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DNA¼´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1ÔÚÑÜÉäͼÉÏÿ3.4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ºËÜÕÊõÓïºÍ·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GA而在RNA 中则为GA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ν4¼´ÈÆÌÇÜÕ¼üC1’-N转动的扭角定义为χν3和δ指的是相同的键(C3’-C4’)µ«¶¨Ò岻ͬ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’-C4’-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’ ν4C 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-exoÔÚŤÇúʽ¹¹ÐÍÖÐ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(ν4+ν1)-(ν3+ν0)tan P = ───────────2(sin36°+sin72°)当ν2为最大正值时这相应于一个对称的C2’-exo-C3’-endo½Ð×ösyn-(顺-)和anti-(反-)定向对于嘌呤核苷酸和嘧啶核苷酸O4’-C1’-N9-C4 (嘌呤核苷酸)O4’-C1’-N1-C2 (嘧啶核苷酸)嘌呤的六元嘧啶环和嘧啶环中的C2原子指向远离糖环的方向为anti-(ap),而嘌呤的六元嘧啶环和嘧啶环中的C2原子与糖环在同侧或在糖环之上为syn-(sp)绕C4’-C5’键转动分别叫做+sc 它们的表达分别为φoo(O5’-C5’-C4’-O4’)和φoc(O5’-C5’-C4’-C3’)1-2-7 螺旋参数多聚核苷酸的螺旋可用螺旋参数来表达(图1-13)螺距的高度P 与一圈中的核苷酸数目n 有关P=n每个单个核苷酸的转动为t=360°/n 在双螺旋中A:UÒ»¸ö¼î»ù¶ÔÖеÄÁ½¸öC1’-N 糖苷键由一个假二重轴相关所以一般来讲碱基对的中心通常不在螺旋轴上而且而是有一个扭曲角θT 和滚动角θR ͨ³£ÓÐÒ»¸öƽÐÐŤ½ÇθP (图1-15)图1-12 绕C4’-C5’键 O5’原子的三种定向图1-13 螺旋参数图1-14 碱基对中两碱基平面间的 假二重对称RNA和DNA的双螺旋都有独特的沟槽双螺旋的外沿也不是光滑的圆柱状分别叫做大沟(major groove)和小沟(minor groove)(图1-14)Çâ¼üºÍ¼î»ù¶Ñ»ýDNA能够形成稳定的双螺旋分子主要是来自于碱基分子间的两种主要相互作用由london色散力和疏水效应所稳定的两碱基平面之间的碱基堆积而在水溶液中碱基堆积作用则占主导地位１－３－１　氢键氢键的本质是静电相互作用起着关键的作用如果一个氢原子与两个含高负电荷的原子相连例如Ｈ原子与高负电荷的X一Ｏ等类型Ｎ－Ｈ．．．．．．还存在着O-H......O氢键以及分叉氢键Array二人们常用一个碱基对平面中两个核苷酸的C1’¼ü½Ç²ÎÊýÀ´ÃèÊöC1’的距离相近碱基对中两碱基平面并不是共平面的的扭曲Hoogsteen 碱基对是指嘌呤环绕C1’-N 糖苷键旋转了180°(图1-18)ÏÙàÑßʼî»ùÉϵÄN7原子与尿嘧啶(胸腺嘧啶)碱基上的N3原子间形成氢键C1’Hoogsteen 碱基对只发现存在于A:T(U)中三Wobbling´æÔÚ×ÅÒ»ÖÖ碱基对WobblingCrick 于1966年提出此可能的配位模型并在后来的实验中被实验所证实四种核苷酸AG ¶øµ°°×Öʵݱ»ùËá²Ð»ùÖÖÀàÔòÖ»ÓÐ20种三联密码子中的前两个密码相对于氨基酸是固定的 在此情况下前两个是标准的Watson-Crick碱基对存在着非Watson-Crick 碱基配对的碱基对WobblingÑØÂÝÐýÖá·½Ïò¶Ñ»ý¶ø³ÉµÄ´ËÁ¦µÄ¾àÀëԼΪ3.4埃碱基的芳香族杂环的大π电子云互相交盖＝Ｎ－这种堆积力甚至比氢键的作用力还要强核苷酸呋喃糖环上的O4’原子与邻近杂环的距离比范得华作用力的范围更短热力学的研究表明嘌呤稳定碱基堆积相互作用的本质是疏水相互作用和london 色散力１－３－３　双螺旋结构的形成和解链的协同效应图1-19 反密码子与密码子及氨基酸的对应关系图1-20 Wobbling 碱基对核酸螺旋是如何形成的呢ｐｏｌｙ（Ａ）　的研究表明螺旋形成的第一步是单对的A:U 碱基对需要有一个成核参数β和一个链生长参数s(在0ÔÚÆäÈÛµãʱΪ1)ÆäºóµÄ¼î»ù˳ÐòÒÀ´ÎÔÚÕâÑùµÄºËÉÏ°´ÂÝÐýÖá·½Ïò¶Ñ»ýÒ»µ©ºËÐγÉÒÔºó这主要是由于糖而解链过程则是成核过程的逆过程其熔点就越高¸÷ÖÖ¸÷ÑùµÄDNA 在不同的盐浓度下和不同湿度下制备这表明了DNA 双螺旋结构的多样性即NmN 表示核苷酸沿螺旋轴精确地重复一圈所需的核苷酸数目一圈螺旋等于一个重复单位(m=1)即每螺旋圈的重复单位为10个核苷酸但也有不是这种情况的即旋转三圈后才得到重复亦即严格的重复为28个核苷酸绕螺旋轴旋转三圈 图1-21 双螺旋形成的理论模型图1-22 双螺旋形成的 自由能曲线表2 在不同离子和相对湿度条件下DNA和RNA的构象和螺旋参数多　聚　核　苷　酸离子相对湿度（％）　类型螺旋对称天然DNA Na 75 A 111Na 92 B 101Li 57-66 C 9.331(283)Li 44 C 9.331(283)Li 66 B 101poly(dA)poly(dC) Na 75 A 111Na 92 B 101poly(dA-dT)poly(dG-dT) Na 66 A 111Na 66-92 B 101Na 66 Z 65poly(dA-dG)poly(dG-dC) Na 43 Z 65Na 92 A 111Li 81 B 101poly(dA-dA-dT)poly(dA-dC-dT) Na 98 A 111Li 98 B 101Li 66 C 91poly(dA-dI-dT)poly(dI-dC) Na 66 B 101Na 75 D 81天然病毒RNA Na 92 A 111poly(A)poly(C) Na 92 A’ 121Hybrid poly(rI)由表可看出A C A’C’¶øRNA 则只有A 和A’构象呈现出结构的多样性DNA 的结构对碱基顺序也是很敏感的ｐｏｌｙ（ｄＧ－ｄＴ）接受AZ 构象ｐｏｌｙ（ｄＣ－ｄＴ）则只接受B 和C’’构象Ｂ和C 构象顺序和成分的效应并不会影响平均的总体结构Ｂ和C 型构象在不同的盐浓度和不同的湿度下B-DNA 在高盐浓度下有转变为C 或Z 的倾向　在DNA 和RNA 中双股还是三股的Ｂ两种构象即A-族和B-族Ａ－族的糖的皱褶方式为C3’-endo不同的皱褶方式意味着核酸结构骨架上相邻的两个磷原子之间的距离的变化C3’-endo 构象中而C2’-endo 构象中呋喃糖构象的不同下面我们来讨论A-和B -族核酸结构中的构象差异碱基对倾斜角θT 我们已经谈到而是约有近20°的倾斜A-型的碱基对倾斜角θT 为正不同的碱基对倾斜角导致了在右手双螺旋中相邻碱基间的堆积交盖的不同碱基倾斜角γT碱基倾斜角γT 是与每个核苷酸残基沿螺旋轴上升的高度h 密切相关的并且碱基对严格地垂直于螺旋轴然而在所有的Watson-Crick 双螺旋中具有倾斜角θT´¿´â´Ó¼¸ºÎѧ¿¼ÂÇ图1-23 DNA 构象的互变图1-24 A-和B-DNA 的糖皱褶构象在A-DNA中每核苷酸残基上升的高度要比B-DNA的变化大在A-型的Watson-Crick双螺旋中每残基的转动约为30.0°-32.7°℘↵″∠≈ ∝⊗⊃∉⊃÷⇓∂∪∝⊗±™≈↓∉∠ϒ∂ ℘↵″∠≈ ∝⊗⋅♠∂↓±™≈↓™∫∉×⌠∏®√√≡⊄⇐∏⊄〈″∠≈ ™∨A-型和B-型结构中沿螺旋轴上升和旋转变化的不同的结果而B-型则变化较大三人们仅观察到A’-RNA和A-DNA ÕâÊÇÒòΪÕâÖÖÖåñÞ·½Ê½Ê¹µÃÏàÁÚµÄÁ½¸öÁ×Ô-×ÓÖ®¼äµÄ¾àÀë½öÓÐ 5.9埃作用力增强相应的每个残基绕螺旋轴转动32.7°到30°每个残基沿螺旋轴上升2.59埃到3.29埃(图1-26)B-族多聚核苷酸的结构多样性B-族的双螺旋结构只存在于DNA中C2’-endo(或C3’-exo)的糖皱褶构象使得多聚核苷酸链骨架上两邻近磷原子的距离达到7.0埃左右每残基沿螺旋轴上升3.03埃到3.37埃碱基对平面的倾斜角在-5.9°到-16.4°之间B-族多聚核苷酸结构包括B-呈现出结构的多样性沟槽的深浅和碱基位错区别A-和B-型双螺旋的最重要的参数是位错D在B-DNA家族中图1-27 B-DNA 的结构图1-26 A-DNA 的结构图1-28 C-DNA 的结构图1-29 D-DNA 的结构碱基对中心朝向小沟方向偏离螺旋轴D¶øB-族的D-DNA-1.8埃碱基对中心则朝向双螺旋的大沟方向偏离４．４￣４．９埃在A-型双螺旋中沿螺旋轴的边缘形成一个非常深且窄的大沟和一个浅而宽的小沟(图1-26)¼î»ù¶Ô»ù±¾ÉÏÓÉÂÝÐýÖáËù´©¹ý¹µ²Û¾Í²»ÄÇôÃ÷ÏÔ´ó¹µÉÔ¿í¶øС¹µÉÔÕ-ÂÝÐýÖá±»ÍÆÏòС¹µÒ»±ß(D由于每圈螺旋只有8个核苷酸残基而大沟则相当宽且开放沟槽的深浅和大小与形成特殊复合物的相关性我们知道每个核苷酸残基沿螺旋轴上升的高度h相关联的如果h小(~2.6埃)´Ëʱ½öË®·Ö×ӺͽðÊôÀë×ÓÄÜÓëÖ®ÏàÊÊÅä双螺旋的大沟仍然很深可容纳下其它的多聚核苷酸链和其它的复合物许多模型试验研究表明七碱基的堆积作用仅在相同的核苷酸多聚链中发生但在A-型双螺旋中同时还有发生在两条反平行的多聚核苷酸链之间其原因是每核苷酸残基绕螺旋轴的转动为30°到32.7°这有利于A-型的链内和链间堆积相互作用由此导致了A-型双螺旋图1-31 A-D-型DNA中的碱基堆积情况图1-30 不同构象的双螺旋DNA碱基对中心与螺旋轴的偏离和B-型双螺旋中的碱基堆积方式的不同由于A-型双螺旋的碱基堆积作用要比B-型双螺旋强结构也更加保守表3 A-型双螺旋和B-型双螺旋的微观和宏观结构特性和差异A-DNA (A -RNA) B-DNA呋喃糖皱褶方式C3’-endoC2’-endo 碱基对相对螺旋轴的倾斜角 +8°~+20° -5.9°~-16.4° Pn—Pn +1 距离5.9埃7.0埃每核苷酸残基沿螺旋轴上升高度 (h) 2.59~3.29埃, 变化范围大 3.03~3.27埃, 变化范围小 每核苷酸残基绕螺旋轴转动 30°~32.7°, 变化范围小 36°~45°, 变化范围大 螺旋参数111~12181~101碱基对中心与螺旋轴的位错 +4.4~+4.9埃, 偏向大沟 -0.2~-1.8埃, 偏向小沟螺旋沟特征大沟深而窄C -DNA: 大沟宽而小沟窄碱基堆积方式 链间和链内堆积作用 链内堆积作用八即每10个核苷酸残基为一圈(101螺旋)µ«ÔÚË®ÈÜÒºÖÐÓÉÓÚʧȥÁ˾§Ìå¶Ñ»ýÁ¦µ¼ÖÂÁËË«ÂÝÐý¹¹ÏóµÄÂÝÐý²ÎÊý±äΪÿȦ10.3(10.31)到10.6(10.61)个核苷酸残基Z-DNA当人们发现双螺旋结构以后从理论计算上发现但在1979年以前在左手双螺旋结构被发现以前在液体状态下DNA呈现右手螺旋的性质这种右手螺旋的构象就会转变为其它的构象但仅仅是poly(dG -dC)和poly(dA-dC)发生这种构象的转变ｐｏｌｙ（ｄＣ）1979年以后证实了左手双螺旋DNA 结构的存在Ö÷ÒªÊÇG -C 交替的顺序嘌呤核苷酸采取syn-构象两条自身互补的DNA 双链依然呈反平行排列Watson-Crick 碱基配对方式每圈上升44.6埃到45.7埃的高度在左手DNA 双螺旋中而在B -DNA 中在左手双螺旋DNA 中碱基构象为anti-¶øÍÑÑõÄñàÑßÊdG 的糖皱褶构象为C3’-endo(或C1’-exo)C4’-C5’的构象角γ在ap 的范围１－６－２　左手双螺旋的结构导致了交替的syn-anti 核苷酸构象 在所有的Watson-Crick 碱基对的右手双螺旋中而在左手双螺旋中但核苷酸碱基则是syn-和anti-的交替关系但两条核苷酸链间的二重对称仍存在每个糖单位在多聚核苷酸链中的取向是一个朝上而在右手双螺旋中d(GpC)顺序的碱基堆积仍呈现的Watson-Crick 碱基堆积状态(图1-34)Ò»ÌõºËÜÕËáÁ´ÖеÄà×़î»ùÖ®¼äÈÔÓн»¸Ç¶øÊÇÓëÁÚ½üµÄ°ûà×à¤ÌÇ»·ÉϵÄO4’发生作用d(GpC)顺序中(GpC step)而d(CpG)顺序中(CpG step)则只旋转-15°℘↵ℑ ÷…≈∂™∪∅ℜ⇑∠√〈∠⋅♠-60°1−6−4 左手双螺旋核苷酸链中磷的不等价 在右手双螺旋中即它们在相同的螺旋直径上而在左手双螺旋中而d(GpC)顺序中的磷在双螺旋中的直径为~7.6埃图1-32 Z-DNA 中G 和C 的构象差异图1-33 Z -DNA 结构ÓÉÓÚÔÚ×óÊÖË«ÂÝÐýÖÐÁ×ÔÚÁ½ÖÖ²»Í¬µÄºËÜÕËá½»Ìæ˳ÐòÇé¿öϵÄÖ±¾¶ÊDz»Í¬µÄÈç¹ûÎÒÃǽ«ºËÜÕËáÁ´ÉϵÄÁ×Á¬½ÓÆðÀ´³ÊÏÖ³ö¾â³Ý×´µÄÐÎ×´因而左手双螺旋DNA 又称作Z-DNA(图1-35)1-6-6 Z-DNA 的沟槽特征 左手双螺旋仅存在小沟Ｃ８原子所充满G -C 碱基对不是对称地靠近螺旋轴使得胞嘧啶碱基的C5原子和鸟嘌呤碱基的N7ʹµÃ´ó¹µÍ¹³öÀ´¶ø²»ÊÇ°¼µÄÂÝÐýÖáÆ«ÏòС¹µÒ»±ßС¹µ³ÊÏÖÉî¶øÕ-µÄÌØÐÔ(图1-33)1-6-7 Z-DNA 的水溶液结构 人们可能会提出这样的疑问DNA 在固态条件下采取左手双螺旋的构象实际上在高盐浓度下溶液结构仍为Z-DNA 的结构至少可以说°´ÕÕ»·¾³Ìõ¼þµÄ²»Í¬在不同的阳离子情况下Z I -DNA 和Z II -DNAÆä²îÒì¹éÒòÓÚºËÜÕËáÈÆÂÝÐýÖáµÄת¶¯ºÍÔÚd(GpC)顺序中磷酸基团产生的约1埃左右的位移Z I -形式的N2与3’-磷酸基团之间仅需要一个水分子即可形成氢键表4 列出各种Z-DNA构象的结构参数表4 Z-DNA的结构参数在Z’-DNA中而在Z-其主要原因是因为Z-DNA 在与溶质反应中·¢ÏÖ2µM的精胺(spermine)可稳定Z-DNA的结构B-DNA可转变为Z-DNA降低盐的浓度仍可发生这样的转变Z-DNA更稳定可使得B→Z的转变点的盐浓度降低１－６－１０　Ｚ－ＤＮＡ的生物学功能Z-DNA只是在离体的情况下发现的如果存在着这样的构象的话这个问题无疑是极其重要的问题但很多实验已可给出关于Z-DNA生物学意义的结论胞嘧啶碱基C5原子的甲基化人们研究发现在真核生物DNA中这是甲基化的主要结果因为人们发现poly(dG-d m5C)ÄÇôȻ¶øZ-DNA 的含义是什么此问题尚无完美的回答质粒DNA中的Z-DNA影响DNA的拓扑学结构人们进行了这样的实验插入一段poly(dG-dC)顺序这个环状DNA可以形成超螺旋这样的质粒中(dG-dC)n块的B→Z的转变即使在生理盐浓度下(20mM NaCl浓度)Èç¹ûÓÃd m5C代替dC的话当然这种转变是不完全的它们或采取左手螺旋方式或采取右手螺旋方式仅仅只要有总质粒DNA的1.3%的有序的d(G-C)片段B→Z 的交换改变了与缠绕和扭曲相关的连接数目这样并且在DNA表达的调节中是非常重要的Z-DNA在细胞内能产生么多线染色体中的Z-DNA将经化学修饰的poly(dG-dC)¿ÉÒÔ²úÉú¿¹Z-DNA的抗体用荧光染料标记这种特殊的染色体就会含有上千个甚至更多的单个的被精确定位的染色单体结果这个实验证明Z-DNA实际可存在于染色体中但可以假定在细胞内也含有Z-DNA poly (dG-d m5C)在低盐浓度时它可以与组蛋白八聚体结合形成核糖体该多聚物仍可与组蛋白结合此研究说明B→Z的转变破坏了核糖体并进而破坏了正常的染色体组装但它的调节功能是基本上被肯定的表达的调节包括在超螺旋状态时某些阳离子(例如精胺等)与Z-DNA的结合自从左手双螺旋DNA被发现之后是否存在着左手双螺旋的RNA结构但人们认为也是可能存在的 人们已获得杂化的DNA-RNA的结构d(CG)r(CG)d(CG) 根据d(CG)r(CG)d(CG)的晶体结构模型从空间结构的几何关系来说但至今人们尚未获得真正的左手双螺旋RNA的结构目前尚未找到合适的条件来培养出可供X射线晶体衍射的晶体参考文献。