第二节核酸的结构与功能

核酸的基本组成单位 核苦酸
(一）核苷酸分子组成
核酸的基本构成单位是核苷酸，核酸由多个核苷酸连接而成，故又称多聚核苷酸。组成脱

氧核糖核酸(DNA)的核苷酸是脱氧核糖核苷酸，组成核糖核酸(RNA)的核苷酸是核糖核苷
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戊糖和碱基。

1. 碱基核酸分子中的碱基均为含氮杂环化合物，分为两类:嘌呤碱和嘧啶碱。DNA和 RNA中含有的嘌呤碱主要为腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G);组成DNA的嘧啶碱主要有胸腺嘧啶 (T)和胞嘧啶(C)，RNA分子中主要为尿嘧啶(U)及胞嘧啶。除了这四种碱基之外，核酸中还 有一些特殊的碱基存在，它们绝大多数是四类碱基的衍生物，即在碱基的某些位置附加或取代 某些基团。由于这些碱基在核酸中含量一般都很低，因此，把这些特别的碱基称为稀有碱基或 修饰碱基，如5-甲基胞嘧陡、5-羟基胞嘧啶等。

核酸中碱基的酮基或氨基，均位于碱基氮原子的邻位，可以发生酮式-烯醇式或氨基-亚氨 基之间的结构互变，这种互变异构可引起DNA结构的变异，在基因突变和生物进化中具有重 要作用。

2. 戊糖核酸中的戊糖有核糖和脱氧核糖两种，均为卩-呋喃型。为与含氮碱基分子中的 碳原子区别，戊糖的碳原子顺序以1'到5'表示。RNA中戊糖为核糖，DNA分子中为 |3-D-2脱氧核糖。
3. 核苷是核苷酸水解的中间产物，由戊糖分子中上的羟基与嘧啶碱凡或嘌呤碱 %上的氢化合成水而形成的一类化合物。戊糖与碱基之间以CVN糖苷键相连。
4. 核苷酸是核酸的基本结构单位，由核苷中戊糖分子C'5羟基与磷酸缩合成酯键而形 成。除5'核苷酸外，体内尚有2'核苷酸和3'核苷酸，它们分别由核苷中戊糖分子C'2羟基、C'3 羟基与磷酸缩合成酯键而成。体内还有其他形式的核苷酸，如辅酶I (nad+)、辅酶n (NADP+)、黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)等。这些核苷酸不参与核酸 组成，而是作为代谢酶的辅酶，参与物质代谢反应。

体内核苷酸除一磷酸核苷酸形式外，还有核苷的二憐酸酯和三磷酸酯。以腺苷酸为例，一 磷酸腺苷(AMP)中的磷酸可与另一分子磷酸以酸酐的方式缩合成二磷酸腺苷(ADP)，再结合 一分子磷酸则生成三磷酸腺苷(ATP)。
一磷酸核苷的磷酸可进一步憐酸化而生成二憐酸核苷或三磷酸核苷。二磷酸核苷简写为 NDP，三磷酸核苷简写为NTP。这里的DP和TP分别代表二磷酸和三磷酸之意。体内重要 的核苷酸如下：

AMP	CMP	GMP	UMP	TMP
ADP	CDP	GDP	UDP	TDP
ATP	CTP	GTP	UTP	TTP

脱氧核苷酸在符号前面再加个“d”以示区别，如dTMP、dTDP和dTTP。4种三磷酸核苷 (NTP，其中N代表A、G、C、U)和4种三磷酸脱氧核苷(dNTP，其中N代表A、G、C、T)是合 成RNA和DNA的原料。
核苷酸还有环化的形式，它们主要是3'，5'-环化腺苷酸（cAMP)和3'，5'-环化鸟苷酸 (cGMP)，它们在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号传导中起着十分重要的作用。
(二）核酸
核酸是由许多核苷酸分子连接而成的。每个核酸分子的大小或所含的核苷酸数目是不一 样的，尽管核酸分子之间存在差异，但核酸分子中各个核苷酸之间的连接方式完全一样，都是 通过前一个脱氧核苷酸的羟基与后一个分子的5'-磷酸缩合生成3'-5'-磷酸二酯键而彼此

相连。由于多聚核苷酸以一定方式相连，因此多聚核苷酸链具有两个不同的末端，即戊糖5'
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有了方向性，通常以5'—3<方向为正向。表示一个核酸分子结构的方法由繁至简有许多种。 由于核酸分子结构除了两端和碱基排列顺序不同外，其他均相同。因此，在表示核酸分子时， 只需注明其5'-末端和3'-末端，末端有无磷酸基，以及碱基顺序即可。如未特别注明5^和3'- 末端，一般约定，碱基序列书写的方向为由左向右，左侧是5'-末端，右侧是3'-末端。
核酸分为DNA和RNA两类。无论动物、植物还是微生物细胞中都含有DNA和RNA。 核酸约占细胞干重的5%〜15%。无细胞的病毒或者含DNA，或者含RNA，故有DNA病毒 和RNA病毒之分。在真核细胞，98%以上的DNA与组蛋白结合、形成染色质，存在于细胞核 中，其余的DNA主要分布在线粒体中。RNA仅有10%存在于细胞核中，而90%存在于细胞 质中。根据分子结构和功能不同，RNA主要分为三种，即核糖(核蛋白）体RNA(rRNA)、转 运RNA(tRNA)及信使RNA(mRNA)。此夕卜，还有核内小RNA(snRNA)、小（分子）干扰 RNA(siRNA)、微小 RNA(miRNA)等。
二、DNA的结构与功能
(―)DNA碱基组成规律
5〇年代初，Chargaff等对多种生物来源的DNA碱基组成进行了定量测定，总结出如下 规律：

1. 所有DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶分子数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的分子数相等，即 [A] = [T]，[G] = [C]。由此可引申出下述规律：

1. [A]/[T] = [G]/[C],
2. [A] + [G] = [T]+[C]。

2. DNA的碱基组成具有种属特异性，即不同生物种属的DNA具有各自特异的碱基组 成。如人、牛和大肠杆菌的DNA碱基组成比例是不一样的。
3. DNA的碱基组成无组织或器官特异性，即同一生物体的各种不同器官或组织DNA的 碱基组成相似。比如，牛的肝、胰、脾、肾和胸腺等器官的DNA碱基组成十分相近而无明显 差别。
4. 生物体内的碱基组成一般不受年龄、生长状况、营养状况和环境等条件的影响。这就 是说，每种生物的DNA具有各自特异的碱基组成，与生物遗传特性有关。

上述DNA碱基组成特点，称为Chargaff法则。
(二） DNA的一级结构
DNA的结构与蛋白质相似，也可分为一级和空间结构层次。一般而言，DNA的一级结构 是指核酸分子中核苷酸的排列顺序及其连接方式。由于DNA中核苷酸彼此之间的差别仅见 于碱基部分，因此DNA的一级结构又指其碱基排列顺序，即DNA序列。
(三） DNA双螺旋结构
1953年，Watson和Crick以实验结果为基础，提出DNA的二级结构形式——双螺旋模 型。双螺旋模型不仅能合理地解释Chargaff的发现，同时为揭示DNA的复制等机理奠定了 基础，在遗传学和分子生物学领域具有划时代的意义。
DNA双螺旋结构特点Watson和Crick提出的DNA双螺旋模型结构特点如下。
1. DNA分子由两条相互平行、但走向相反(一条链为3'—5',另一条链为5'—3')的脱氧

多核苷酸链组成;两条链以脱氧核糖和磷酸形成的长链为基本骨架，以右手螺旋方式绕同一中
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2. 在这条双螺旋DNA链中，脱氧核糖与磷酸是亲水的，位于螺旋的外侧，而碱基是疏水 的，处于螺旋内部;链间形成氢键，使两条链的碱基相互配对，从而起到稳定螺旋的作用。碱基 是嘌呤对嘧啶，即A-HC，前者间形成两个氢键，后者间形成三个氢键。这种碱基配对 也称碱基互补，具有碱基互补的多核苷酸链则称为互补链。
3. 每个碱基对的两碱基处于同一平面，该平面垂直于双螺旋的中心轴。各碱基对的平面 彼此平行、互相重叠，碱基平面之间借纵向范德华(Van der Waals)力形成碱基堆积力，使双螺 旋结构更趋稳定。

4•每两个相邻碱基对平面之间的距离是0• 34nm;螺旋每转一圈的螺距为3. 4nm，每个旋 距内含1〇个碱基对。

5. 碱基可以在多核苷酸链中以任何排列顺序存在。

氢键是由静电作用引起的一种弱键，虽然单个氢键在室温下不稳定，然而DNA分子中大 量氢键集合在一起，产生很大维系力。碱基堆积力是碱基对之间在垂直方向上的相互作用，碱 基堆积力可使碱基缔合、层层堆积，分子内部形成疏水核心，这对DNA结构的稳定是很有利 的，碱基堆积力对维持DNA的二级结构起主要作用。
(四） DNA高级结构..
DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构称为DNA的三级结构，即超螺旋结构。生 物体的闭环DNA都以超螺旋形式存在，如细菌质粒、一些病毒、线粒体的DNA等。线性 DNA分子或环状DNA分子中有一条链有缺口时均不能形成超螺旋结构。真核生物染色体 (chromosome)DNA成线性，其三级结构是DNA双链进一步盘绕在以组蛋白（H2A，H2B， H3，H4分子)为核心的结构表面构成核小体。核小体是染色质的基本组成单位。许多核小体 连接成串珠状，再经过反复盘旋折叠最后形成染色单体。染色质纤维经过几次卷曲折叠后， DNA形成复杂的多层次超螺旋结构，其长度大大压缩。
超螺旋可能有两方面的生物学意义:①超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分 子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利;②超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而 影响DNA分子与其他分子(如酶、蛋白质)之间的相互作用。
(五） DNA的功能
DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生 命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。生物学家很早以来就已使用的基因 (gene)这一名词也最终有了它真实的物质基础。基因从结构上定义，是指DNA分子中的特 定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA是细胞内RNA合成的模板，部分 RNA又为细胞内蛋白质的合成带去指令。DNA的核苷酸序列以遗传密码的方式决定不同蛋 白质的氨基酸顺序。依据这一原理，DNA又仅利用四种碱基的不同排列，可以对生物体的所 有遗传信息进行编码，经过复制遗传给子代，并通过转录和翻译保证支持生命活动的各种 RNA和蛋白质在细姆内有序合成。
三、DNA理化性质及其应用
(一）DNA变性和复性的概念

1. 变性双螺旋的稳定靠碱基堆积力和氢键的相互作用来共同维持。如果因为某种因

素破坏了这两种非共价键力，导致DNA两条链完全解离，就称为变性。导致变性的因素可以
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DNA变性常伴随一些物理性质的改变，如黏度降低，浮力密度增加，尤其重要的是光密度 的改变。如前所述，核酸分子中碱基杂环的共轭双键，使核酸在260nm波长处有特征性光吸 收。在双螺旋结构中，平行碱基堆积时，相邻碱基之间的相互作用会导致双螺旋DNA在波长 260nm的光吸收比相同组成的游离核苷酸混合物的光吸收值低40%，这种现象称为减色效 应。DNA变性后改变这一效应，与未发生变性的相同浓度DNA溶液相比，变性DNA在波长 260nm的光吸收增强，这一现象称为增色效应。
DNA的变性发生在一定的温度范围内，这个温度范围的中点称为融解温度，用Tm 表示。当温度达到融解温度时，DNA分子内50%的双螺旋结构被破坏。Tm值与DNA 的碱基组成和变性条件有关。DNA分子的GC含量越高，Tm值也越大。Tm值还与 DNA分子的长度有关，DNA分子越长，Tm值越大。此外，溶液离子浓度增高也可以使 Tm值增大。

2. 复性DNA的变性是可逆的。在适宜条件下，如温度或PH值逐渐恢复到生理范围， 分离的DNA双链可以自动退火(annealing)，再次互补结合形成取螺旋，这个过程称为复性。

复性时,互补链之间的碱基互相配对，这个过程分为两个阶段。首先，溶液中的单链DNA 不断彼此随机碰撞;如果它们之间的序列有互补关系，两条链经一系列的G>C、A-T配对，产生 较短的双螺旋区。然后，碱基配对区沿着DNA分子延伸形成双链DNA分子。DNA复性后， 变性引起的性质改变也得以恢复。
(二） 核酸杂交
复性作用表明了变性分开的两个互补序列之间的反应。复性的分子基础是碱基配对。因 此，不同来源的核酸变性以后，合并在一起，只要这些核酸分子含有可以形成碱基互补配对的 序列，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，形成杂化双链，这个过程称为杂交。不同来源 的DNA可以杂交，DNA与RNA、RNA与RNA之间也可以杂交。若标记一个已知序列的核 酸，通过杂交反应就可以确定待测核酸是否含有与之相同的序列。这种标记的核酸称为探针。 由此发展出的分子杂交技术已成为分子生物学研究中不可缺少的基本技术，如Southern印迹 (DNA-DNA 杂交）'Northern 印迹(DNA-RNA 杂交)技术。
(三） 核酸的紫外线吸收
核酸分子的碱基含有共轭双键，在260nm波长处有最大紫外吸收，可以利用这一特性对 核酸进行定量和纯度分析。
四、RNA结构与功能
(―)mRNA
遗传信息从DNA分子抄录到RNA分子的过程称为转录(transcription)。从DNA分子 转录的RNA分子中，有一类可作为蛋白质生物合成的模板，称为信使RNA(mRNA)。 mRNA约占细胞RNA总量的1 %〜5%。mRNA种类很多，哺乳类动物细胞总计有几万种不 同的mRNA。mRNA的分子大小变异非常大，小到几百个核苷酸，大到近2万个核苷酸。 mRNA —般都不稳定，代谢活跃，更新迅速，寿命较短。原核生物和真核生物的mRNA结构

不完全一样，下面分别介绍。
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1. 末端有帽子(cap)结构。所谓帽子结构就是5'-端第1个核苷酸都是甲基化鸟嘌呤 核苷酸，它以5'-端三磷酸酯键与第2个核苷酸的5'-端相连，而不是通常的3', 5'-磷酸二酯键。 帽子结构中的核苷酸大多数为7-甲基鸟苷(m7G)。帽子结构的功能是保护mRNA免受核酸 酶从V-端开始对它的降解，并且在翻译中起重要作用。
2. 3'-端绝大多数均带有多聚腺苷酸(poly A)尾巴，其长度为20〜200个腺苷酸。Poly A尾巴是以无模板的方式添加的，因为在基因的3'-端并没有多聚腺苷酸序列。Poly A尾巴 可以增加mRNA的稳定性、维持mRNA的翻译活性。
3. 分子中可能有修饰碱基，主要是甲基化，如m6A。
4. 分子中有编码区与非编码区。非编码区(UTR)位于编码区的两端，即5'-端和3'-端。 真核mRNA 5'UTR的长度在不同的mRNA中差别很大。5'非编码区有翻译起始信号。有 些mRNA 3'-端UTR中含有丰富的AU序列，这些mRNA的寿命都很短。因此推测端 UTR中丰富的AU序列可能与mRNA的不稳定有关。

2. 原核生物mRNA结构的特点

1. 原核生物mRNA往往是多顺反子，即每分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息(来 自几个结构基因）。在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位。 在5^端和3'-端也有非编码区。
2. mRNA 5'-端无帽子结构端一般无多聚A尾巴。
3. mRNA—般没有修饰碱基，其分子链不被修饰。

(二） tRNA
转运RNA(tRNA)的作用是在蛋白质合成过程中按照mRNA指定的顺序将氨基酸运送 到核糖体进行肽链的合成。细胞内tRNA种类很多，每种氨基酸至少有一种相应的tRNA与 之结合，有些氨基酸可由几种相应的tRNA携带。
tRNA约占总RNA的15%，大部分tRNA都具有以下共同特征：

1. tRNA是单链小分子，由73〜93个核苷酸组成。
2. tRNA含有很多稀有碱基，每个分子中约有7〜15个稀有碱基，其中有些是修饰碱基， 是在转录后经酶促修饰形成的。在修饰碱基中，甲基化的A、U、C和G较多。甲基化可防止 碱基对的形成，从而使这些碱基易与其他分子反应。甲基化也使tRNA分子有部分疏水性， 在与氨基酰tRNA合成酶及核糖体反应时比较重要。
3. tRNA的V-末端总是磷酸化，5'-末端核苷酸往往是PG。
4. tRNA的3'-端是CPCPA-0H这一序列是tRNA结合和转运任何氨基酸而生成氨基 酰tRNA时所必不可少的，激活的氨基酸连接于此3'-末端羟基上。
5. tRNA分子中约半数的碱基通过链内碱基配对互相结合，形成双螺旋，从而构成tRNA 的二级结构，形状类似于三叶草，含4个环和4个臂。包括二氢尿嘧啶环(DHU环）、可变环 (或称附加叉）、T(|>C环(在tRNA第54〜56位是1^0和反密码环（由7个碱基组成,其中中 间3个碱基构成反密码子）。
6. tRNA的三级结构是倒L形。

(三） rRNA
核糖体RNA(rRNA)是细胞内含量最丰富的RNA，约占细胞总RNA的80%以上。它们