分子生物學(xué)-核酸的結(jié)構(gòu)與功能

1、第二章 DNA和RNA的結(jié)構(gòu),,第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成與結(jié)構(gòu),核酸 核苷酸核苷酸 核苷 磷酸核苷 堿基 戊糖,,,,,,一、核苷(nucleoside),由堿基與戊糖通過N—糖苷鍵連接而形成的。游離形式存在于細(xì)胞中。,(一)堿基,嘌呤腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)嘧啶胞嘧啶(C)胸腺

2、嘧啶 (T)尿嘧啶(U) 稀有堿基，,,定量分析----堿基對波長為260nm的紫外線有最大光吸收；減色效應(yīng)----堿基堆積力使核酸形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)；將雜環(huán)內(nèi)的共軛鍵遮蔽起來所造成。,(二)戊糖,D—核糖核糖核酸(RNA)D—2脫氧核糖 脫氧核糖核酸(DNA)RNA不如DNA分子穩(wěn)定C-2上連有1個羥基,二、核苷酸,核苷酸核苷的戊糖上C—5位的羥基與1個磷酸基團(tuán)以酯鍵連接二磷酸核苷酸三磷酸核苷酸環(huán)腺苷酸(cA

3、MP)或環(huán)鳥苷酸(cGMP),,,,,三、核酸的結(jié)構(gòu),核苷酸通過3′，5′—磷酸二酯鍵連接成無分支的線性大分子骨架由戊糖與磷酸基團(tuán)組成 每股核酸鏈都有5′和3′兩個的末端，習(xí)慣上按照5′---3′的方向書寫。,第二節(jié) DNA的結(jié)構(gòu),,一、研究歷史,1928年，Griffith的肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗1944年，Avery等人指出脫氧核糖核酸是導(dǎo)致肺炎球菌轉(zhuǎn)化的基本單位”1951年，Herriott發(fā)現(xiàn)噬菌體T21952年，Her

4、shey和Chase為此用32P和35S進(jìn)行了同位素?fù)饺雽嶒?950年，Chargaff提出DNA分子的堿基組成是有規(guī)律的1951年，Wilkins發(fā)現(xiàn)這DNA分子是由2條鏈組成的螺旋結(jié)構(gòu)1953年， Watson和Crick提出DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模型,二、DNA的結(jié)構(gòu),一級結(jié)構(gòu)核酸分子中核苷酸的線性排列順序二級結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)其他高級結(jié)構(gòu)分子規(guī)律地壓縮,(二)DNA的二級結(jié)構(gòu)模型,Watson-Crick模型,DNA分

5、子是由兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸相互纏繞形成的右手螺旋直徑2nm，每環(huán)繞一周升高 3.4nm，兩個相鄰堿基對之間相距0.34nm，每周都由10個堿基對形成。,,磷酸與核糖組成的骨架位于雙螺旋的外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)。上下相鄰的堿基平面相互平行，且與中心軸垂直。核糖平面與中心軸平行。 兩條反向平行鏈的穩(wěn)定性由疏水相互作用和眾多氫鍵來維持。,Watson-Crick模型,,位于同一平面上的兩個堿基間的配對是有規(guī)律的，其中A與

6、T通過兩對氫鍵配對，G與C通過三對氫鍵配對。堿基對互補原則(base—pair complementarity)是堿基的大小、形狀和化學(xué)組成共同限定的結(jié)果。,Watson-Crick模型,,DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)形成大小不等的兩條螺旋形凹溝。較大的1條稱大溝(major groove)，較小的一條稱小溝(minor groove)。 每個堿基都會有一部分在此區(qū)域“暴露”出來，以便與其他的DNA結(jié)合分子相接觸。,Watson-Cri

7、ck模型,,,DNA構(gòu)象種類,1、B構(gòu)象Watson-Crick模型，是DNA結(jié)構(gòu)的平均特征2、A、C、D、E、Z構(gòu)象3、構(gòu)象變化的因素自身特定的堿基序列周圍環(huán)境條件,A構(gòu)象,特征每一螺旋有11個堿基對顯得比B-DNA短粗部位DNA.RNA雜交鏈單鏈RNA的局部互補雙鏈,Z構(gòu)象,1979年Rich等發(fā)現(xiàn)特征二級結(jié)構(gòu)更為細(xì)長左手螺旋的DNA具有獨特的鋸齒形(Zig—Zag)骨架,,Z—DNA的生物學(xué)意義,①

8、影響DNA的超螺旋狀態(tài)，影響 DNA與其他分子的結(jié)合狀態(tài)，影響基因活性。 ② 有利于調(diào)節(jié)蛋白識別并結(jié)合于特定的核酸序列 Z—DNA參加真核生物染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成 所有基因的增強子均含有形成Z—DNA的序列,DNA二級結(jié)構(gòu)的維持,1．氫鍵G-C的配對強度高于A—T維持 DNA分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 2.堿基堆積力實質(zhì)是疏水相互作用和范德華引力維持DNA的二級結(jié)構(gòu)起重要作用。,DNA二級結(jié)構(gòu)的破壞（變性）,1、DNA變性因素

9、加熱pH值變化有機溶劑 (尿素、酰胺) 2、DNA變性的用途3、增色效應(yīng)DNA變性后在260nm處的紫外光吸收將增強,(三) DNA的三級結(jié)構(gòu),DNA的三級結(jié)構(gòu)的定義是指雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的卷曲 包括線狀雙鏈的扭結(jié)和超螺旋、多重螺旋單鏈形成的環(huán)環(huán)狀DNA中的扭結(jié)、超螺旋和連環(huán) 三級結(jié)構(gòu)的普遍形式環(huán)形DNA雙螺旋鏈進(jìn)一步盤繞形成的超螺旋。,DNA封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu),真核DNADNA結(jié)合蛋白組成的支架使DNA形成許多連續(xù)的環(huán)

10、狀功能單位。原核DNA,1．環(huán)形DNA的拓?fù)鋵W(xué)特性(topology),(1)連環(huán)數(shù)(1inking number)以L表示,指雙螺旋中兩條鏈相互纏繞的次數(shù) (2)纏繞數(shù)(twisting number)用T表示,是指DNA分子中Watson-Crick螺旋的數(shù)目。 (3)超螺旋周數(shù)(writhe／number of turns of superhelix) 以W表示, W ＝ L－T,,,超螺旋,有方向性，分正超螺旋和負(fù)

11、超螺旋。天然DNA都呈負(fù)超螺旋,超螺旋的生物學(xué)意義,(1)超螺旋DNA較之松弛型分子有更為緊密的結(jié)構(gòu)，因而對DNA分子在細(xì)胞內(nèi)的包裝過程更為有利。(2)超螺旋會影響雙螺旋分子的解旋能力，從而影響到DNA與其他分子之間的相互作用。,2．DNA的包裝,第一步由大約200bp的DNA盤繞組蛋白八聚體1.75周，形成直徑約10nm的核小體重復(fù)單位。相鄰核小體之間形成 “串珠式”，DNA被壓縮7倍。第二步每6個核小體盤曲一周，纏繞成

12、直徑約30nm的纖維。染色質(zhì)纖維在非組蛋白的幫助下，沿著染色體縱軸反復(fù)盤曲，形成直徑 300nm的染色體舒展形式。DNA被壓縮 100倍以上第三步繼續(xù)纏繞成為致密染色體。DNA被壓縮了大約104倍,(四) DNA的特殊結(jié)構(gòu),1、回文序列2、三鏈DNA 3、四鏈DNA,1．回文序列 (palindromic sequence),序列特征反向重復(fù)的堿基序列 (inverted repeats)結(jié)構(gòu)特征發(fā)夾結(jié)構(gòu)(ha

13、irpin)十字架結(jié)構(gòu)(cruciform structure)分為莖、環(huán)兩部分，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，在DNA的調(diào)控區(qū)較常見可用S1核酸酶來鑒定。,2．三鏈DNA,(1) 結(jié)構(gòu)特征Py—Pu—Py，如TAT，CGC等Py—Pu—Pu，如TAA，CGG等(2) “H—DNA(hinged—DNA)高嘌呤(Pu)或高嘧啶(Py)的雙鏈DNA鏈內(nèi)包含有的對映重復(fù)序列DNA鏈在此形咸一尖銳的轉(zhuǎn)角對單鏈特異性的S1核酸酶高度敏感,

14、,(3)三鏈DNA的生物學(xué)意義,①作為靶序列的“分子剪刀”：精確切割目的雙螺旋DNA。②反基因(antigene) 技術(shù):作為基因表達(dá)的抑制物，選擇性阻斷靶基因，抑制其轉(zhuǎn)錄。③阻止序列專一性蛋白質(zhì)的結(jié)合，影響DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合及DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等。,3 四鏈DNA,特征富含G單鏈或兩條富含G的單鏈形成穩(wěn)定的G4四鏈DNA結(jié)構(gòu)分布端粒(telomere)DNA功能穩(wěn)定染色體保持DNA完整性,第三節(jié) RNA,,一 、

15、RNA的結(jié)構(gòu)特征,(一) 包含核糖，易被水解。(二) 尿嘧啶(U)替代胸腺嘧啶(T) (三) 單鏈形式存在，無互補堿基比例。 (四) 含稀有堿基或修飾堿基,,,二、RNA的主要類型和功能,1、mRNA占細(xì)胞總RNA的5％，蛋白質(zhì)合成的模板。 2、tRNA占細(xì)胞總RNA的15％，運送氨基酸到核糖體3、 rRNA占細(xì)胞總RNA的80％，核糖體的主要組分4、snR NA和scRNA與遺傳信息的表達(dá)密切相關(guān),三

16、 tRNA,,(一) tRNA一級結(jié)構(gòu),1．分子長度約70～90個核苷酸，2．分子中約20多個位置上的核苷酸是保守的。3．成熟的tRNA 5′末端通常為pG；3′末端序列為CCA，4．分子含多種稀有或修飾堿基，在所有RNA分子中修飾程度最高。,,1、結(jié)構(gòu)4莖4環(huán)組成的特征性三葉草形結(jié)構(gòu)2、功能域①氨基酸接受莖 在其3′末端是CCA②TψC環(huán)③可變環(huán)④D環(huán)⑤反密碼子環(huán),(二) tRNA二級結(jié)構(gòu),(三) tRNA三級

17、結(jié)構(gòu),,酵母Phe tRNA三維結(jié)構(gòu)的模型,1． tRNA分子中存在兩個構(gòu)象參數(shù)類似A型DNA的雙螺旋區(qū)。這兩個雙螺旋區(qū)相互垂直，使整個分子成為倒L型。,酵母Phe tRNA三維結(jié)構(gòu)的模型,2．帶有氨基酸連接位點的3′—CCA末端處于“L”的一端，反密碼子環(huán)則處在另一端，使 tRNA分子上的兩個主要功能區(qū)之間具有最大限度的間隔。,酵母Phe tRNA三維結(jié)構(gòu)的模型,3．CCA末端及其附近的雙螺旋區(qū)與tRNA分子的其他區(qū)域缺乏強有力的相互

18、作用，有利于3′末端在蛋白質(zhì)合成過程中發(fā)生一些必要的構(gòu)象變化。,酵母Phe tRNA三維結(jié)構(gòu)的模型,4．在二級結(jié)構(gòu)中未配對的某些堿基參與了三級結(jié)構(gòu)中特殊的氫鍵作用核糖—磷酸骨架與某些堿基甚至其他區(qū)域的骨架之間也能產(chǎn)生相互作用，D環(huán)和 TψC環(huán)組成倒L構(gòu)象的拐角上述幾種作用都有助于維系整個分子的結(jié)構(gòu)。,(四) tRNA結(jié)構(gòu)、功能、識別,tRNA折疊形成大小相似的特征性三級結(jié)構(gòu)，使所有的tRNA分子都能進(jìn)入核糖體的A位和P位。,tRN

19、A的識別,同工tRNA受同一氨酰tRNA合成酶的催化轉(zhuǎn)運相同氨基酸的tRNA第二套遺傳密碼(second genetic code)氨酰tRNA合成酶與tRNA分子間的相互識別作用機制酶識別作用的位點氨基酸接受莖與反密碼子環(huán) tRNA的構(gòu)象,(五) tRNA轉(zhuǎn)錄后加工,轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物為多聚前體 RNaseP切割產(chǎn)生多個具有成熟的tRNA 5′端的tRNARNase D逐一切去3′端多余的核苷酸，直到CCA序列處，形成具

20、有成熟的3‘末端tRNA分子。,(六)校正tRNA(suppressor tRNA),1、校正tRNA以tRNA基因的突變來補償mRNA密碼子上的突變，從而恢復(fù)或部分恢復(fù)密碼子“原意”的tRNA。2、校正機制校正突變發(fā)生于tRNA的反密碼子處，突變的tRNA反密碼子可識別突變后的密碼子，合成蛋白質(zhì)的功能可基本保持正常。,四、rRNA,構(gòu)成核糖體大、小亞基的骨架 決定著整個復(fù)合體的結(jié)構(gòu)以及蛋白組分所附著的位置。

21、較為穩(wěn)定，堿基修飾成分少。,(一)核糖體的化學(xué)組成,原核核糖體RNA:蛋白質(zhì) 2:1沉降系數(shù)是70S。30S的小亞基(含16SrRNA和21個蛋白質(zhì)分子)50S的大亞基(含23SrRNA，5SrRNA和31個蛋白質(zhì)分子)真核核糖體 RNA:蛋白質(zhì)1:1 沉降系數(shù)80S，大亞基為60S(含28S、5.8S、 5S rRNA以及49個蛋白質(zhì)分子)小亞基為40S(含18SrRNA和33個蛋白分子)。,,,(二) rRNA

22、的一級結(jié)構(gòu),1、修飾堿基的含量比tRNA少得多，顯著特點是甲基化核苷的存在2、5S rRNA其進(jìn)化上的保守性高于其他種類的rRNA，5SrRNA一般不含修飾成分。 3、5.8SrRNA與大腸桿菌23SrRNA5′端的160個核苷酸具有同源性。4、不同生物來源的兩種大分子rRNA(類16SrRNA和類23SrRNA)一級結(jié)構(gòu)的某些區(qū)域有高度的序列同源性。,,,(三) rRNA的二級結(jié)構(gòu),分子內(nèi)具有大量的莖環(huán)結(jié)構(gòu)有多種不同的

23、構(gòu)象可能性,16S rRNA的結(jié)構(gòu)模型,少于半數(shù)的堿基進(jìn)行配對連續(xù)配對區(qū)的長度一般在80個堿基對以下雙鏈區(qū)中未配對的部分常向外側(cè)膨出共形成4個較為顯著的結(jié)構(gòu)域,23S rRNA,分子中有大約52％的核苷酸以雙鏈形式存在分子自身3′端和5′端的序列之間形成互補的雙螺旋通過一些遠(yuǎn)距離的堿基配對，使分子形成6個區(qū)域。細(xì)菌23SrRNA之間與真核生物28S rRNA的同源性主要就表現(xiàn)在二級結(jié)構(gòu)方面大腸桿菌5S rRNA整個分子折疊

24、成“Y”型,16S類rRNA二級結(jié)構(gòu)a 原核細(xì)菌E.coli b 古細(xì)菌H.volcanii,,,c真核 d共同特征,16S類rRNA二級結(jié)構(gòu),,,(四) rRNA與蛋白質(zhì)的結(jié)合,rRNA可在特定的位點與蛋白質(zhì)結(jié)合，結(jié)合位點通常是帶有發(fā)夾結(jié)構(gòu)結(jié)合到rRNA上的蛋白質(zhì)可誘導(dǎo)rRNA的構(gòu)象發(fā)生改變，使其他的蛋白質(zhì)得以繼續(xù)結(jié)合,(五)核糖體亞基的組裝,1 先形成低甲基化略長于成熟的rRNA前體rRNA2 除去多余

25、的序列并進(jìn)一步甲基化，前體構(gòu)象改變。3 經(jīng)過構(gòu)象變化，允許其它的蛋白組分繼續(xù)加入。,(六) rRNA在蛋白質(zhì)合成中的作用,核糖體大亞基rRNA具有肽酰轉(zhuǎn)移酶活性16S rRNA3′末端的一段6堿基富含嘧啶的保守序列，可與mRNA起始密碼AUG之前的一段富嘌呤序列(也稱SD序列)直接互補16SrRNA中的另一特定區(qū)域可與tRNA分子上的反密碼子區(qū)域發(fā)生直接作用。,五、mRNA,,原核mRNA,為多順反子 (polycistron

26、)在AUG密碼子上游有SD序列，作用是識別與16SrRNA3‘ 端富含嘧啶的短序列,真核mRNA,通常為單順反子(monocistron)3‘ 末端有一段長約200個核苷酸的“多聚A尾巴” (polyA tail) 5′端有帽子 AUG前后的ACCAUGG(Kozak sequence)序列是斷裂基團(tuán)5′端和3′末端往往有非翻譯區(qū)(UTR),,,,,,,六、其他種類的RNA,,（一）hnRNA,真核細(xì)胞核mRNA的前體，統(tǒng)稱

27、為不均一核RNA(heterogeneous Nuclear RNA，hnRNA)。,(二)真核細(xì)胞中的小RNA(small RNA),snRNA細(xì)胞核中的小RNA分子稱為核內(nèi)小RNA (small nuclear RNA)scRNA在胞質(zhì)中小RNA分子的就叫做胞質(zhì)小RNA(sall cytoplasmic RNA) snRNP and scRNP小RNA以結(jié)合著蛋白質(zhì)的核蛋白顆粒(ribonucleoprotein par

28、ticles）的形式存在。,1．snRNA,不到細(xì)胞總RNA的1％ 有15種左右，7種均富含尿苷酸，故稱其為U系snRNA，即U—snRNA(含U 1-7-snRNA)。每分子約含70—300個核苷酸。參與mRNA前體的剪接。 。,2． scRNA,1種7S的sc RNA (305個堿基)和6分子蛋白質(zhì)組成信號識別顆粒(SRP) 引導(dǎo)新合成的蛋白質(zhì)進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔進(jìn)行加工,(三)原核細(xì)胞中的小RNA,核蛋白Rn