3.1 核酸的结构在线视频

同学们大家好

前面我们了解了DNA作为

遗传物质被发现和证实的经过

当人们认识到核酸

在遗传信息传递中的作用后

便进行了大量的关于

核酸作为遗传物质的结构基础的研究

直到现在

研究核酸和染色体的结构

及其与基因表达调控的关系

仍然是生命科学最活跃的探索领域之一

碱基戊糖和磷酸以共价键形成核苷酸

相邻的核苷酸通过磷酸

与戊糖第三位碳原子上的

羟基脱水形成磷酸酯键

由于磷酸酯键连接相邻

核糖第五位和第三位碳原子上的羟基

因此也成为3‘-5’磷酸二酯键

也因此

在一条多聚核酸链的两端

总存在尚未起反应的

3’-OH和5’端磷酸

根据戊糖第二位的碳原子上

结合的是羟基还是氢原子

核酸分为核糖核酸

即RNA

和脱氧核糖核酸

即DNA

构成核苷酸的碱基主要有五种

分属嘌呤和嘧啶两类

嘌呤类化合物包括

腺嘌呤A和鸟嘌呤G两种

嘧啶类化合物有三种

胞嘧啶C和胸腺嘧啶T尿嘧啶U

其中尿嘧啶替代胸腺嘧啶

参与RNA的组成

不同的核苷酸都具有相同的磷酸核糖

差别只在于碱基的组成

因此

对于多聚核酸链来说

碱基的序列也就形成了核酸的一级结构

也是核酸的特征性结构

因此通常以碱基的序列

来代表不同的核酸链

其默认的书写方式

是从5’端至3’端从左到右书写

核酸的二级结构则要根据是

单链核酸还是双链核酸分开来讲

我们先看双链核酸

双链DNA分子的二级结构

在绝大多数情况下为双螺旋结构

前面我们在分子生物学

发展史里面提到过

1953年Watson和Crick正式提出

了关于DNA二级结构的

右手双螺旋结构模型

二人与莫里斯·威尔金斯一起

因为发现DNA双螺旋结构

而获得了1962年的

诺贝尔生理学或医学奖

并因此闻名于世

然而

DNA双螺旋结构的解析

离不开另一位奥地利犹太科学家

后来加入美国籍

Erwin Chargaff的关键研究结果

他发现不同物种之间的

DNA A G T及C的相对含量差别很大

然而就同一来源的DNA而言

却总能看到A与T的含量相等

C与G的含量相等

在此基础之上

结合X-射线晶体衍射的结果

Watson和Crick提出了

DNA的双螺旋结构模型

现在也称为B型DNA的结构模型

两条DNA链以通过

碱基之间形成氢键互补配对

即A与T通过两个氢键配对

G与C通过形成三个氢键配对

两条链反向平行

一条走向是5′→3′

另一条是3′→5′

两条链均为右手螺旋

围绕同一中心轴盘旋而成双螺旋

脱氧核糖和磷酸构成的骨架

由于磷酸基团的强大负电荷排斥力

而位于双螺旋的外侧

碱基对位于双螺旋的内侧

碱基对平面与螺旋轴几乎垂直

相邻碱基对成角36°

距离0．34nm

因此10个碱基对正好环绕一圈

螺旋的距为3．4nm

直径是2．0nm

DNA双螺旋形成凹槽

一条深一条浅

分别被称为小沟和大沟

大沟是蛋白质识别特异序列

的DNA并结合的结构基础

DNA双螺旋结构的稳定

在横向和纵向分别由碱基对

之间的氢键和碱基堆积力来维持

碱基堆积力其本质是

碱基对之间的疏水相互作用

B型DNA在水性环境

和生理条件下最稳定的结构

也是基因组中DNA最常见的结构

然而并不是DNA唯一的结构形式

当改变溶液的离子强度或相对湿度时

DNA结构会发生改变

例如

在相对湿度75%以下时

碱基对与中心轴的倾角发生变化

并偏向双螺旋的边缘

每圈螺旋包括11个碱基对

螺旋宽而短

形成一个深窄的大沟和宽浅的小沟

这种构像称为A型DNA

A型DNA仍然是右手螺旋的DNA

若DNA双链中一条链

被相应的RNA链所替换

则变构成A-DNA

当DNA处于转录状态时

这会在后面的章节讲解到

DNA模板链与内它转录所得的

RNA链间形成的双链就是A-DNA

此外

如果DNA双链都被RNA链所取代

得到由两条RNA链组成的

双螺旋结构也是A-DNA

另外

还有Z型DNA

它不同于上述两种

是左Z-DNA

Z-DNA是在1979年

由美国科学家Alexander Rich

在用X射线衍射研究

寡核苷酸（CGCGCG）六聚体结晶时发现

这个自身互补的双链寡核苷酸

形成了窄而长的左手螺旋

每圈螺旋含12对碱基

大沟平坦

小沟深而窄

螺旋骨架呈Z字形

由于其为左手螺旋

因此在局部DNA链中形成负超螺旋

影响局部DNA和染色体的构象

改变所在区域的基因表达

由于Z型DNA与基因表达的关系

有一类蛋白质

含有Z-DNA结合

结构域（Z-DNA binding domain）

它能特异识别和结合Z型DNA

可用于研究基因组中

所有可能的Z型DNA形成位点

最近的研究表明

在人的基因组中有

超过400多个Z-DNA

形成位点（Z-DNA forming sites）

分布于整个基因组当中

并频繁出现在转录起始位点附近

进一步地研究这些位点

与基因表达的关系

有助于我们更深入的

了解基因组中的功能元件

关于这部分的最新的研究进展

我们会在课后的讨论中

与同学们进一步交流

在双螺旋的二级结构基础之上

DNA分子进一步螺旋化

形成超螺旋

从理论上来说

环状DNA分子

或者两端不能自由旋转的线性DNA分子

都可以形成超螺旋

并且

由于超螺旋的张力

DNA分子形成了各种紧密折叠和旋转

这就形成了三级结构

另外

具有反向重复序列的双链DNA

可以在每一条单链内自我互补配对

形成一种二元对称的

十字结构（cruciform）

上面我们讲的这些都是DNA的高级结构

或者说是双链核酸的高级结构

RNA作为单链核酸

由于没有互补链

它们二级结构的主要形式是通过

局部的链内

互补形成茎环结构（stem-loop）

也称为发夹结构（hair-pin）

局部互补的区域形成茎

互补区域之间的非配对区域形成环

然后再通过远距离碱基之间的

非标准氢键相互作用

形成三级结构

因此

和DNA不一样的是

RNA的二级结构和在此

基础之上的三级结构都依赖于一级结构

也就是说RNA的碱基序列

RNA分子的空间构象也多接近球形

在这个意义上

RNA分子的结构更加丰富多样

因此根据生物大分子结构与功能的关系

RNA分子也有着更广泛的生物学功能

本节课到暂时先讲到这

谢谢大家