核酸(遺傳物質)的結構

發布日期:2016-10-14 18:07:42

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2'-脫氧核糖核酸(DNA)的

DNA(2'-脫氧核糖核酸)是遺傳信息幾乎所有生命系統的分子店。它是已知的作為單體的由大量的聚合物分子的核苷酸每個核苷酸組成的雜環基,戊糖(2'-脫氧的ð -ribofuranose),和磷酸基。有DNA中四種雜環堿基:腺嘌呤(A),鳥嘌呤(G),胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。其結構和編號系統示于圖1

DNA的雜環堿基的化學結構

圖1 | DNA的雜環堿基的化學結構

腺嘌呤和鳥嘌呤是嘌呤和胞嘧啶和胸腺嘧啶是嘧啶(圖2)。

嘌呤和嘧啶雜環系統的結構

圖2 | 的嘌呤和嘧啶雜環系統的結構

所述脫氧核糖示于圖3中作為一個無糖它能。變旋在某些條件下,采用呋喃糖,無環和吡喃糖形式; 但在DNA中它固定為呋喃。

2'-脫氧-D-核糖的變旋允許呋喃糖,無環和吡喃糖形式之間的互

圖3 | 2'-脫氧-D-核糖的變旋允許呋喃糖,無環和吡喃糖形式之間的互

磷酸基團可以在根據用于分解的DNA,以產生核苷酸的方法中的糖的5'或3'位被發現。磷酸鹽的去除產生了一個核苷。該雜環基是與糖的1'-位上。一脫氧和脫氧核苷酸的化學結構示于圖4

一脫氧和脫氧核苷酸的結構

圖4 | 一脫氧和脫氧核苷酸的結構

債券加入脫氧核糖的1'碳的雜環基地是ñ糖苷鍵。有關此鍵旋轉引起構象()。這個鍵的旋轉受到限制和構象的普遍青睞,部分原因是空間的理由。

的<em> SYN </ em>的和的<em>抗</ em>的核苷構象結構

圖5 | 的結構順式核苷構

在DNA雙鏈體的核苷采用構象(也有極少數例外情況,其中之一是鳥苷酸,其中,所述鳥嘌呤堿基采用約糖苷鍵構)。

所述脫氧核糖的1'-位是端基異構體中心如果附著到1'-碳取代基位于同一面上的糖環作為5'-羥基,它被稱為β型異頭物; 如果取代基是在糖環的相對側它是α端基異構體(圖6)。所有在DNA中的核苷的是將β構型。

核苷α-的結構和β異頭物

圖6 | 核苷α-的結構和β端基異構體

核糖核酸(RNA)

一些生物體,例如逆轉錄病毒,用核糖核酸(RNA),而不是DNA作為其遺傳信息存儲。RNA的化學性質非常相似的DNA,但有兩個重要的區別:
  • 的RNA具有連接到糖的2'位上的羥基基團,和
  • 嘧啶尿嘧啶(U; 圖7)中的RNA代替胸腺嘧啶。

RNA的關鍵生物作用是作為一個信使:它在DNA中(讀遺傳密碼轉錄)并將其傳送到核糖體,在那里被解碼成蛋白質(序列翻譯)。

尿嘧啶和胸腺嘧啶核苷結構

圖7 | 尿嘧啶和胸腺嘧啶核苷結構尿苷的RNA發生; 胸苷的DNA。

寡核苷酸

DNA或RNA的核苷酸(二聚體)是由一個核苷酸的5'-磷酸基團共價連接到另一個的3'-羥基基團,以形成一形成磷酸二酯鍵當幾個這樣的鍵被制成,以及天然存在的核酸是這樣的直鏈,高分子量分子形成的寡核苷酸(寡聚物)。在生理pH(7.4)每個磷酸二酯基團的存在作為陰離子(因此術語核酸),因此核酸高度帶電聚陰離子分子(圖8)。

寡核苷酸dGCAT(左)和dTACG(右)的化學結構

圖8 | 寡核苷酸dGCAT(左)和dTACG的化學結構(右)

核酸鏈的一端具有5'-羥基(伯羥基),另一端有一個3'-羥基(仲羥基)。因此,核酸鏈具有方向性。在四核苷酸圖8一個具有序列5'-GCAT-3',并在四核苷酸圖8B具有序列5'-TACG-3'。按照慣例,使用前綴5'-和3'-未寫入,和核酸序列被寫入的5'到3'的方向。寡核苷酸GCAT和TACG是具有不同的化學和生物物理特性不同的分子。

核酸雙鏈體

DNA的單鏈的化學結構使得不能洞察其生物功能的遺傳信息的載體。然而,當詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克顯示,1953年采用DNA雙鏈結構(雙面),機制DNA復制(復制)變得明顯。雙螺旋結構,主要由X射線衍射纖維鑒定數據和查戈夫的規則(由羅莎琳德·富蘭克林和威爾金斯收購)。歐文查戈夫發現在DNA中的腺嘌呤的摩爾量總是等于胸腺嘧啶和相同的是鳥嘌呤和胞嘧啶(即的G摩爾= C的摩爾數)真。沃森和克里克能夠通過建立模型以顯示DNA的兩條鏈通過在相反鏈單個堿基之間的氫鍵保持在一起來解釋這一點。嘌呤堿基A總是與嘧啶T和嘌呤?總是成對與嘧啶-C(對圖9)。

在氫鍵·T和C·G的Watson-Crick堿基對

圖9 | 在氫鍵·T和C·G的Watson-Crick堿基對

毫不奇怪的A·T和G·C被稱為Watson-Crick堿基對。它們是偽對稱并且如果A·T堿基對鋪設在任何其他堿基對(T·A,G·C或C·G)的磷酸二酯主鏈落在彼此的頂部(圖10圖11)。因此,所有四個堿基對正好貼合了雙螺旋結構。

·G·C和A·T堿基對動畫疊加

圖10 | ·G·C和A的動畫疊加·T堿基對

堿基對覆蓋

圖11 | 堿基對重疊的T·堿基對覆蓋的A·T堿基對,而對G·C堿基對覆蓋在A·T堿基對的結構。

DNA的一條鏈的序列精確定義了其他的序列; 兩條鏈被說成是互補的,并且有時被稱為反向互補彼此的。兩條鏈是反平行的,與相鄰的其他的3'端的一條鏈的5'末端。兩個鏈彼此盤繞以形成右旋雙螺旋,以形成外部親水性主鏈中的中心疏水堿基對和糖和帶負電荷的磷酸鹽。術語“右旋”表示在面向觀察者的分子的前端的骨干從到左下方右上方向下傾斜。平面雜環堿堆疊在另一個上并沿所述螺旋軸連續的堿基對之間的間隔大約是0.34納米。一個螺旋圈(一個完整的360°旋轉的雙螺旋的)被重復,每10至11個堿基對。所述雙鏈體的穩定性是從兩者得到的堿基堆積氫鍵雙螺旋的DNA,B-DNA(的主要形式圖12,中間),具有很寬的大溝和周圍沿該分子的整個長度的螺旋運轉的窄的小溝。蛋白質在這些凹槽(主要在大溝)和一些小分子藥物(如紡錘菌素,偏端霉素)結合的DNA在小溝(見互動核酸藥物相互作用)。

的A-DNA,B-DNA和Z-DNA的三維結構

圖12 | A-DNA的三維結構,B-DNA和Z-DNA

RNA也可以使用相同的堿基配對規則形成右旋雙工(A·U和·G·C)中,但將RNA雙鏈體具有獨特的形狀(A型),其中大溝深,小溝很淺。下(低濕度的DNA條件下也能采用的A型圖12,左),以及有許多DNA和RNA的其它構象,其中大部分是在A-和B-形式微妙的變化。

一個顯著不同的DNA構象,Z-DNA,(圖12,右)從交替序列dCGCGCG,其自發地形成在含水緩沖液中的雙鏈體的化學合成的DNA鏈的X射線晶體結構確定。Z-DNA是左撇子,并具有一個二核苷酸重復單元,所以主鏈不順暢,但似乎“之字形”。目前尚不清楚Z-DNA是否具有生物相關性。

確定核酸結構技術

核磁共振(NMR)

核磁共振是高度發達的和強大的光譜技術是在核酸的結構,熱力學和動力學性能的調查有價值。該技術可以用于研究DNA雙鏈體,三螺旋,四鏈,發夾環,RNA雙鏈和其他二級和三級RNA結構。首先,1 H-NMR與水抑制水性緩沖液使用。31 31 P NMR也是有用研究核酸磷酸二酯骨架的環境。核磁共振是在當地研究核酸結構,即堿基對和三重峰,核酸-藥物相互作用和核酸-蛋白質相互作用的性質最有用的。這是給全球性的信息(如A與B螺旋,DNA雙螺旋彎曲),因為當地的互動必須作為全球性的指標那么強大。核磁共振應始終與其它物理技術,如圓二色性一起使用(指示構象中,A,B,Z),的雙鏈體,三螺旋和四鏈(熱力學信息)紫外線熔化,X射線衍射(高分辨率結構分析)和熒光共振能量轉移(距離測量)。堿和糖質子典型核磁共振化學位移列于圖13圖14

在的核酸堿基的1H NMR譜中觀察到的關鍵殘基的NMR化學位移

圖13 | 在核酸堿基的1 H NMR譜中觀察到的關鍵殘基的NMR化學位移從Wijmenga和van布倫,數據在核磁共振譜進展 32,287-387(1998)。

在核酸中的1H NMR譜中觀察到的脫氧核糖的關鍵殘基的NMR化學位移

圖14 | 在脫氧核糖的1H NMR譜觀察核酸的關鍵殘基的NMR化學位移從Wijmenga和van Buuren的,數據在核磁共振譜進展 32,287-387(1998)。

結晶和X-射線衍射

在進步固相寡核苷酸合成純化已允許大量寡核苷酸的待結晶和其分子結構解決。這提供了B和A形式的DNA的兩個上重要的信息,在確認從早期纖維衍射研究作出的預測,并提供關于核酸結構的序列依賴性的高分辨率信息。單晶,例如在所示的X射線衍射圖15提供大分子結構的精確圖象與超過其它技術的分辨率。

當晶體被放置在X射線源,將產生的衍射圖案,從其中,一些復雜的數學的幫助下,該單位電池的立體圖像和分子本能夠生成的路徑。X射線晶體需要高度有序晶體,并獲得核酸合適的晶體一般是該方法的最慢的部分。的寡核苷酸的高度濃縮的溶液需同時提供晶體形成熱力學驅動力。溶解度極限通過使用外部脫水劑從所述寡核苷酸溶液逐漸除去水,或擴散沉淀如異丙醇到溶液中超過。已通過X射線晶體學獲得的A,B和Z-DNA的高分辨率結構和技術已經被用來研究在原子細節DNA的藥物復合物。在大多數情況下,該結構的分辨率不超出2埃(0.2納米),但是這是足以提供雜環堿基和糖 - 磷酸酯主鏈的一個合理的清晰畫面。

DNA晶體

圖15 | 的DNA晶體的DNA寡核苷酸的晶體的照片。