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Chapter 2 Properties of Nucleic Acids

Chapter 2 Properties of Nucleic Acids. 2.1 Nucleic Acid Structure (DNA & RNA) : bases  nucleosides nucleotide  phosphodiester bonds  primary sequence  structure, modified nucleic acids.

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Chapter 2 Properties of Nucleic Acids

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Presentation Transcript

  1. Chapter 2 Properties of Nucleic Acids

  2. 2.1 Nucleic Acid Structure (DNA & RNA): basesnucleosides nucleotide  phosphodiester bonds  primary sequence  structure, modified nucleic acids 2.2 Chemical and Physical Properties of Nucleic Acids (DNA & RNA): stability (force), chemical properties (acid, alkali, chemical denaturation), physical properties (viscosity, buoyant density) 2.3 Spectroscopic and Thermal Properties of Nucleic Acids (DNA & RNA):UV absorption, hyperchromocity, quantitation and purity 2.4 DNA Supercoiling (DNA): closed circular molecule, supercoiling & energy, topoisomer & topoisomerase

  3. 2.1 Nucleic Acid Structure (DNA & RNA): Bases Bicyclic Purines: Monocyclic pyrimidine: Thymine (T) is a 5-methyluracil (U)

  4. 2.1 Nucleic Acid Structure (DNA & RNA): Nucleosides The bases are covalently attached to the 1’ position of a pentose sugar ring, to form a nucleoside Glycosidic (glycoside, glycosylic) bond (糖苷键) R Ribose or 2’-deoxyribose Adenosine, guanosine, cytidine, thymidine, uridine

  5. 2.1 Nucleic Acid Structure (DNA & RNA): Nucleotides A nucleotide is a nucleoside with one or more phosphate groups bound covalently to the 3’-, 5’, or ( in ribonucleotides only) the 2’-position. In the case of 5’-position, up to three phosphates may be attached. Phosphate ester bonds Ribonucleotides (containing ribose) Deoxynucleotides (containing deoxyribose)

  6. 2.1 Nucleic Acid Structure (DNA & RNA): Phosphodiester bonds & primary sequence Primary sequence: 5’end: not always has attached phosphate groups 3’ end: free hydroxyl (-OH) group Phosphodiester bond

  7. 2.1 Nucleic Acid Structure : DNA double helix • Watson and Crick , 1953 • The genetic material of all organisms except for some viruses • The foundation of the molecular biology

  8. Essential for replicating DNA and transcribing RNA • Two separate strandsAntiparellel(5’3’ direction) • Complementary (sequence) • Base pairing: hydrogen bonding that holds two strands together 3’ 5’ • Sugar-phosphate backbones (negatively charged): outside • Planner bases (stack one above the other): inside 3’ 5’

  9. 4 1 3 2 6 7 5 8 1 9 4 2 3 A:T G:C Base pairing

  10. Helical turn: • 10 base pairs/turn • 34 Ao/turn

  11. Several forms of DNA… • Two types of DNA right-handed helix(右手螺旋) ：A-DNA and B-DNA left-handed helix (左手螺旋) ：Z-DNA • DNA的水溶液通常为B-DNA，另外 A-T丰富的DNA片段常呈现B-DNA； • DNA的双链中一条被相应RNA链所替换，就会形成A-DNA。如，在杂交分子或DNA处于转录状态时； • B型 DNA中的多聚G-C区易形成左手螺旋DNA,即Z型DNA

  12. 双螺旋 碱基倾角 碱基距离 螺旋直径 每轮碱基数 螺旋方向 B-DNA 1 0.34 2.37 10.4 右手 A-DNA 19 0.23 2.55 11 右手 Z-DNA 9 0.38 1.84 12 左手

  13. 1 在正常细胞的水环境中DNA以B-DNA为基本构象，脱水或盐浓度升高时，转变为A-DNA。 2 细胞内阳离子较多时交替的GC区段一般处于B-DNA，在嘧啶被甲基化后，转向Z-DNA，转录活性降低。 3 某些Z-DNA结合蛋白能作为一种特异识别信号，使B-DNA转变为Z-DNA。 4 在转录区域B-DNA与RNA形成A型结构。 总之， DNA的结构是处在动态的变化中的，与其功能相适应。 DNA结构的动态性与精细结构

  14. 三股螺旋DNA(Trpile Helix DNA, T.S DNA) (1) T.S DNA 的发现与证实 l1953 年以前Pauling (Chemist) 提出 T.S DNA 存在的可能性 l1953 年 Watson & Crick 提出D.S DNA model 证明沿大沟存在多余的氢键给体与受体 潜在的专一与DNA (蛋白质) 结合的能力 形成T.S DNA 可能性 3-16

  15. poly(U) + poly(U) + poly(A) T.S RNA l1957年Davis , Felsenfeld , Rich发现 但由于D.S DNA的提出而被忽视 T.S DNA的概念 l1963年Hoogsteen 提出了DNA三螺旋结构理论 l1966年Miller & Sobell 但因证明 LacI 产物为 Repressor 而被忽视 实现 RNA + D.S DNA Triple poly Nt as Repressor关闭基因 3-17

  16. l1987 年 Mirkin . S . MNature 330 (495) 证明plasmid DNA 在 pH= 4.3的溶液中, 有T.S DNA的存在 ●1987年 Dervan . MoserScience 238 (645) 合成S.S DNA + D.S DNA → T.S DNA • 实现DNA的定点切割 • 研究X-ray photograph • 核磁共振 → 结构功能 3-18

  17. (2)T.S. DNA的类型（分子内的DNA三螺旋结构） 1)  D. S. DNA + S. S. DNA T. S. DNA ☆      PU + PU/PY (偏碱性介质中稳定) ☆ PY + PU/PY (偏酸性介质中稳定) 常见类型 • 第三条链位于B-DNA的 Major groove中 • 与D. S. DNA一起旋转 3-19

  18. PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA PolyT/A TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA TTTTTTTTTTT AAAAAAAAAA 2）D.S. DNA + D.S.DNA T.S. DNA + S.S. DNA 3-20

  19. -------TTCCCTCTTTCCC------CCCTTTCTCCCTT---- -------AAGGGAGAAAGGG-----GGGAAAGAGGGAA---- --------TTCCCTCTTTCCC-------- --------AAGGGAGAAAGGG------- -------TTCCCTCTTTCCC--------- --------AAGGGAGAAAGGG-------- Nodule DNA Hinged DNA free DNA a）分子内同源回文（Homologous palindromic sequence） in a D. S. DNA (mirror image structure) Mirkin (1987) pGG332 plasmid DNA 3-21

  20. 三链螺旋 Hinged DNA Hinged DNA 双链螺旋 b)  分子间 D. S. DNA + S. S. DNA T. S. DNA 形成结DNA（Nodule DNA）or 铰链DNA（Hinged DNA） a b 3-22

  21. 3)  D. S. DNA + S. S. DNA T. S. DNA 平行的DNA三螺旋结构 • 第三条链位于B-DNA的 Major groove中 • 与D. S. DNA一起旋转 3-23

  22. 4）T. S. DNA 的连接键 a.Watson bonding A ＝ T G ≡ C (D. S. DNA) b. Hoogsteen bonding G ＝ C+ (pH 小于7) c.第三链 质子化 第二链的 purine 6‘,7’与第三链的碱基形成 H 键。 H+ G ＝ C+ A ＝ A （同向平行，反向平行） T ＝ A G ＝ G （ 同向平行，反向平行） 3-24

  23. Py Pu * Pu Py Pu * Py Py Pu * Py+ 3-25

  24. Major groove • 在 Py / Pu * Py 结构中 • A T , G C两氢键配对 • C质子化 • 镜相结构 必需条件 Triple helix Py : Pu : Py 3ed (4) 三股螺旋DNA形成的条件及结构特点 • 第三条单链DNA分子 • 位于B-DNA大沟内 • 与B-DNA以 • Hoogsteen 键连接 • 在 Py / Pu * Pu结构中 • 有多种配对方式，不一 • 定需要序列的镜向结构 3-26

  25. l无论何种形式的三螺旋 DNA, 第二股中间 链必须是 Purine 链 l第三股链至少长于8 dNt l真核生物基因组内, 约1%左右的序列为 大于100 bp 的homologous cluster (重复序 列与调控序列)，T. S. DNA多存在于其中。 3-27

  26. (5) T. S. DNA可能的功能 • T. S. DNA可阻止调节蛋白与 DNA结合, 关闭基因转录过程。 • T. S. DNA 与基因重组交换有关。 • 加入第三条S. S. DNA 作为分子剪刀(molecular scissors), 定点切割DNA分子。 • 加入反义的第三条链(anti-sence polydNt) 终止基因的表达。

  27. Poly (G), 4 (dG) • 染色体端粒高度重复的 DNA序列 5’---TTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’ 3’---AATCCCAATCCC-5’ • 着丝点附近的高度重复序列 3.4.4 四股螺旋DNA( tetraplex DNA, Tetrable Helix DNA ) 发现 1958. Poly( I ) X-ray photograph 碱基形成环状氢键连接结构 Tetrable Helix DNA 均有形成 四股螺旋DNA 的可能 3-29

  28. 7 G G 7 6 6 G 6 6 7 G 7 Linked by Hoogsteen Bonding 结构特点 3-30

  29. G-quartet formation G-quartets in Vivo ? Telomeres Immunoglobulin switch regions HIV1 RNA Fragile X repeat Ribosomal DNA 3-31

  30. G-rich oligonucleotides or GROs : A new Cancer treatment 3-32

  31. 3-33

  32. T T T T T T G G GG G G G G G G G G G G G G G G T T 5‘ T 3‘ 真核生物染色体端粒DNA结构 GGGGTTTGGGGTTTGGGGTTT 3-34

  33. 可能的功能 A 稳定真核生物染色体结构 5’-----TTAGGGTTAGGGTTAGGGT T A 3’-----AATCCCAATCCCGGG Hoogsteen Bonding B 保证DNA末端准确复制 C 与DNA分子的组装有关 D 与染色体的减数分裂 meiosis & 有丝分裂 mitosis 有关 3-35

  34. 2.1 Nucleic Acid Structure : RNA structure • Single stranded nucleic acid • Secondary structure are formed some time • Globular tertiary structure are important for many functional RNAs, such as tRNA, rRNA and ribozyme RNA Forces for secondary and tertiary structure: intramolecularhydrogen bonding and base stacking.

  35. Ribozyme RNA tRNA Secondary structure Tertiary structure

  36. Conformational variability of RNA is important for the much more diverse roles of RNA in the cell, when compared to DNA. Structure and Function correspondence of protein and nucleic acids

  37. RNA结构特点及与DNA的区别 碱基组成不同； RNA分子中有许多稀有碱基； RNA分子中的戊糖是D－核糖，而DNA不是； RNA分子是多聚核苷酸单链； RNA分子中的碱基不严格遵守Chargaff法则； RNA分子在碱性溶液中敏感，易水解； RNA分子内只有部分双链区域； RNA分子是遗传信息的传递体； 某些RNA病毒，是以RNA分子作为遗传信息的载体； 核酶RNA分子具有催化功能；

  38. 细胞内RNA的分布 成熟的RNA主要分布在细胞质中。 主要分为三大类：转运RNA（tRNA）；信使RNA（mRNA）；核蛋白体RNA（rRNA）。 细胞核内的RNA（nRNA），另一部分是核内小RNA（snRNA）核不均一RNA（hnRNA），转移－信使RNA（tmRNA）siRNA，micRNA。

  39. 细胞中RNA的分布 细胞内总RNA 非编码RNA占总量的94％ 编码RNA占总量的4％ 非编码rRNA tmRNA scRNA 前rRNA snRNA snoRNA rRNA tRNA mRNA 前tRNA hnRNA 所有生物 仅真核生物 仅细菌

  40. RNA的分类概述 1、mRNA的结构 mRNA存在于细胞质，总量不到细胞总RNA的5％； 真核细胞mRNA是单顺反子(monocistron)； 原核细胞是多顺反子(poly-cistron)； UGAUAAUAG AUG AAUAAA (A)nAAOH3’poly A m7G5’ppp5’Nm(Nm) 5’帽子 5’非编码区 编码区 3’非编码区

  41. ● In Prokaryote mRNA 5’-end; 300±Nt leading seq. (A/G-------------AUG) Shine-Dalgarno seq. (S.D seq) GGAGG S.D seq---------------------AUG 9Nt better rich A,U, → G mut. translation go down poly-cistron

  42. ● In Eukaryote mono-cistron leading seq. 5’ m7Gppp--- -----CCACC-----A-3---A1U2G3G4— 核糖体小亚基扫描AUG的信号序列 至关准确翻译 But mRNA of chloroplast shows similarities to prokaryote type1; S-D seq. with greater secondary structure in leading Seq. type2; rich AU with little secondary structure in leading Seq. poly-cistron

  43. 2 tRNA的结构 ● tRNA含量较多，约占总细胞总RNA的15％； ● tRNA由74－95个核苷酸组成，通常为76个； ● 微小 RNA, 沉降系数4－4.5s, (74-95 Nt) ● tRNA phe, 77Nt构成的三叶草型 (1964 Holly R.) ● Nt 多被甲基化修饰,（含有稀有碱基组成的核苷，如：假尿嘧啶核苷（），二氢尿苷（D），肌苷（I）等） ● 5 arms & 4 loops

  44. 1、含有稀有碱基和稀有核苷酸，达核苷酸总量的5－20％；1、含有稀有碱基和稀有核苷酸，达核苷酸总量的5－20％； 2、3’端含有一个CCA序列，是所有tRNA接受氨基酰化的位置，它是tRNA合成后加上的； 3、所有的tRNA分子形成三叶草的二级结构和L型构象； 4、tRNA分子有5个臂和4个环； tRNA的二级结构特征

  45. 5 副密码子 Paracodon 由若干Nt组成，存在于tRNA不定位置上 与AARS侧链基团的分子发生特异的“契合” 成为tRNA准确负载氨基酸的机制之一 6 tRNA的”L” 三维结构与功能 “L”构型的结构力 二级结构中双链区的碱基堆积力和氢键 二级结构中非双链区在“L”结构中，形成氢键结合

  46. I type ; 3-5 Nt 3/4 tRNA II type ; 13-21 Nt ---aa accept arm ; loading aa at 3’ end ---TΨC loop; contact with 5s rRNA ---DHU loop; contact with AARS ---anti-codon loop; 34th is wobble base ---extra loop; classification marker ?

  47. A P “L”结构域的功能 ---aa accept arm 位于“L”的一端，契合于核糖体的肽基 转移酶结合位点 P A, 以利肽键的形成。 ---anti-codon arm 位于”L”另一端，与结合在核糖体 小亚基上的codon of mRNA配对。 aa’-tRNAaa

  48. TC loop Amino acid arm extra loop DHU loop Anti-codon arm “L”结构域的功能 --- TΨC loop & DHU loop 位于“L”两臂的交界处， 利于“L”结构的稳定 ---“L”结构中碱基堆积力大 使其结构趋于稳定 wobble base 位于“L”结构末端 堆积力小 自由度大 使碱基配对摇摆

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