1、第三章 核酸的結構和功能核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，它的構件分子是核苷酸（nucleotide），天然DNA貯存細胞所有的遺傳信息，是物種保持進化和世代繁衍的物質基礎。RNA中參與蛋白質合成的有三類：轉移RNA（transfer RNA，tRNA），核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）和信使RNA（messenger RNA，mRNA）。20世紀末，發現許多新的具有特殊功能的RNA，幾乎涉及細胞功能的各個方面。第一節 核苷酸 核苷酸可分為核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸兩類，核糖核苷酸是RNA的構件分子，而脫氧核糖核苷酸是DNA構件分子。細胞內還有各種游離的核

2、苷酸和核苷酸衍生物，它們具有重要的生理功能。核苷酸由核苷（nucleoside）和磷酸組成。而核苷則由堿基（base）和戊糖構成。一、 堿基構成核苷酸中的堿基是含氮雜環化合物，有嘧啶（pyrimidine）和嘌呤（purine）兩類。核酸中嘌呤堿主要是腺嘌呤和鳥嘌呤，嘧啶堿主要是胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶。DNA和RNA中均含有腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶，而尿嘧啶主要存在于RNA中，胸腺嘧啶主要存tRNA分子中也有胸腺嘧啶，少數幾種噬菌體的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。這五種堿基受介質pH的影響出現酮式、烯醇式互變異構體。在DNA和RNA中，尤其是tRNA中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基（ra

3、re bases）稀有堿基種類很多，大多數是甲基化堿基。tRNA中含稀有堿基高達10%。二、 戊糖核酸中有兩種戊糖（圖3-5）。在核苷酸中，為了與堿基中的碳原子編號相區別核糖或脫氧核糖中碳原子標以C-1，C-2等。脫氧核糖與核糖兩者的差別只在于脫氧核糖中與2位碳原子連結的不是羥基而是氫，這一差別使DNA在化學上比RNA穩定得多。三、 核苷的N-1或者與嘌吟堿的N9相連接，戊糖與堿基間的連接鍵是N-C鍵，一般稱為N-糖苷鍵（圖3-6）。RNA中含有稀有堿基，并且還存在異構化的核苷。如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用表示），在它的結構中戊糖的C-1不是與尿嘧啶的N-1相連接，而是與尿

4、嘧啶C-5相連接（圖3-7）。四、核苷酸核苷中的戊糖5碳原子上羥基被磷酸酯化形成核苷酸。核苷酸分為核糖核苷酸與脫氧核糖核苷酸兩大類。依磷酸基團的多少，有一磷酸核苷、二磷酸核苷、三磷酸核苷。（圖3-8）核苷酸在體內除構成核酸外，尚有一些游離核苷酸參與物質代謝、能量代謝與代謝調節，如三磷酸腺苷（ATP）是體內重要能量載體；三磷酸尿苷參與糖原的合成；三磷酸胞苷參與磷脂的合成；環腺苷酸（cAMP）和環鳥苷酸（cGMP）作為第二信使，在信號傳遞過程中起重要作用；核苷酸還參與某些生物活性物質的組成：如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），+尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）

5、。第二節 核酸的分子結構一、 核酸的一級結構 DNA的脫氧核糖核苷酸主要是dAMP、dGMP、dCMP和dTMP，組成RNA的核糖核苷酸主要是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸中的核苷酸以3，5磷酸二酯鍵構成無分支結構的線性分子。核酸鏈具有方向性，有兩個末端分別是5末端與3末端。5末端含磷酸基團，3末端含羥基。核酸鏈內的前一個核苷酸的3羥基和下一個核苷酸的5磷酸形成3,5磷酸二酯鍵，故核酸中的核苷酸被稱為核苷酸殘基。核酸鏈的結構見圖3-10。通常將小于50個核苷酸殘基組成的核酸稱為寡核苷酸（oligonucleotide），大于50個核苷酸殘基稱為多核苷酸（polynucleotide）。二

6、、 DNA的空間結構(一)DNA的二級結構double helix structure）。20世紀50年代初Chargaff等人分析多種生物DNA的堿基組成發現的規則。DNA雙螺旋模型的提出不僅揭示了遺傳信息穩定傳遞中DNA半保留復制的機制，而且是分子生物學發展的里程碑。相連而成的親水骨架在螺旋分子的外側，而疏水的堿基對則在螺旋分子內部，堿基平面與螺旋軸垂直，螺旋旋轉一周正好為10個堿基對，螺距為3.4nm，這樣相鄰堿基平面間隔為0.34nm并有一個36的夾角。DNADNA鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵而結合在一起。根據堿基結構特征，只能形成嘌呤與嘧啶配對，即相配對，形成2個氫鍵；G與C相配對，

7、形成3個氫鍵。因此G與C之間的連接較為穩定（圖3-12）。DNA雙螺旋結構比較穩定。維持這種穩定性主要靠堿基對之間的氫鍵以及堿基的堆集力（stacking force）。生理條件下，DNA雙螺旋大多以B型形式存在。右手雙螺旋DNA除B型外還有A型、C型、D型、E型。此外還發現左手雙螺旋Z型DNA。Z型DNA是1979年Rich等在研究人工合成的CGCGCG的晶體結構時發現的。Z-DNA的特點是兩條反向平行的多核苷酸互補鏈組成的螺旋呈鋸齒形，其表面只有一條深溝，每旋轉一周是12個堿基對。研究表明在生物體內的DNA分子中確實存在Z-DNA區域，其功能可能與基因表達的調控有關（圖3-13）。DNA二

8、級結構還存在三股螺旋DNA，三股螺旋DNA中通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結合，三股螺旋中的第三股可以來自分子間，也可以來自分子內（圖3-14）。三股螺旋DNA存在于基因調控區和其他重要區域，因此具有重要生理意義。（二） DNA三級結構超螺旋結構DNA是以雙鏈環狀DNA形式存在，如有些病毒DNA，某些噬菌體DNA，細菌染色體與細菌中質粒DNA，真核細胞中的線粒體DNA、葉綠體DNA都是環狀的。環狀DNA分子可以是共價閉合環，即環上沒有缺口，也可以是缺口環，環上有一個或多個缺口。在DNA雙螺旋結構基礎上，共價閉合環DNA（covalently close circ

9、ular DNA）可以進一步扭曲形成超螺旋形（super helical form）（圖3-15 ）結構更緊密，雙螺旋圈數增加，而負超螺旋可以減少雙螺旋的圈數。幾乎所有天然DNA中都存在負超螺旋結構。（三） DNA與蛋白質形成復合物在真核生物中其基因組DNA要比原核生物大得多，如原核生物大腸桿菌的DNA約為4.7×103kb，而人的基因組DNA約為3×106 kb結合，經過多層次反復折疊，壓縮近10 000倍后，以染色體形式存在于平均直徑為5m的細胞核中。線性雙螺旋DNA折疊的第一層次是形成核小體（nucleosome）。猶如一串念珠, 核小體由直徑為11nm×5

10、.5nm的組蛋白核心和盤繞在核心上的DNA構成。核心由組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子組成，為八聚體，146 bp長的 DNA以左手螺旋盤繞在組蛋白的核心1.75圈，形成核小體的核心顆粒，各核心顆粒間有一個連接區，約有60 bp雙螺旋DNA和1個分子組蛋白H1構成。平均每個核小體重復單位約占DNA 200 bp（圖3-16）。DNA組裝成核小體其長度約縮短7倍。在此基礎上核小體又進一步盤繞折疊，最后形成染色體（圖3-17）。三、基因與基因組（一） 基因（gene）是指能編碼有功能的蛋白質多肽鏈或合成RNA所必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能單位。一個基因通常包括編碼蛋白質多肽鏈或RN

11、A的編碼序列，保證轉錄和加工所必需的調控序列和5端、3端非編碼序列。另外在真核生物基因中還有內含子等核酸序列（圖3-18）。（二）基因組（genome）是指一個細胞或病毒所有基因及間隔序列，儲存了一個物種所有的遺傳信息。在病毒中通常是一個核酸分子的堿基序列，單細胞原核生物是它僅有的一條染色體的堿基序列，而多細胞真核生物是一個單倍體細胞內所有的染色體。如人單倍體細胞的23條染色體的堿基序列。多細胞真核生物起源于同一個受精卵，其每個體細胞的基因組都是相同的。在高等真核生物中基因序列占整個基因組不到10%，大部分是非編碼的間隔序列。人類基因組研究結果發現在人的基因組中與蛋白質合成有關的基因只占整個基

12、因組2 %。真核生物基因組的最大的特點是出現分隔開的基因，在這類基因中有編碼作用的序列稱外顯子（exon），沒有編碼作用的序列稱內含子（intron），它們彼此間隔排列（見圖3-18）。四、各類RNA的結構絕大部分RNA分子都是線狀單鏈，但是RNA分子的某些區域可自身回折進行堿基互補配對，形成局部雙螺旋。在RNA局部雙螺旋中A與U配對、G與C配對，除此以外，還存在非標準配對，如G與U配對。RNA分子中的雙螺旋與A型DNA雙螺旋相似，而非互補區則膨脹形成凸出（bulge）或者環（loop），這種短的雙螺旋區域和環稱為發夾結構（hairpin）（圖3-19）。發夾結構是RNA中最普通的二級結構形式

13、，二級結構進一步折疊形成三級結構，RNA只有在具有三級結構時才能成為有活性的分子。RNA也能與蛋白質形成核蛋白復合物，RNA的四級結構是RNA與蛋白質的相互作用。tRNA的結構tRNA約占總RNA的15%，tRNA主要的生理功能是在蛋白質生物合成中轉運氨基酸和識別密碼子，細胞內每種氨基酸都有其相應的一種或幾種tRNA， 因此tRNA的種類很多，在細菌中約有3040種tRNA，在動物和植物中約有50100種tRNA。1. tRNA一級結構：tRNA是單鏈分子，含7393核苷酸，分子質量為24 00031 000，沉降系數4S。含有DHU）、核糖胸腺嘧啶（rT）和假尿苷（）以及不少堿基被甲基化,

14、其分子中大約30%的堿基是不變的或半不變的，也就是說它們的堿基類型是保守的。2. tRNA二級結構：形成環。三葉草型結構由4臂4環組成。氨基酸臂由7對堿基組成，雙螺旋區的3末端為一個4個堿基的單鏈區-NCCA-OH 3，腺苷酸殘基的羥基可與氨基酸羧基結合而攜帶氨2個稀有堿基二氫尿嘧啶（DHU）而得名，不同tRNA其大小并不恒定，在8-14個堿基之間變動，二氫尿嘧啶臂一般由34對堿基組成。反密碼環由7個堿基組成，大小相對恒定，其中3個核苷酸組成反密碼子（anticodon），在蛋白質生物合成時，可與mRNA上相應的密碼子配對。反密碼臂由5對堿基組成。額外環在不同tRNA分子中變化較大可在421個

15、堿基之間變動，又稱為可變環，其大小往往是tRNA分類的重7個堿基，大小相對恒定，幾乎所有的tRNA在此環中都含TC序列，5對堿基組成。tRNA的三級結構：二十世紀七十年代初科學家用X線射衍技術分析發現tRNA的三級結構為倒L形（圖3-20b）。tRNA三級結構的特點是氨基酸臂與TC臂構成L的一橫，-CCAOH3末端就在這一橫的端點上，是結合氨基酸的部位，而二氫尿嘧啶臂與反密碼臂及反密碼環共同構成L的一豎，反密碼環在一豎的端點上，能與mRNA上對應的密碼子識別，二氫尿嘧啶環與TC環在L的拐角上。形成三級結構的很多氫鍵與tRNA中不變的核苷酸密切有關，這就使得各種tRNA三級結構都呈倒L形的。在t

16、RNA中堿基堆積力是穩定tRNA構型的主要因素。活化、搬運氨基酸到核糖體，參與蛋白質的翻譯（二）mRNA原核生物中mRNA轉錄后一般不需加工，直接進行蛋白質翻譯。mRNA轉錄和翻譯不僅發生在同一細胞空間，而且這兩個過程幾乎是同時進行的。真核細胞成熟mRNA是由其前體核內不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）剪接并經修飾后才能進入細胞質中參與蛋白質合成。所以真核細胞mRNA的合成和表達發生在不同的空間和時間。mRNA的結構在原核生物中和真核生物中差別很大。下面分別作一介紹：1. 原核生物mRNA結構特點原核生物的mRNA結構簡單，往往含有幾個功能上相關的蛋

17、白質的編碼序列，可翻譯出幾種蛋白質，為多順反子。在原核生物mRNA中編碼序列之間有間隔序列，可能與核糖體的識別和結合有關。在5端與3端有與翻譯起始和終止有關的非編碼序列（圖3-21），原核生物mRNA中沒有修飾堿基， 5端沒有帽子結構，3端沒有多聚腺苷酸的尾巴（polyadenylate tail，polyA尾巴）。原核生物的mRNA的半衰期比真核生物的要短得多，現在一般認為，轉錄后1min，mRNA降解就開始。2. 真核生物mRNA結構特點1. 大多數真核mRNA的7-甲基鳥苷，同時第一個核苷酸的C´2m7GpppNm-。帽子結構可保護mRNA不被核酸外切酶水解，并且能與帽結合蛋白

18、結合識別核糖體并與之結合，與翻譯起始有關。2. 大多數真核mRNA的能可能與mRNA的穩定性有關把DNA所攜帶的遺傳信息，按堿基互補配對原則，抄錄并傳送至核糖體，用以決定其合成蛋白質的氨基酸排列順序。真核生物mRNA為單順反子結構，即一個mRNA分子只包含一條多肽鏈的信息。，少數成熟mRNA沒有polyA尾巴，如組蛋白mRNA，它們的半衰期通常較短。（三）rRNA的結構rRNA占細胞總RNA的80%左右，3-22），如大腸桿菌的這三種rRNA分別由120、1542和2904個核苷酸組成。真核生物則有4種，即5S、5.8S、121、158、1874和4718骨架與多種核糖體蛋白（ribosoma

19、l protein）裝配成核糖體。 所有生物體的核糖體都由大小不同的兩個亞基所組成。原核生物核糖體為70S，由50S和30S兩個大小亞基組成。30S小亞基含16S的rRNA和21種蛋白質，50S大亞基含23S和5S兩種rRNA及34種蛋白質。真核生物核糖體為80S，是由60S和40S兩個大小亞基組成。40S的小亞基含18S rRNA及33種蛋白質，60S大亞基則由28S、5.8S和5S 種rRNA及49種蛋白質組成。參與組成核蛋白體，作為蛋白質生物合成的場所。（四）其他RNA分子20世紀80年代以后由于新技術不斷產生，人們發現RNA有許多新的功能和新的RNA基因。細胞核內小分子RNA（smal

20、l nuclear RNA，snRNA）是細胞核內核蛋白顆粒（Small nuclear ribonucleoprotein particles，snRNPs）的組成成分，參與mRNA前體的剪接以及成熟的mRNA由核內向胞漿中轉運的過程。核仁小分子RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）是類新的核酸調控分子, 參與rRNA前體的加工以及核糖體亞基的裝配。胞質小分子RNA（small cytosol RNA， scRNA）的種類很多，其中7S LRNA與蛋白質一起組成信號識別顆粒（signal recognition particle，SRP）, SRP參與分泌性蛋白質的合

21、成，反義RNA（antisense RNA）由于它們可以與特異的mRNA序列互補配對，阻斷mRNA翻譯，能調節基因表達。核酶是具有催化活性的RNA分子或RNA片段。目前在醫學研究中已設計了針對病毒的致病基因mRNA的核酶，抑制其蛋白質的生物合成，為基因治療開辟新的途徑，核酶的發現也推動了生物起源的研究。微RNA（microRNA，miRNA）是一種具有莖環結構的非編碼RNA，長度一般為20-24個核苷酸，在mRNA翻譯過程中起到開關作用，它可以與靶mRNA結合，產生轉錄后基因沉默作用（post-transcriptional gene silencing，PTGS），在一定條件下能釋放，這樣m

22、RNA又能翻譯蛋白質，由于miRNA的表達具有階段特異性和組織特異性，它們在基因表達調控和控制個體發育中起重要作用。五RNA組隨著基因組研究不斷深入，蛋白組學研究逐漸展開，RNA的研究也取得了突破性的進展，發現了許多新的RNA分子，人們逐漸認識到DNA是攜帶遺傳信息分子，蛋白質是執行生物學功能分子，而RNA即是信息分子，又是功能分子。人類基因組研究結果表明，在人類基因組中約有3000040000個基因，其中與蛋白質生物合成有關的基因只占整個基因組的2%，對不編碼蛋白質的98%基因組的功能有待進一步研究，為此20世紀末科學家在提出蛋白質組學后，又提出RNA組學。RNA組是研究細胞的全部RNA基因

23、和RNA的分子結構與功能。目前RNA組的研究尚處在初級階段，RNA組的研究將在探索生命奧秘中做出巨大貢獻。第三節 核酸的理化性質一、核酸的大小和測定一般來說，進化程度高的生物DNA分子應越大，能貯存更多遺傳信息。但進化的復雜程度與DNA大小并不完全一致，如哺乳類動物DNA約為3×109 bp，但有些兩棲類動物、南美肺魚DNA大小可達1010bp到1011bp（表3-3）。常用測定DNA分子大小的方法有電泳法、離心法。凝膠電泳是當前研究核酸的最常用方法，凝膠電泳有瓊脂糖（agarose）凝膠電泳和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）凝膠電泳， 核酸的紫外吸收：1. DNA或RNA

24、的定量OD260=1.0相當于50g/ml雙鏈DNA40g/ml單鏈DNA（或RNA）20g/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品: OD260/OD280 = 1.8RNA純品: OD260/OD280 = 2.0二、核酸的水解DNA和RNA中的糖苷鍵與磷酸酯鍵都能用化學法和酶法水解。在很低pH條件下DNA和RNA都會發生磷酸二酯鍵水解。并且堿基和核糖之間的糖苷鍵更易被水解，其中嘌呤堿的糖苷鍵比嘧啶堿的糖苷鍵對酸更不穩定。在高pH時，RNA的磷酸酯鍵易被水解，而DNA的磷酸酯鍵不易被水解。核酸內切酶的作用是在多核苷酸內部的3，5磷酸二酯鍵，有些內切酶能識別DNA雙鏈上特異序列并水解有關的3，5磷酸二酯鍵。核酸內切酶是非常重要的工具酶，在基因工程中有廣泛用途。而核酸外切酶只對核酸末端的3，5磷酸二酯鍵有作用，將核苷酸一個