生物化学第13章核酸的结构

5’
3’
5’
3’
核 酸 连中 接核 方苷 式酸 的
核酸结构的简写式
5’
3’
两种磷酸二酯酶的水解位点
三、DNA的高级结构
DNA碱基组成的Chargaff规则
Chargaff 等在20世纪40年代应用纸层析及
紫外分光光度技术测定各种生物DNA的碱基组 成，结果发现，DNA的碱基组成具有生物种的 特异性。不同物种的DNA有其独特的碱基组成， 而同一物种不同组织和器官的DNA碱基组成是
异构体之间的转变。
cccDNA的一些重要拓扑学特性
（2）扭转数（twisting number）指DNA分子
中的Watson-Crick螺旋数，以T表示。
（3）超螺旋数（number of turns of superhelix）
或缠绕数（writhing number）以W表示。
三者之间的关系为 L = T + W
Dickerson模型中碱基对的
螺旋桨状扭曲
不同类型的DNA双螺旋
Watson和Crick模型代表DNA钠盐在较高湿度 下（92%）制得的纤维的结构，该结构称为B型。 由于它的水分含量较高，可能比较接近大部分
DNA在细胞中的构象。DNA能以多种不同的构象
存在，除B型外通常还有A型、C型、D型、E型，
噬菌体fd
病 毒 的 结 构
动物病毒
噬菌体T2
细菌中的DNA
细菌拟核的突环结构
黑腹果蝇染色质的电镜照片
真核生物染色体的核小体结构
染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），核 小体的核心是一个蛋白质八聚体，由组蛋白H2A、H2B、 H3和H4各2个组成，DNA以左手螺旋在组蛋白核心上盘绕 1.8圈，共146bp。核小体之间连接DNA的长度随不同核小 体而略有不同，平均每个核小体占DNA200bp。
真 层 核 次组生 的装物 结的染 构不色 同体
DNA
四、RNA的高级结构
tRNA
tRNA在蛋白质生物合成中具有转运氨基
酸和识别密码子的作用，它携带特定的氨基酸
通过反密码子与密码子的识别，按照遗传密码
的规定合成肽链，将遗传信息从RNA传到蛋白 质。细胞内的tRNA种类很多，每一种氨基酸 都有对应的一种或几种tRNA。
DNA的三种形式
linear DNA
cccDNA
ocDNA
DNA的超螺旋形式
cccDNA的一些重要拓扑学特性
（1）连环数（linking number）这是环状DNA
的一个很重要的特征。连环数指的是在双螺旋
DNA中，一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕的
圈数，以字母L表示。L值不同的相同DNA分
子称为拓扑异构体。拓扑异构酶可以催化拓扑
核苷 (nucleoside)
碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。
糖苷键
DNA和RNA中的各种核苷
核苷酸 (nucleotide)
核苷酸 (nucleotide)
5’-腺苷酸
3’-腺苷酸
2’-腺苷酸
多磷酸核苷酸
环化核苷酸
（cAMP）
（cGMP）
二、核酸的共价结构
核酸中核苷酸的连接方式
的双螺旋区以及RNA－DNA杂合双链也具有与A
－DNA相似的结构。
DNA双螺旋的A、B、Z型
DNห้องสมุดไป่ตู้双螺旋的大小沟
在A－DNA中，碱基对倾角大，并偏向 双螺旋的边缘，给出一个深且狭的大沟和一
个宽且浅的小沟。而B－DNA中大沟比小沟
宽，但深度相近。Z－DNA只有小沟，没有
大沟。
DNA双螺旋的A、B、Z型
碱基堆积力使 DNA成为双螺旋
DNA其它构象的发现
后来，K. Dickerson等人用人工合成的多聚
脱氧核糖核苷酸（十二聚体）晶体进行X射线
衍射分析后，认为这种十二聚体的结构与
Watson和Crick模型非常相似，但在结构上并 不像Watson-Crick模型那样均一。这是由于碱 基序列不同，以致在局部结构上有较大差异。
DNA的二级结构Ⅰ
1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的 双螺旋模型，并因此和威尔金斯一起分享了1962 年的诺贝尔医学或生理学奖。
DNA的二级结构Ⅰ
DNA分子双螺旋模型具有以下特征： （1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心 轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。
（2）嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧，磷酸与 核糖形成的主链在外侧，碱基平面与纵轴垂直， 糖环平面与纵轴平行。两条链的配对偏向一侧， 形成一条大沟和一条小沟。
cccDNA的一些重要拓扑学特性
（4）比连环差（specific linking difference）以λ表示，
用以表示DNA的超螺旋程度。
λ =（L－L0）/ L0
式中L为双螺旋DNA分子的连环数，L0 为同一
DNA分子松弛状态时的连环数。λ 越大则超螺旋程
度越高。天然环状DNA分子一般都以负超螺旋构象
果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，
这种额外的张力就不能释放，DNA分子本身就会 发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋。
电话线的超螺旋
DNA的三种形式
从生物体中分离出的DNA有三种形式：
线状DNA（linear DNA） 共价闭合环DNA（covalently closed circular DNA，cccDNA） 开环DNA（open circular DNA，ocDNA） cccDNA常以超螺旋形式存在，ocDNA和 linear DNA为松弛态。
互作用，以及DNA的拓扑特征。超螺旋是三级结
构的一种主要形式。
DNA超螺旋的产生
当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存
在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如
果使这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转 几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的 末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放 出来，DNA将恢复成正常的松弛态双螺旋。但如
察到了一些人工合成的寡核苷酸能够形成三股螺旋
（triplex），寡核苷酸包括核糖核苷酸和脱氧核糖 核苷酸。K. Hoogsteen于1963年首先描述了三股螺 旋结构。在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸 链与寡嘧啶核苷酸－寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结
合。第三股链的碱基可与Watson-Crick碱基对中的
是C2’内式、碱基反式；dG是C3’内式，碱基顺式。
磷酸和糖的骨架呈现Z字形走向。随后发现天然 DNA局部也有Z型结构。Z型DNA的序列必须含鸟 嘌呤，并且嘌呤碱和嘧啶碱交替出现。 各型DNA可在一定条件下相互转变。
B型DNA中的局部Z型结构
A、B、Z型 DNA 结构参数的比较
DNA三股螺旋
早在20世纪50年代双螺旋发现之后不久，就观
超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每一次催
化作用可消除一个负超螺旋，即使L值增加1。
Ⅱ型酶刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成
负超螺旋DNA，每催化一次使L值减少2。
DNA的十字结构
有反向重复序列时可形成十字结构
DNA与蛋白质复合物的结构
生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成 复合物，以核蛋白的形式存在。DNA存在于病 毒颗粒中，细菌的拟核中，真核细胞的细胞核和 线粒体、叶绿体中。由于DNA分子很长，必须 以某种方式盘绕折叠后才能容纳于上述结构中。
DNA
分 子 的 双 螺 旋 结 构
DNA的二级结构Ⅱ
（3）双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱 基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为0.34nm， 两个核苷酸之间的夹角为36°。因此，沿中心轴 每旋转一圈有10个核苷酸，每一圈的高度（螺距） 为3.4nm。 （4）两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢 键而结合在一起，A必须与T配对，G必须与C配 对。AT之间形成两个氢键，GC之间形成3个氢 键。 （5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限 制，但根据碱基配对的原则，当一条链上的碱基 序列确定后，另一条链上的碱基序列必须与之互 补。两条链互为互补链。
嘌呤碱形成Hoogsteen配对。第三股链与寡嘌呤核
苷酸之间为同向平行。
3
3
Hoogsteen
配对
3
3
×
三股螺旋中的第三股 可以来自分子间，也 可以来自分子内。
DNA
三 股 螺 旋 图
DNA的三级结构
DNA的三级结构是指双螺旋的DNA分子通过
扭曲和折叠形成特定的构象，包括不同二级结构
单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相
A型
B型
Z型
DNA中糖环的构象
核糖的呋喃糖环并非平面，糖环上通常有一
个或两个原子偏离平面。若偏离的原子偏向C5’
一侧称为内式，若偏向另一侧称为外式。A型 DNA的糖环为C3’内式，B型为C2’内式。
B型
A型
DNA中碱基的顺反构象
碱基平面绕N－糖苷键旋转就产生顺式 （syn）和反式（anti）构象，反式构象是指嘌 呤的六元环或嘧啶的2位O远离糖链方向，顺式 构象是指它们靠近糖链方向。
配对碱基之间的氢键
配 对 碱 基 之 间 的 氢 键
碱基堆积力
The bases are stacked on the inside of the structure; these heterocyclic bases, as a consequence of their π-electron clouds, are hydrophobic on their flat sides.
存在，超螺旋密度（即比连环差）大约在－0.05左右。
环状DNA的正超螺旋
环状DNA的负超螺旋
环状DNA的不同构象
负超螺旋为右手螺旋，正超螺旋为左手螺旋。
线状DNA的负超螺旋
L=-2,
负超螺旋为左手螺旋，正超螺旋为右手螺旋。
染 色 体 中 的 超 螺 旋
DNA
拓扑异构酶的作用
拓扑异构酶有两种类型，Ⅰ型酶能使双链
DNA 嘌呤碱 嘧啶碱 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 胸腺嘧啶 RNA 腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶 尿嘧啶
嘌呤环和嘧啶环的结构
核酸中的嘌呤 和嘧啶
碱基酮式和烯醇式的互变异构
稀有碱基
几种嘌呤碱基
次黄嘌呤（I）
黄嘌呤（X）
尿酸
茶叶碱
可可碱
咖啡碱
核糖和脱氧核糖
核糖（链式）
核糖（环式）
脱氧核糖（链式） 脱氧核糖（环式）
氨基酸臂 tRNA三叶草形二级结构模型
二氢 U 环 （D 环）
Tψ C 环
额外环 （可变环）
反密码子环 反密码子
不同的tRNA由73~94 个核苷酸组成
二氢尿嘧啶核苷和假尿嘧啶 核苷结构式
二氢尿嘧啶核苷 DHU
Dickerson结构的差异处
（1）在Dickerson的十二聚体中，两个碱基之间的 夹角可由28°至42°不等，实际平均每一圈含10.4 个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变 动。 （2）在Dickerson的十二聚体中，组成碱基对的两 个碱基的分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长 轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶 片 那 样 ， 故 称 为 螺 旋 桨 状 扭 曲 （ propeller twisting）。这种结构可提高碱基堆积力，使DNA 结构更稳定。
一样的，不受生长发育、营养状况以及环境条
件的影响。
不 碱同 基生 组物 成
DNA
Ⅰ
的
不 碱同 基生 组物 成
DNA
（1）A = T （2）G = C （3）嘌呤碱基的总数等于嘧啶 碱基的总数，即A+G=C+T。这个规则为Watson和Crick提 出DNA双螺旋结构提供了重要根据。
Ⅱ
的
DNA的X光衍射图
第13章 核酸的结构
(Structure of nucleic acid)
一、核苷酸
二、核酸的共价结构
三、 DNA的高级结构
四、 RNA的高级结构
核酸的组成成分
磷酸
核糖 碱基 核苷 核苷酸
聚合
核糖核酸 RNA
磷酸 脱氧核糖 碱基 脱氧 核苷 脱氧 聚合 核苷酸 脱氧 核糖核酸 DNA
一、核苷酸
核酸中的碱基种类
以及左手螺旋的Z型。其中A型和B型是DNA的两
种基本的构象， C型、D型、E型与B型类似，Z型 则比较特殊。
A－DNA
在相对湿度75%以下获得的DNA纤维的X射 线衍射分析表明，这种DNA纤维具有不同于B型 的结构特点，称为A型。A－DNA也是由两条反
向的多核苷酸链组成的右手双螺旋，但螺体较宽
而短，碱基对与中心轴有19°的倾角。RNA分子
DNA中碱基的顺反构象
顺式
反式
反式
DNA中碱基的顺反构象
B－DNA中碱基的反式构象
Z－DNA中碱基的顺式构象
B型DNA中碱基的反式构象
Z－DNA
A. Rich在研究人工合成的d（CGCGCG）寡 核苷酸结构时发现了DNA左手螺旋的结构，它每 12个碱基对为一圈，螺距4.56nm，只有小沟。dC