第六章 核酸的结构与功能

tRNA三级结构之中的氢键配对
tRNA三级结构之中的氢键配对
rRNA
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
为什么RNA通常单链，DNA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
正超螺旋与负超螺旋
DNA复制过程中正超螺旋DNA的形成
从DNA双螺旋到染色体
来自百度文库
电镜下的核小体结构
核小体结构模型
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的多种二级结构
GNRA四环结构
RNA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。

DNA 弯曲
十字形DNA的形成
三螺旋DNA（H-DNA）
Hoogsteen碱基对与Watson-Crick碱基对
DNA双螺旋上某一个位置的C发生的翻转
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。
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。



"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. "
不同类型的RNA的功能和分布
不同类型的RNA的功能和分布
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，5'端到3'端 意义：DNA一级结构贮存各种遗传信息
构成DNA和RNA核苷酸的结构和连接方式
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
DNA和RNA的结构异同
为什么DNA的第四个碱基通常是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。
C
U
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。

AT和GC碱基对的配对性质
B-型DNA双螺旋结构的主要特征
大沟和小沟的秘密
DNA双螺旋结构的证据
①
② ③
X射线衍射数据 Chargaff 规则 碱基的互变异构
不同物种DNA的A/T、G/C和A/G的比率
物种
人 大麻哈鱼 小麦
A:T
1.00 1.02 1.00
G:C
1.00 1.02 0.97
第六章 核酸的结构与功能
提要
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

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)
Happy Birthday, Double Helix
"Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid"
(Nature, April 25, 1953. volume 171:737-738.)
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
DNA的ABZ双螺旋和三螺旋
A型双螺旋、B型双螺旋和Z型双螺旋的比较
Z-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）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）
枯草杆菌TPP核开关的三级结构的形成
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
tRNA
tRNA只由一条链组成，含有73~94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 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。
A:G
1.56 1.43 1.22
酵母
大肠杆菌 粘质沙雷菌
1.03
1.09 0.95
1.02
0.99 0.86
1.67
1.05 0.70
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 用的是碱基的堆集力。
（2）碱基堆集力