第十三章 核酸的结构第十三章 核酸的结构

提要提要碱基、核苷和核苷酸 核酸的一级结构DNA 的二级结构DNA 的三级结构 染色体结构RNA 的二级、三级结构

碱基需要知道基本的结构

嘧啶– 胞嘧啶 (DNA, RNA)

– 尿嘧啶 (RNA)

– 胸腺嘧啶 (DNA) Purines

– 腺嘌呤 (DNA, RNA)

– 鸟嘌呤 (DNA, RNA)

嘧啶环和嘌呤环的编号以及各种碱基的化学结构

茶碱和咖啡因的化学结构

碱基的性质

碱基几乎不溶于水，这与其芳香族的杂环结构有关。

互变异构 (Keto-enol tautomerism) 酸碱解离 强烈的紫外吸收，其最大吸收值

在 260nm 。

碱基的互变异构

核苷酸的紫外吸收

核糖和脱氧核糖核糖和脱氧核糖

D- 核糖 (RNA) 2- 脱氧 -D- 核糖 (DNA) 差别： - 2'-OH vs 2'-H 这种差别影响到二级结构和稳定性。

核苷 核苷是由戊糖和碱基通过 β-N 糖苷键形成的糖苷。核苷中的戊

糖有 D- 核糖和 2- 脱氧 -D- 核糖两种，它们都以呋喃型环状结构存在。前者形成核糖核苷，后者形成脱氧核苷。核苷中的糖苷键由戊糖的异头体 C 原子与嘧啶碱基的 N1 或嘌呤碱基 N9形成。为了避免碱基环上原子的编号与呋喃糖环上原子编号混淆，在呋喃环上各原子编号的阿拉伯数字后需加“′” .

在核苷中，碱基在糖苷键上的旋转受到空间位阻的限制。结果核苷和核苷酸能以顺式和反式两种构象存在。顺式核苷的碱基与戊糖环在同一个方向，反式核苷的碱基与戊糖环在相反的方向。

由于嘧啶环 O2 和戊糖环 C5′ 之间的空间位阻，嘧啶核苷通常为反式构象。嘌呤核苷可采取两种构象。自由的嘌呤核苷（特别是鸟苷）更容易形成顺式构象，但是， DNA 和 RNA 螺旋中的嘌呤核苷主要为反式构象。

嘧啶核苷和嘌呤核苷的化学结构

顺式核苷和反式核苷

几种修饰核苷

核苷酸 核苷酸是核苷的戊糖羟基的磷酸酯。核糖核苷的磷

酸酯为核糖核苷酸，脱氧核苷的磷酸酯为脱氧核苷酸。理论上，核苷的 5′-OH 、 3′-OH 和 2′-OH 均可以被磷酸化而分别形成核苷 -5′- 磷酸、核苷 -3′- 磷酸和核苷 -2′- 磷酸。但是，自然界的核苷酸多为核苷 -5′- 磷酸。

核苷单磷酸（ NMP ）是指核苷的单磷酸酯。核苷单磷酸可以通过一次成酐反应形成核苷二磷酸（ NDP ）。核苷二磷酸再通过一次成酐反应生成核苷三磷酸（ NTP ）。为了将核苷二磷酸和核苷三磷酸上不同的磷酸根区分开来，将直接与戊糖 5′-羟基相连的磷酸定为 α 磷酸根，其余两个磷酸根从里到外依次被称为 β 磷酸根和 γ 磷酸根。

常见的核糖核苷酸的化学结构

环腺苷酸和环鸟苷酸的化学结构

核苷酸的生物功能 能量货币，通常是 ATP ，有时使用 UTP （糖原合

成）、 CTP （磷脂合成）和 GTP （蛋白质合成）； 核酸合成的前体： NTP→RNA ， dNTP→DNA ； 信息传导，例如 cAMP 和 cGMP 作为某些激素的第二信使，

鸟苷酸能构调节 G 蛋白的活性； 作为其它物质的前体或辅酶 / 辅基的成分，如 ADP 为辅酶 I

和 II 的组分，鸟苷酸作为第一类内含子的辅酶； 活化的中间物，如 UDPGlc 和 CDP- 乙醇胺分别参与糖原和

磷脂酰乙醇胺的合成； 作为酶的别构效应物参与代谢的调节，如 ATP 为磷酸果糖激

酶 -1 的负别构效应物， AMP 作为糖原磷酸化酶的正别构效应物 ;

调节基因表达。例如鸟苷 -5‘- 二磷酸 -3’- 二磷酸（ ppGpp ）和鸟苷 -5‘- 三磷酸 -3’- 二磷酸（ pppGpp ）参与调节原核细胞蛋白质的合成。

核酸的分类核酸的分类 DNA —— 一种类型，一种功能 RNA —— 多种类型，多种功能 编码 RNA 和非编码 (NcRNA)

性质 RNA DNA

戊糖 D- 核糖 2′-D- 脱氧核糖碱基 A 、 G 、 C 、 U A 、 G 、 C 、 T

多聚核苷酸链的数目

多为单链 多为双链

双螺旋 A 型 B 型和 Z 型种类 多种 只有一种功能 功能多样 一种功能 : 充当遗传物质

碱溶液下的稳定性 不稳定，很容易水解 稳定

DNA 和 RNA 的结构异同

英文缩写 全称 功能 存在mRNA 信使 RNA 翻译模板 所有的细胞tRNA 转移 RNA 携带氨基酸，参与翻译 同上rRNA 核糖体 RNA 核糖体组分，参与翻译 同上

SnRNA 小分子细胞核 RNA 参与真核 mRNA 前体的剪接 真核细胞SnoRNA 小分子细胞核仁

RNA参与真核 rRNA 前体的后加

工真核细胞

7SLRNA 7S 长 RNA 参与蛋白质的定向和分泌 真核细胞tmRNA 转移信使 RNA 兼有 mRNA 和 tRNA 的功能 原核细胞micRNA 信使干扰互补 RNA 调节 mRNA 的翻译 原核细胞

gRNA 指导 RNA 参与真核 mRNA 的编辑 某些真核细胞vRNA 病毒 RNA 作为 RNA病毒的遗传物质 RNA病毒RNAi 干扰 RNA 调节基因的表达 真核细胞

Ribozyme 核酶 催化特定的生化反应 原核细胞、真核细胞和某些 RNA病

毒Y RNA 不明，与细胞质某些特殊的

蛋白质形成核糖核酸蛋白复合物（ ribonucleoproteins ）

脊椎动物

Xist RNA 调节女性一条 X 染色体转变成巴氏小体（ Barr body ）

人

V RNA 不明，与细胞质某些特殊的蛋白质形成鞍马（ vault ）状复合物

真核细胞

各种 RNA 在真细菌、古细菌和真核生物体内的分布

核酸的一级结构

什么是一级结构？ 如何表示一级结构？ 如何确定一级结构 ?

Nucleic Acids - PolynucleotidesNucleic Acids - Polynucleotides

Polymers linked 3' to 5' by phosphodiester bridges

Ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid

Know the shorthand notations Sequence is always read 5' to 3' In terms of genetic information, this

corresponds to "N to C" in proteins

构成 DNA 和 RNA 核苷酸的结构和连接方式

核酸一级结构的缩写

DNA & RNA DNA & RNA 的差别的差别 ??

为什么 DNA 含有 T? C 自发脱氨基变成 U 修复酶能够识别这些突变，以用 C 取代

这些 U 。 如何区分正常的 U 和突变而来的 U? 使用 T就很容易解决以上问题。

DNA & RNA DNA & RNA 的差别的差别 ??

为什么 DNA 2‘- 脱氧， RNA 不是 ?

RNA临近的 -OH 使其更容易 DNA缺乏 2‘-OH 更加稳定 遗传物质必须更加稳定 RNA 需要的时候合成，不需要的时候

需要迅速降解。

DNA 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

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"Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic 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 chain, 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 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 sequence 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 could 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 Watson （左）和Crick （右）在讨论 DNA 双螺旋结构模型

B 型双螺旋 DNA 二级结构的主要形式为 James Watson 和 Francis 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，碱基配对规则是一条链上的 A总是与另一条链的 T ， G总是和 C 以氢键配对。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 。

AT 和 GC 碱基对的配对性质

B- 型 DNA 双螺旋结构的主要特征

DNA双螺旋结构的特征：

DNA 双螺旋结构的证据

（ 1 ） X射线衍射数据 （ 2 ） Chargaff 规则 （ 3 ）碱基的互变异构

DNA 湿纤维的 X 射线衍射图

物种 A:T G:C A:G

人 1.00 1.00 1.56

大麻哈鱼 1.02 1.02 1.43

小麦 1.00 0.97 1.22

酵母 1.03 1.02 1.67

大肠杆菌 1.09 0.99 1.05

粘质沙雷菌 0.95 0.86 0.70

不同物种 DNA 的 A/T 、 G/C 和 A/G 的比率

DNA 分子中不同碱基之间的可能配对

双螺旋稳定的因素（ 1 ）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积力。

（ 2 ）碱基堆积力 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 ）阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和。

Types of DNA Double HelixTypes of DNA Double Helix Type A: major conformation of RNA, minor

conformation of DNA; Type B: major conformation of DNA; Type Z: minor conformation of DNA

5’

5’

3’

3’

5’

5’

3’

3’

5’

5’

3’

3’ A B Z

Narrow tight

Wide Less tight

Left-handedLeast tight

DNADNA 双螺旋的双螺旋的 ABZsABZs

A-DNA

A-RNA

大沟

小沟

Comparison of A, B, Z DNAComparison of A, B, Z DNA

A : right-handed, short and broad, 2.3 Å, 11 bp per turn

B: right-handed, longer, thinner, 3.32 Å, 10 bp per turn

Z: left-handed, longest, thinnest, 3.8 Å, 12 bp per turn

A 型双螺旋 B 型双螺旋 Z 型双螺旋外形 短而宽 长而瘦 长而细每碱 基对上升距离

0.23nm 0.332±0.19nm 0.38nm

螺旋直经 2.55nm 2.37nm 1.84nm螺旋方向 右手 右手 左手螺 旋 内每重复单位的 bp 数

1 1 2

每圈 bp 数 ～ 11 ～ 10 12碱基夹角 32.7° 34.6° 60°/2螺距 2.46nm 3.32nm 4.56nm碱基对倾角 ＋ 19° 1.2°±4.1° － 9°螺旋轴位置 大沟 穿过碱基对 小沟大沟 极度窄、很深 很宽，深度中等 平坦小沟 很宽、浅 窄，深度中等 极度窄、很深糖苷键构象 反式 反式 C 为反式， G 为顺

式糖环折叠 C3′ 内式 C2′ 内式 嘧啶 C2′ 内式，嘌

呤 C3′ 内式存在 双 链

RNA ， RNA/DNA 杂交双 链 ，低 湿 度 DNA （ 75％）

双链 DNA （高湿度， 92％）

嘧啶和嘌呤交替存在的双链 DNA 或DNA 链 上 嘧 啶 和嘌呤交替存在的区域

A 型双螺旋、 B 型双螺旋和 Z 型双螺旋的比较

Z-DNAZ-DNA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 氢键在 Z-DNA 中得以保

持 !

DNA 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，镜像重复，直接重复，高嘌呤序列，高嘧啶序列，富含 A序列和富含 G序列。

（ 1 ）弯曲 （ 2 ）十字形 （ 3 ） P-DNA （ 4 ）三链螺旋与 H-DNA （ 5 ）四链螺旋与 G-四联体 （ 5 ）滑动错配 DNA （ SMP-DNA ）

十字形 DNA 的形成

P-DNA 与 B-DNA 的比较

滑动错配 DNA

DNA 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，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。

超螺旋 DNA 的定量描述（ 1 ）连环数（ L ） 是指 DNA 的一条链按照右手的方向环绕螺旋轴（螺旋轴被限制在同一

个平面上）一条链的次数。 对于一个共价闭环 DNA 来说，其 L 值是不变的。如一个 5 400bp 大小

的松弛型 B 型共价闭环 DNA ，其 L 值应该是 5 400/10 ＝ 540 。（ 2 ）扭转数（ T ） 是指 DNA 两条链相互缠绕的次数，即Watson-Crick 螺旋数。对于一

个倾向形成 B 型双螺旋的 DNA 来说，其最佳 T 值为碱基对数 /10 。（ 3 ）缠绕数（ W ） 用来衡量双螺旋轴旋转的程度。右手超螺旋的 W 值规定为负数，左手超螺旋的 W 值则被规定为正数。

L=T ＋ W 。 T 和 W 可以为小数值，但 L必须为整数值。（ 4 ）比连环差（ λ ） 该数据用来表示 DNA 的超螺旋密度，用 λ 表示。 λ= （ L-L0 ） /L0 ，

其中 L 是指某一超螺旋 DNA 的 L 值， L0 是指松驰环形 DNA 的 L 值。

DNA 复制过程中正超螺旋 DNA 的形成

RNA 的二级结构 RNA 的二级结构主要取决于它的碱基组成，其二级结构的多样性

可以和蛋白质相媲美。少数病毒 RNA 由两条互补的多聚核糖核苷酸链组成，它的二级结构为 A 型双螺旋。多数 RNA仅由一条链组成，它们的二级结构主要是由链内碱基的互补性决定的：链内互补的碱基可以相互作用形成链内 A 型双螺旋，非互补的碱基则游离在双螺旋之外，形成各种二级结构。在 RNA 双螺旋内常常可以发现 GU 碱基对。

RNA 分子中的 GU 碱基对

RNA 的三级结构 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

Sec/Tert Structure of RNASec/Tert Structure of RNA

tRNA

tRNA 分子只由一条链组成，含有 73~94 个核苷酸，其中有不少是修饰的核苷酸或修饰的碱基， 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 TψC 环上的碱基之间的发生的氢键作用。这些氢键将D臂和 TψC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。

RNA 的倒 L 形三级结构

tRNA三级结构之中的氢键配对

tRNA 三级结构之中的氢键配对

rRNArRNA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

16S rRNA 的二级结构

原核生物核糖体小亚基 rRNA 的三维结构

原核生物核糖体大亚基 rRNA 的三维结构

mRNAmRNADNA 的转录产物，蛋白质的翻译模板

原核生物多为多顺反子 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。 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。