到染色体

14、双螺旋到染色体电镜下的核小体结构电镜下的核小体结构 核小体结构模型核小体结构模型局部双螺旋局部双螺旋RNA的二级结构RNA的三级结构的三级结构RNA的三级结构是在二级结构的基础上进一步折叠、包装而成的，其复杂性不亚于蛋白质。其中的双螺旋区域主要充当刚性的框架结构来组织其他结构或功能部件。构成突起、内部环、发夹环和末端环的单链区域对于RNA最终三级结构的形成至关重要，其作用相当于氨基酸残基的侧链基团对于蛋白质三级结构形成的贡献。正是因为这些单链区之间以及单链区与双链区之间核苷酸的相互作用，才使得一种RNA最终能够折叠成特有的三级结构。RNA折叠，特别是较大的RNA，就像大多数蛋白质折叠一样，也需

15、要分子伴侣的帮助，以便让大多数RNA能快速折叠成正确的构象。为了与参与蛋白质折叠的分子伴侣区分开来，通常将帮助RNA折叠的分子伴侣称为RNA伴侣。RNA伴侣与正在折叠的RNA分子结合以后，一旦有错误的折叠，就会破坏错误折叠的RNA分子内部的次级键，形成RNA蛋白体复合物，在这种复合物里，RNA能迅速重新折叠成最终正确的构象。枯草杆菌枯草杆菌TPP核开关的三级结构的形成核开关的三级结构的形成 RNA的三级结构的三级结构n构成RNA的三级结构的主要元件有假节结构、“吻式”发夹结构和发夹环突触结构等三种形式。tRNA则可形成倒L型三级结构DHUDHU区区反密码区反密码区“变偶变偶”碱碱基基常常为常常

16、为 I I5533DHUDHU区区反密码区反密码区.可变区可变区TCTC区区二级结构二级结构三叶草三叶草三级结构三级结构倒倒L氨基酸接受区氨基酸接受区tRNA三级结构之中的氢键配对三级结构之中的氢键配对tRNA tRNA只由一条链组成，含有7394个核苷酸，其中有不少是修饰的，3端的最后三个核苷酸总是CCA，链内的大多数碱基通过氢键相连，但几乎所有的tRNA分子上不变的核苷酸都在三叶草结构上非氢键区域。构成tRNA二级结构的要素有：环、茎和臂。一个典型tRNA的二级结构像三叶草，含有四个环和四个茎。环由链内没有配对的碱基突出而成，茎则是链内互补的碱基之间配对形成的局部A-型双螺旋，臂则是紧靠着

17、茎又不属于环的非配对核苷酸。tRNA三级结构形成的原因是D环上的碱基与不变碱基以及TC环上的碱基之间的发生的氢键作用。这些氢键将D臂和TC臂折叠到一起，并将三叶草二级结构弯曲成稳定的倒L型三级结构。参与三级结构形成的许多氢键并不是通常的AU和GC碱基对。核糖体合成蛋白质核糖体合成蛋白质?所有的核糖体都含有大小两个亚基?rRNA约占据核糖体的2/3?高度的链内互补序列导致大量的碱基配对?rRNA 充当核糖体蛋白的支架?大肠杆菌的23S rRNA是转肽酶!?一级结构上相似性并不高，但它们的二级结构却惊人地相似。?核糖体的整体构象由rRNA决定，核糖体蛋白质一般正好位于RNA螺旋之间原核生物原核生物

18、rRNA的三维结构的三维结构小亚基小亚基rRNA大亚基大亚基rRNADNA的转录产物，蛋白质的翻译模板J原核生物多为多顺反子J真核生物多为单顺反子，5端具有帽子，3端具有多聚腺苷酸尾巴。J出现在mRNA分子上最多的二级结构部件也是茎环结构。mRNA分子的二级结构，特别是两端的二级结构对于翻译有影响，而某些mRNA借助于末端特殊的二级结构对基因的表达进行调控。顺反子顺反子：含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全部核苷酸：含有决定一种蛋白质氨基酸序列的全部核苷酸序列。序列。多顺反子多顺反子：携带一种以上蛋白质合成信息的：携带一种以上蛋白质合成信息的mRNA。SD序列序列SD序列序列:在原核生物在原核生物

19、mRNA起始密码子起始密码子AUG的上游的上游约约10 10个核苷酸处个核苷酸处，含有的，含有的一段富含嘌呤核苷酸的序一段富含嘌呤核苷酸的序列列，称前导序列。这段序列与翻译的起始有关，称前导序列。这段序列与翻译的起始有关，是是核糖体小亚基核糖体小亚基16SrRNA结合的部位结合的部位。（一）非翻译区和（一）非翻译区和SD序列序列（二）（二）5 5 端甲基化端甲基化“帽帽”结结构构（三）（三）3 3 端多聚腺苷酸端多聚腺苷酸“尾尾”结构结构防降解，为真核生物提供翻译起始识别标志。防降解，为真核生物提供翻译起始识别标志。提高真核生物提高真核生物mRNA稳定性。稳定性。总结总结 RNARNA通常是单链线型分子，但可自身通常是单链线型分子，但可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠成三级结构。除而折叠成三级结构。除tRNAtRNA外，几乎全外，几乎全部细胞中的部细胞中的RNARNA都与蛋白质形成核蛋白复都与蛋白质形成核蛋白复合物（四级结构）。合物（四级结构）。