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1、第四章 核酸的结构原理（教材第9章）,核酸包括核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类，它们对生物体的遗传信息的传递、蛋白质的生物合成及生物的发育调控等生命过程起着决定性的作用。 核酸的结构与功能 染色体的结构 基因组,核酸的结构与功能,核酸结构的研究简史 核酸的基本结构单位 DNA的结构 DNA的功能 RNA的结构 RNA的功能,核酸结构的研究简史,1868年，瑞士的Friedrich Miescher从脓细胞核中提取得到结合蛋白质的核酸，称为核素（nuclein） 1889年，Richard Altmann得到不含蛋白质的核素，命名为核酸（nucleic acid） 1929年，L
2、evene Jacobs得到核酸的化学组成 1938年，Astbury开始DNA纤维衍射的工作 1944年，Avery等完成肺炎球菌转化试验，证明DNA是遗传物质 1950年前后，Chargaff和Markham分析了各种生物DNA的碱基组成，发现了DNA碱基组成规律：A=T, G=C 1953年，James Watson和Francis Crick建立DNA双螺旋结构模型,核酸结构的研究简史（续）,1970s年代初，建立DNA重组技术，产生了一门新的学科基因工程。 1970s年代末，开始进行人工合成DNA片段的结晶和晶体衍射的分析工作。 1978年发表了第一个DNA片段晶体结构，是一个四核苷
3、酸片段。 1979年，A.Rich测定了d(CGCGCG)片段的晶体结构，发现是一个左手双螺旋结构。 1980年，R.E.Dickerson测定了12聚核苷酸片段：d(CGCGAATTCGCG)的晶体结构，证实了Watson-Crick模型的正确性，同时也发现了一些不同的结构特征。 1992年，建立了核酸三维结构数据库NDB。 现在，X射线晶体学、NMR和计算机模拟方法都已经用于研究核酸的空间结构。,核酸的基本结构单位,核酸是线性的多聚核苷酸（polynucleotide），核苷酸（nucleotide）是核酸的基本结构单位 核苷酸的结构 核苷 戊糖 碱基 磷酸,戊糖,戊糖的类型 b-D-核糖
4、 RNA b-D-2-脱氧核糖 DNA,戊糖,糖环的折叠形式 内型（endo）与外型（exo）构象以C5作为参照 糖环的折叠形式有两大类 信封式（envelope form） C2-endo（2E） C3-endo（3E） C2-exo （2E） C3-exo （3E） 扭转式（twist form） C2-endo-C3-exo（ , , ），又称S式 C2-exo-C3-endo（ , , ），又称N式,内型（endo）与外型（exo）,信封式构象,扭转式构象,呋喃糖环的折叠形式,糖环的折叠影响核苷酸的空间构象,单体核苷酸中糖环折叠C3-endo与C2-endo各占一半的比例 B-DNA螺
5、旋中糖环构象为C2-endo A-DNA螺旋中糖环构象为C3-endo RNA螺旋中糖环构象为C3-endo,碱基,腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T 尿嘧啶 U,碱基环的原子编号,碱基的顺式和反式构象,碱基的顺式和反式构象,磷酸基团,核苷酸的构象角,DNA的结构,DNA的一级结构 双螺旋DNA的二级结构 超螺旋DNA的三级结构 三链和四链DNA的结构,DNA的一级结构,DNA的一级结构是脱氧核糖核苷酸以3, 5-磷酸二酯键连接形成的长链 脱氧核糖和磷酸构成DNA的磷酸二酯主链，由糖苷键连接的碱基是DNA的侧链 磷酸基总是离子化的 核酸是聚阴离子 核苷酸链具有极性，方向：53 每
6、个核苷酸中有6-7个自由旋转的单键 核苷酸的序列编码了DNA中的遗传信息 Chargaff规则：双链DNA中 A = T & G = C 核苷酸中的碱基可以被修饰：DNA中A和 C有时被甲基化,DNA序列的测定,Sanger法（双脱氧末端终止法） Maxam-Gilbert法（化学降解法）,DNA的双螺旋结构二级结构,双螺旋结构的三种类型 B-DNA A-DNA Z-DNA,B型DNA的结构,B型DNA是天然DNA的最常见的构象，Watson-Crick双螺旋模型就是B型DNA的构象 B型DNA的结构特征 两条反平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕。 磷酸-脱氧核糖主链在外，碱基在内。碱基平
7、面相互平行叠加，与中心轴垂直，碱基平面的间距为3.4。 每圈螺旋含有10对碱基，螺距34。相邻两对碱基的夹角为36，螺旋的直径约为20。 两条链相对的碱基存在A-T, C-G的互补关系，A-T之间有两个氢键，C-G之间有三个氢键。 糖苷键是反式构型，脱氧核糖的折叠是2内型 在DNA双螺旋分子上交替存在大沟和小沟,B型DNA的结构,1980年，Dickerson测定了12聚寡核苷酸片段的晶体结构，发现并不象Watson-Crick模型那样均一，在局部结构上有较大的差异。从而对Watson-Crick模型提出了一些补充： 相邻两个碱基之间的夹角可从28到42不等，而不是固定的36。 组成碱基对的两
8、个碱基的分布并非在同一平面上，而是沿碱基对的长轴旋转一定角度，称为螺旋桨状扭曲。 双螺旋局部的构象变化能导致双螺旋结构整体的变化，如弯曲和沟的加宽等。,B型DNA的结构,Watson-Crick模型的意义 Watson-Crick模型阐明了遗传物质复制和传代的机制，对分子遗传学的形成和发展产生了深远的影响。,A型DNA的结构,A-DNA是在相对湿度为75%以下时获得的DNA纤维的结构。后来在DNA的晶体结构中也发现A-DNA的存在。 A-DNA的结构特征 也是右手双螺旋结构 螺旋直径比B-DNA更大。 碱基排列更紧密，碱基平面间距为2.56，每圈螺旋有11对碱基，螺距28。 脱氧核糖的折叠形式
9、为C3内型，而B-DNA为C2内型。 碱基对与中心轴的倾角不同，约为20，导致大沟和小构也有细微的差别。,Z型DNA的结构,1979年A.Rich等人测定了人工合成的DNA片段d(CGCGCG)的晶体结构，发现它是一个左手双螺旋结构，称为Z-DNA。 Z-DNA的结构特征为： 是左手双螺旋构象。 糖-磷酸主链的走向呈Z字形。 Z-DNA较B-DNA细长，螺旋直径18，碱基平面间距3.7。每圈螺旋含12对碱基，螺距45。 鸟嘌呤碱基是顺式构象，胞嘧啶碱基仍是反式构象。 Z-DNA的糖环的折叠是C3内型，B-DNA是C2内型。 Z-DNA只有一条小沟，较深，含有较高的负电荷密度。 Z-DNA也可存在于天然DNA的特殊区域，可能在调控基因表达中起重要作用。,A-DNA、B-DNA和Z-DNA结构的比较,