第二节 核酸结构与功能

 

   核酸是生命活动中生物信息大分子，具有复杂的结构和重要功能。核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体也含有DNA，DNA的功能是携带遗传信息。RNA分布在细胞质、细胞核和线粒体内，RNA功能参与遗传信息的复制和表达。某些情况下，RNA也可作为遗传信息的载体。

一、核酸的化学组成

核酸的基本结构单位是单核苷酸。核苷酸完全水解产生等摩尔的磷酸、含氮碱基和戊糖，单核苷酸以共价键依次连接多核苷酸链。DNA与RNA的基本化学组成表5-5。

表5-5    DNA和 RNA的基本化学组成

                             

	DNA	RNA
嘌呤碱（purine  bases）	腺嘌呤（adenine）   鸟嘌呤（guanine）	腺嘌呤（adenine）   鸟嘌呤（guanine）
嘧啶碱（pyrimidine  bases）	胞嘧啶（cytosine）   胸腺嘧啶（thymine）	胞嘧啶（cytosine）   尿嘧啶（uracil）
戊  糖	D-2'-脱氧核糖	D-核糖
磷 酸	磷酸	磷酸

1.核苷 

核苷由戊糖和碱基缩合而成的糖苷为核苷。戊糖的第一位碳原子C₁与嘧啶碱的N₁或与嘌呤碱的N₉相连接。所以戊糖与碱基之间的连接键是N-C键，称为N-糖苷键。应用X-光衍射分析证明，核苷中的碱基与糖环平面互相垂直。核苷中所含戊糖不同分成核糖核苷与脱氧核糖核苷两大类。如RNA中尿嘧啶（U）。DNA中胸腺嘧啶脱氧核苷（dT）。

2.单核苷酸   

核苷中的戊糖的羟基被磷酸酯化，形成核苷酸。核苷酸分成核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。由于核糖中有三个游离的羟基，因此核糖核苷酸有2`-核苷酸、3`-核苷酸和5`-核苷酸三种。自然界存在的游离核苷酸为5`-核苷酸。

     

 

 

 

 

 

 

 

 

                       图 5-7  核苷酸结构

 

生物体细胞中还有一些以游离形式存在的核苷酸。多磷酸核苷酸以及它们的衍生物，并具有重要的生理功能。比如5'-腺苷酸（AMP）可进一步磷酸化形成腺嘌呤核苷二磷酸（ADP）和腺嘌呤核苷三磷酸（ATP），核苷三磷酸参与各种物质代谢的调控、多种生物合成反应等。此外，在生物细胞中，还存在着环化核苷酸，3',5'-环腺苷酸（cAMP）和3',5'-环鸟苷酸（cGMP）。cAMP和cGMP具有放大激素作用信号的功能，因此称为激素的第二信使。

二、DNA结构与功能

1.DNA的一级结构 

DNA的一级结构指四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以3’，5’磷酸二酯键相连形成的多聚脱氧核苷酸链（核苷酸序列或碱基序列）。脱氧核苷酸链的连接具有严格的方向性，核苷酸的3’-OH与下一位核苷酸的5’-磷酸间形成3’，5’磷酸二酯键，构成一个没有分支的线性大分子。它们的两个末端分别称为5'末端和3'末端，DNA的书写应从5'末端到3'末端。DNA对遗传信息的携带是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。

2.DNA二级结构－双螺旋结构 

1953年由Watson和Crick根据Chargaff定则及X-射线衍射图的结构，提出的DNA分子双螺旋结构模型。DNA分子双螺旋结构模型在分子生物学发展史上具有划时代的意义，为分子生物学和分子遗传学的发展奠定了基础。。

B－DNA双螺旋结构模型：   Watson和Crick所用的资料来自在相对湿度为92%时所得到的DNA钠盐纤维。这种DNA称为B型DNA（B-DNA）。在相对湿度低于75%时获得的DNA钠盐纤维，其结构有所不同，称为A-DNA。此外还有Z-DNA。生物体内天然状态的DNA几乎都以B-DNA存在。B－DNA双螺旋结构特点：

（1）ＤＮＡ是一反向平行的互补双链结构；两条多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕呈反平行走向，一条链５’→３’，另一条链是３’→５’。

（2）DNA基本骨架；ＤＮＡ双链结构中磷酸与核糖位于螺旋外侧，形成DNA分子的骨架，嘌呤碱基与嘧啶碱基位于双螺旋的内侧。

（3）ＤＮＡ双链中的碱基配对方式；两条核苷酸链以碱基之间形成的氢键相连，A只能与T相配对，形成两个氢键；G与C相配对，形成三个氢键。碱基相互配对又称为碱基互补。

（4）螺距：螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱基对之间相距的高度，即碱基堆积距离为0.34nm，每旋转一周有10个核苷酸，每一圈的高度（即螺距）为3.4nm。DNA双螺旋分子存在一个大沟和一个小沟，目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。

（5）DNA双螺旋结构稳定性的维系；由氢键和碱基堆积力维系；碱基堆积力更为重要。（图5-8）.

 

                           图5-8 DNA双螺旋结构示意图

 

根据碱基互补原则，当一条多核苷酸链的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列。碱基互补原则具有极重要的生物学意义。DNA复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补配对。

3.DNA的高级结构 

在二级结构基础上，DNA双螺旋进一步扭曲盘旋，形成更加复杂的结构，即为DNA的三级结构。某些病毒、噬菌体和细菌DNA及真核生物线粒体DNA呈环状，其三级结构是在双螺旋结构基础上进一步形成的超螺旋结构。而真核生物细胞核DNA与RNA、蛋白质构成染色体，结构更复杂。

4.基因与基因组 

基因是在染色体上占有一定空间的特定DNA片段。经过复制可以遗传给子代,经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序地合成。 DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板,它是生命遗传繁殖的物质基础,也是个体生命活动的基础。基因组是指来自一个遗传体系的一整套遗传信息。原核细胞指单个环状染色体所含全部基因；真核细胞指一个生物体的所包含的全部DNA，又称染色体基因组。

三、RNA结构与功能

RNA是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，它与DNA组成和性质方面的差异为：（1）RNA分子中的戊糖是核糖，不是脱氧核糖。（2）RNA分子中碱基为尿嘧啶，而不含胸腺嘧啶。RNA分子中还有某些稀有碱基（3）RNA主要是单链分子结构，只有局部区域为双螺旋结构。这些双链结构是由于RNA单链分子通过自身回折使得互补的碱基通过氢键结合形成发夹结构。（4）RNA仅与基因的一条链互补。因而碱基成分中U与A 或 G与C 配对。（5）RNA易被碱水解，DNA则不易被碱水解。

1．信使RNA的结构与功能  　

mRNA的特点是种类多、寿命短、含量少，占细胞内总RNA的10%以下。不同的mRNA编码不同的蛋白质，完成使命即被降解。mRNA为传递DNA的遗传信息并指导蛋白质合成的一类RNA分子。

2．tRNA的结构与功能 

转运RNA (tRNA)是细胞内分子量最小的一类核酸, tRNA的功能是在细胞蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体。tRNA的二级结构都呈三叶草形其基本特征是：            （1）氨基酸茎； 3'末端为－CCA，连接活化的相应氨基酸，用于蛋白质生物合成。      （2）二氢尿嘧啶茎（简称D茎）；由8∼12个核苷酸组成，含有二氢尿嘧啶。（3）反密码子环；由7个核苷酸组成。环的中间是反密码子，反密码子与mRNA的密码子碱基互补。（4）额外环；由3∼18个核苷酸组成。不同的tRNA，此环大小不一。（5）TψC环；由7个核苷酸组成。tRNA的三级结构的形状象一个倒写的L字母　图５－８

3．rRNA结构与功能 　

rRNA占细胞中全部RNA的80%左右，存在于核蛋白体内。核蛋白体是细胞内蛋白质生物合成的场所。rRNA的种类、大小一般用沉降系数（S）表示。原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      图5-8 酵母tRNA的三级结构

四、核酸的理化性质及其应用

核酸的结构及成分赋予其一些特定的理化性质，这些理化性质已被广泛用作基础工作及疾病诊断地工具。

1．核酸的紫外吸收　　

嘌呤碱和嘧啶碱具有共轭双键，在240∼290nm的紫外波段吸收峰，因此核酸具有紫外吸收特性。DNA钠盐的紫外吸收在260nm附近有最大吸收值，其吸光率以A₂₆₀表示。利用这一特性，可以鉴别核酸样品中的蛋白质杂质，以及核酸定量测定。

2．核酸的变性　　

核酸的变性是指核酸双螺旋区的氢键断裂，变成单链的无规则线团，使核酸的某些性质发生改变，并不涉及共价键的断裂。多核苷酸骨架上共价键（3', 5'-磷酸二酯键）的断裂称核酸的降解。降解引起核酸分子量降低不同于变性。

将DNA的稀盐溶液加热到80∼100℃时，双螺旋结构即发生解体，两条链分开，形成无规则线团。一系列物化性质也随之发生改变：粘度降低，浮力密度升高等，同时改变空间结构，有时可以失去部分或全部生物活性。

DNA变性后，由于双螺旋解体，碱基堆积力已不存在，藏于螺旋内部的碱基暴露出来，这样就使得变性后的DNA对260nm紫外光的吸光率比变性前明显升高（增加），这种现象称为增色效应。常用增色效应跟踪DNA的变性过程，了解DNA的变性程度。

DNA变性的特点是爆发式的。当DNA分子的溶液被缓慢加热进行DNA变性时，溶液的紫外吸收值在到达某温度时会突然迅速增加，并在一个很窄的温度范围内达到最高值。紫外吸收增加25%∼40%，此时DNA变性后失去生物活性。DNA热变性时，紫外吸收值到达总增加值一半时的温度，称为DNA的变性温度。由于DNA变性过程犹如金属在熔点的熔解，所以DNA的变性温度亦称为该DNA的熔点或熔解温度，用T_m表示。DNA的T_m值大小与下列因素有关：DNA的均一性；均一性愈高的DNA样品，熔解过程愈是发生在一个很小的温度范围内。G≡C的含量；G≡C含量越高，T_m值越高，二者成正比关系。这是因为G≡C对比A=T对更为稳定的缘故。所以测定T_m值可推算出G≡C对的含量。

3．复性与分子杂交  

变性DNA在适当条件下，两条彼此分开的链重新由氢键连接而形成为双螺旋结构的过程称为复性。DNA复性后，许多物化性质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。DNA复性后，其溶液的A₂₆₀值减小，最多可减小至变性前的A₂₆₀值，这现象称减色效应。热变性DNA在缓慢冷却时才可以复性。

根据变性和复性的原理，将不同来源的DNA变性，若这些异源DNA之间在某些区域有相同的序列，则退火条件下能形成DNA-DNA异源双链，或将变性的单链DNA与RNA经复性处理形成DNA-RNA杂合双链，这种过程称为分子杂交。核酸的杂交在分子生物学和分子遗传学的研究中应用极广，许多重大的分子遗传学问题都是用分子杂交来解决的