核酸结构简介

第一章核酸结构简介

1-1-1 核苷酸在生命组织中的功能

我们知道脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)是由单体的单位即使这样的一个单体一个单个的核苷酸以及它的修饰物通常具有重要的生物学功能

一个核苷酸由三个分子

片段(糖

在核苷酸中

呋喃糖通

过β糖苷键与四种杂环连接

形成四种正常的核苷

鸟苷

如果3’-或5’-

的羟基被磷酸化的话

它们是DNA

或RNA的基本单位

１－１－２ 核苷酸的功能与其

结构密切相关

由腺嘌呤核苷酸的例子

那么为什么某些基团的被修

饰就具有了这么丰富多彩的

功能呢为什么

8-Azaadenosine(氮杂腺嘌呤)

是一种抗生素图1-1 腺嘌呤核苷酸及其衍生物

很难想象C8由N所取代就有如此大的影响而是因为其三维结构或者说构象发生了变化

因为核苷酸或核酸在所有的代谢如果我们要在原子或分子水平上了解它们的功能

ÔçÔÚ1951年Furberg首先发表了胞苷的X射线晶体衍射结构(图1-2)1971年这是一个具有伟大意义的工作大大地丰富了人们对于核苷酸和核酸结构及其生物学功能的认识

而对于线

性分子的结晶几乎是

不可能的人们

只能获得一些短片段

的寡聚核苷酸分子的

三维结构

或者更长一些片段

的纤维DNA

¼´ÕâЩÏËά

×´µÄ·Ö×Ó¾-X射线照

射后

从衍射图上经分

析可得到一些结构信息

大量的光谱学和波谱学研究方法也广泛地应用于核酸的结构研究红外吸收光谱激光拉曼光谱光散射和核磁共振波谱等

并用此方法解出了DNA的结构

１－１－４　ＤＮＡ的双螺旋结构

在1951年但DNA的结构仍是未知的遗传的物质基础到底是什么蛋白质的生物合成功能是如何进行的

这些问题仅从化学研究的数据是无法回答的

Todd等人已发现核苷酸是由3’-, 5’-磷酸键连接形成线性多聚物的

A/T和G/C的比例总是等于1

ÔÚÑÜÉäͼÉÏÿ3.4埃的距离有一个非常强的反射

Gulland等人通过计算提出Wilkins等人根据新的X射线衍射数据提出DNA是一个螺旋分子并可接受几种不同的构象

Watson-Crick 根据以上这些DNA 的研究结果于1953年提出了DNA 双螺旋结构模

型(图1-3)

´Ë·¢ÏÖʹËûÃÇÈÙ»ñ1962年的诺贝尔奖

Watson-Crick 提出的双螺旋结构模型是这样的

两条DNA 多聚链形成互补碱基对结构

Ｇ－Ｃ碱基配对Ｎ－Ｎ连接

另一条链为3’→5’

ÕâЩ¼î»ù¶ÔÏó¶ÑÓ²±ÒÄÇÑùÒÔ 3.4埃的距离沿螺旋轴方向堆积

这样

形成一圈螺旋

碱基对位于两条链中间

１－１－５　从双螺旋到染色体 在生物体中这种有序的程度取决于生物进化的程度

可以是存在于简

单的病毒外壳中和原核生物细胞中在人的体

细胞中

每条染色体含有一个大约4厘米长的DNA 双链分子将可达2米长

那么DNA 在染色体中是如何组织以及如何表达的呢

但可肯定的是

化学性质以及它们的构造是和它们的三维结构密切相关的

１－２　核酸结构的定义和术语

ºËÜÕ

ÊõÓïºÍ·ûºÅ DNA 和RNA 的基本重复单位是核苷酸

C1’

被四种不同的杂环攻击并由β糖苷键相连接

在DNA 中的杂环碱基为G

A

而在RNA 中则为G

A

链的方向为5’→3’

呋喃糖

环

上

的

依

次

顺

序

为

C1’→C2’→C3’→C4’→O4’→C1’

˳ʱÕë·½ÏòÒÀ´ÎΪC4’沿O3’→P →O5’方向看

扭角

一个分子的三维结构是由键长在一个含有四个成键原子A-B-C-D中扭角θ定义为沿B→C方向或沿C→B方向上键A-B和键C-D的投影间的夹角则定义为θ如果离眼远点的键为顺时针转动则定义为正360°或-180°除用扭角θ来描述一个键的转动外即扭角的互补角

通常用扭角的范围来描

述如syn(~0°)

120°)

trans(~180°)

gauche(

P→O5’→C5’→C4’→C3’ →O3’

b d z 所定义的

别定义为从ν0到ν4

¼´ÈÆÌÇÜÕ¼üC1’-N转动的扭

角定义为χν3和δ指的是相同的

键(C3’-C4’)µ«¶¨Òå

²»Í¬

表1 核苷酸中扭角的定义

扭

角 所 包 含 的 原 子

α (n-1)O 3’-P-O 5’-C 5’

β P-O 5’-C 5’-C 4’ γ O 5’-C 5’-C

4’-C 3’ δ C 5’-C 4’-C 3’-O 3’ ε C 4’-C 3’-O 3’-P ζ C 3’-O 3’-P-O 5’ (n+1) χ O 4’-C 1’-N 1-C 2 (嘧啶) O 4’-C 1’-N 9-C 4 (嘌呤) ν0 C 4’-O 4’-C 1’-C 2’ ν1 O 4’-C 1’-C 2’-C 3’ ν2 C 1’-C 2’-C 3’-C 4’ ν3 C 2’-C 3’-C 4’-O 4’ ν4

C 3’-C 4’-O 4’-C 1’

Ëü¿É±»ÖåñÞ³ÉÐÅ·â(船)式(E) [四个原子处于一个平面内

在呋喃糖环中

偏离原子与C5’原子处于不同侧的叫做-exo

ÔÚŤÇúʽ¹¹ÐÍÖÐ

而偏离平面小的叫做次皱褶

(minor pucking)

这样一种对糖的皱褶方式的描述仅是一种近似的方法

对于五员环的皱

褶

即构象的变化

不是通过中间体的形式进行的

产生出

的

构象(图1-9)

在核苷酸中

图1-7 糖皱褶的

两种构象形式

图1-8 糖皱褶表示法