第1章B核酸的结构和性质

Biological roles of RNA
1. RNA is the genetic material of some viruses. 2. RNA functions as the intermediate (mRNA) between the gene and the protein-synthesizing machinery. 3. RNA functions as an adapto源自文库 (tRNA) between the codons in the mRNA and amino acids. 4. RNA serves as a regulatory molecule, which through sequence complementarity binds to, and interferes with the translation of certain mRNAs. 5. Some RNAs are enzymes that catalyze essential reactions in the cell (RNase P ribozyme, large rRNA, self-splicing introns, etc).
hairpin
bulge
loop
The double helical structure of RNA resembles the A-form structure of DNA.
The minor groove is wide and shallow, but offers little sequence-specific information. The major groove is so narrow and deep that it is not very accessible to amino acid side chains from interacting proteins. Thus RNA structure is less well suited for sequence-specific interactions with proteins
• Eukaryotic cell
– 5S rRNA – 5.8S rRNA – 18s rRNA – 28s rRNA
E.Coli 16S rRNA
Some RNAs are enzymes
• Ribozymes are RNA molecules that adopt complex tertiary structure and serve as biological catalysts. The common theme of ribozyme is that the RNA can perform an intramolecular or intermolecular reaction that involves cleavage or joining of phosphodiester bonds.
Group I introns undertake self-splicing by transesterification
Self-splicing occurs by transesterification reactions in which bonds are exchanged directly. The bonds that have been generated at each stage are indicated by the shaded boxes.
• Transfer RNA (tRNA) （15％） • Messenger RNA (mRNA) （5％） • Ribosomal RNA (rRNA) （80％）
tRNA
三叶草型
mRNA
rRNA
• Prokaryotic cell
– 5S rRNA – 16s rRNA – 23s rRNA
三链DNA
基本结构：
Py-Pu-Py构象(如T-A.T, C-G.C+) Pu-Pu-Py构象(如A.A-T, G.G-C)
H | D N A
鸟嘌呤四聚体
端粒
四、 RNA的结构
RNA contains ribose and uracil and is usually single-stranded
超螺旋的意义
负超螺旋含有自由能，可以为打开双链提 供能量，有局部解旋倾向，使DNA复制和转 录过程顺利进行。 唯一含有正超螺旋DNA的生物体是某些生活 在极端高温环境中的嗜热微生物。打开正 超螺旋需要更多能量，可阻止DNA在高温中 发生变性。
DNA拓扑异构酶 （Topoisomerase）
反应本质是先切断DNA的磷酸二酯键，改 变DNA的链环数后再连接。 兼有DNA内切酶和DNA连接酶的功能。 拓扑异构酶Ⅰ 拓扑异构酶Ⅱ 促旋酶
• Introns of the group I and group II possess the ability to splice themselves out of the pre-mRNA that contains them. • The enzyme ribonuclease P is a ribonucleoprotein that contains a single RNA molecule bound to a protein. • Small RNAs of the viroid class have the ability to perform a self-cleavage reaction.
拓扑异构酶Ⅰ
拓扑异构酶Ⅰ切开DNA双链中的一条，未被切的 互补链通过缺口穿过来，然后连上缺口。
拓扑异构酶Ⅱ
拓扑异构酶Ⅱ结合于DNA，产生双链断裂，未断 裂的DNA穿过缺口后，再将断链闭合。
促 旋 酶（Gyrase）
超螺旋的量度可以用超螺旋密度σ来表示： σ =（L – L0 ）/ L0 = △ L / L0 L0 : 松弛环形DNA的L值 如L的变化都是由W的变化（ △ T ＝0） 而引起，那么特定的链环数差异就等 同于超螺旋的密度。 在天然DNA中， σ约为-0.05
超螺旋的定量描叙
White方程：L= T+W △ L=△ T+△ W L链环数 是整数，右手螺旋时L取正值。 T扭转数可以是非整数；是变量；右手螺旋 时T为正值。 W缠绕数可以是非整数；是变量，右手螺 旋时，W取负值。
例如： 一个B型DNA, 长420bp,每个螺旋含 10bp, 则 L = T = 42 , W=0 松弛型 如松开6圈，再连接两端成环状 将出现两种情况： （1） L = T = 42 ，W=0 分子产生单链区， 解链环状DNA； （2） DNA趋向保持B型，使 T 恢复 = 42 L是定值，L＝ 36，∵ L = T ＋W ∴ W ＝－6 产生负超螺旋
（二）三链和四链DNA
DNA分子的结构单元分别是三集体和四集 体； 碱基体通过Watson-Crick氢键配对和Hoogsteen
氢键配对相互作用而结合成共平面聚合体： Watson-Crick－ Hoogsteen Watson-Crick－reversed Hoogsteen Reversed Watson-Crick－ Hoogsteen Reversed Watson-Crick －reversed Hoogsteen
三、DNA的三级结构
DNA的三级结构
DNA的三级结构是指在一、二级结构基 础上的多聚核苷酸链上的卷曲。 三级结构包括链的扭结和超螺旋或者是单 链形成的环或是环状DNA中的连环体。
（一）DNA的超螺旋结构
松驰型DNA 超螺旋（Supercoied） DNA
正超螺旋（positive supercoiling） 负超螺旋（negative supercoiling）
超螺旋
检测DNA三级结构的方法
密度梯度离心 凝胶电泳 电镜观察
类 型 Ⅰ Ⅰ° Ⅱ Ⅲ
表 9-2 不同类型 DNA 的三级结构及性质 形态 拓扑结构 沉 淀 系 电泳迁移率 数 闭合环 超螺旋 1.41 最快 闭合环 松弛形 1.41 最慢 开环 松弛形 1.14 同Ⅰ°型 线形 松弛形 1.00 中等速度
Non-Watson-Crick G:U base pairs represent additional regular base pairing in RNA, which enriched the capacity for self-complementarity
G:U base pair
Three major classes of RNA
超螺旋的定量描叙
L（Linking number）：链环数或称拓扑环绕 数，指cccDNA (covalently closed circle DNA)中 一条链绕另一条链的总次数。
在cccDNA中任何拓扑学状态中其值保持不变； 是一个整数；
T（Twisting number）：扭转数，即双螺旋的圈 数。是双螺旋结构自身的特性。由每圈多少碱 基决定。 W（Writhing number）：缠绕数，即超螺旋数。 对松散分子而言 W=0。
Biological roles of RNA
1 、RNA 是一些病毒体内的遗传物质 2 、作为遗传信息由DNA到蛋白质的中间传 递体(mRNA) 3 、作为mRNA和氨基酸之间的遗传密码子的 受体(tRNA) 4 、作用于RNA转录后的加工与修饰 5 、参与基因表达的调控 6 、一些RNAs 具有生物催化剂功能 (RNase P ribozyme, large rRNA, self-splicing introns, etc).
以一根两股以右旋方向缠绕的细绳做下述实验： 如果在一端使绳子向紧缠方向捻转，再将绳子两端连接起 来，则会产生一个左旋的超螺旋以解除外加的捻转造成的 胁变，这种超螺旋叫正超螺旋； 相反如果在一端使绳子向松缠方向捻转，再将绳子两端连 接起来，则会产生一个右旋的超螺旋以解除外加的捻转造 成的胁变，这种超螺旋叫负超螺旋。
A260/ A280值可以反映核酸的纯度
Pure DNA：A260/ A280 =1.8 Pure RNA：A260/ A280 =2.0
Genetic information can be provided by DNA or RNA
第三节 DNA的变性与复性
变性（denaturation）：或解链(melting)，指
在温度或变性剂的作用下使DNA双链间的氢键断 裂，双链解开，产生单链DNA分子的过程。
复性（renaturation）：或退火(annealing)，
RNA chains fold back on themselves to form local regions of double helix similar to A-form DNA RNA helix are the basepaired segments between short stretches of complementary sequences, which adopt one of the various stemloop structures
流体力学的性质发生改变：粘度下降，而沉降 速度增加； 提高了对紫外线的吸收能力，称为增色效应 （hyperchromic effect）。
A260
双 链 DNA 的 A260=1.00 （ 浓 度 为 50μg/ml时，对波长260nm紫外线的 吸收能力）； 单链DNA的A260=1.37； 游离碱基或核苷酸的A260=1.60。
指变性后的DNA分子缓慢冷却，重新形成互补双链 的过程。 互补的两条链首先是中心部分互补碱基对时之 间形成氢键，称为成核作用（nucleation） 。 接着象拉拉链一样，其余部分随之形成互补双链， 此称为 拉拉链作用（Zippering）。
导致DNA变性的因素：
高温 酸 碱 尿素 甲酰胺
DNA变性后物理性质发生的变化：