核酸的结构与性质

第一章：核酸的结构与性质核酸分为两类：核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)和脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)。前者是核甘酸的聚合物，后者是脱氧核甘酸的聚合物。第一节DNA的结构一、DNA的化学组成DNA的组成单位是脱氧核甘酸(deoxynucleotide)。脱氧核甘酸有三个组成成分：一个磷酸基团(phosphate)，一个2,-脱氧核糖(2'-deoxyribose)和一个碱S(base)o1、碱基构成DNA的碱基可以分为两类，嘌呤(purine)和喀啶(pyrimidine)。嘌吟为双环结构(Bicyclic)，包括腺嘌吟(adenine)和鸟嘌吟(guanine)，这两种嘌吟有着相同的基本结构，只是附着的基团不同。而喀啶为单环结构(monocyclic)，包括胞喀啶(cytosine)和胸腺喀啶(thymine)，它们同样有着相同的基本结构。2、脱氧核甘嘌吟的N9和喀啶的N1通过糖背键与脱氧核糖结合形成4种脱氧核甘(deoxynucleoside)，分别称为2,一脱氧腺昔，2,一脱氧胸背，2,一脱氧鸟背和2,—脱氧胞甘。3、脱氧核甘酸脱氧核甘酸由脱氧核甘和磷酸组成。磷酸与脱氧核昔5,—碳原子上的羟基缩水成5,一脱氧核甘酸。脱氧核甘单磷酸依次以磷酸二酯键相连形成多核甘酸链(polynucleotide),即一个核甘酸的2,一脱氧核糖上的3,一羟基与另一核甘酸上的5,一磷酸基形成磷酸二酯键(phosphodiestergroup)。多核甘酸链以磷酸二酯键为基础构成了规则的不断重复的糖一磷酸骨架，这是DNA结构的一个特点。核背酸的一个末端有一个游离的5,基团，另一端的核甘酸有一游离的3,基团。人们习惯于从3'-5'方向书写核甘酸系列，即从左侧的5,端到右侧的3,端书写。二、DNA双螺旋根据这一模型，双螺旋的两条反向平行的多核甘酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手螺旋，一条是5,-3,,另一条3,一5,。磷酸与脱氧核糖彼此通过3J5,-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌吟与喀啶碱位于双螺旋的内侧。碱基平面与纵轴垂直(perpendiculartothehelixaxis)，糖环平面与纵轴平行。两条核甘酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起，形成碱基对。位于两条DNA单链之间的碱基配对是高度特异的：腺嘌吟只与胸腺喀啶配对，而鸟嘌吟只与胞喀啶配对，结果是双螺旋的两条链的碱基序列有互补关系(complementary)，其中任何一条链的序列都严格决定了其对应链的序列。碱基对杂环之间的相互作用称为碱基堆积(basestacking)，可增加双螺旋的稳定性。氢键对于碱基配对的特异性也非常重要。设想我们试着使腺嘌吟和胞喀啶配对，这样一个氢键受体(腺嘌吟的N1)对着另一氢键受体(胞喀啶的N3)。同样，两个氢键供体，腺嘌吟的C6和胞喀啶的C4上的氨基基团也彼此相对，所以，A：C碱基配对是不稳定的，碱基对无法形成氢键。每圈螺旋含10个核甘酸，碱基堆积距离0.34nm,螺距3.4nm,双螺旋直径2nm。DNA的两条单链彼此缠绕时，沿着双螺旋的走向形成两个交替分布的凹槽，一个较宽较深的凹槽，称为大沟(majorgroove),另一个较窄较浅的为小沟(minorgroove)o每个碱基对的边缘都暴露于大沟、小沟中。在大沟中，每一碱基对边缘的化学基团都有自身独特的分布模式。因此，蛋白质可以根据大沟中的化学基团的排列方式准确地区分A：T碱基对、T：A碱基对、G：C碱基对与C：G碱基对。这种区分非常重要，使得蛋白质无需解开双螺旋就可以识别DNA序列。小沟的化学信息较少，对区分碱基对的作用不大。在小沟中，A：T碱基对与T：A碱基对，G：C碱基对与C：G碱基对看起来极其相似。另外由于体积较小，氨基酸的侧链不大能够进入小沟之中。三、DNA结构的多态性1、A一型双螺旋Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋。然而以后的研究表明DNA的结构是动态的。在相对湿度较低时，DNA分子的X—射线衍射图给出的是A构象，A-DNA的直径是2.6nm,每螺旋含11个碱基对，螺距3.2nm。A型DNA的大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。由于大沟、小沟是DNA行使功能时蛋白质的识别位点，所以由B-DNA变为A-DNA后，蛋白质对DNA分子的识别也发生了相应变化。RNA和DNA-RNA杂合体会形成A一型双螺旋。2、Z-型双螺旋除了A型DNA和B型DNA以外，还发现有一种Z型DNA。A.Rich在研究CGCGCG寡聚体的结构时发现了这类DNA。虽然，CGCGCG在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋(lefthanded),所以这种DNA称左旋DNA。目前仍然不清楚Z-DNA究竟具有何种生物学功能。但实验证明，天然B-DNA的局部区域可以出现Z-DNA的结构，说明B-DNA与Z-DNA之间是可以互相转变的，并处于某种平衡状态，一旦破坏这种平衡，基因表达可能失控，所以推测Z-DNA可能和基因表达的调控有关。3.H-DNAH-DNA是一种三股螺旋。能够形成三股螺旋的DNA序列呈镜像对称，并且一条链为多聚嘌吟链，另一条链为多聚喀啶链，例如(CT/AG)n。三、DNA双螺旋的变性和复性1.DNA变性(denaturation)指DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。变性时维持双螺旋稳定性的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构的改变。凡能破坏双螺旋稳定性的因素，如加热、极端的pH、有机试剂(尿素及甲酰胺等)，均可引起核酸分子变性。2、复性(Renaturation)指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火(annealing)。不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性，这时，只要这些核酸分子核甘酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，形成所谓的杂化双链(heteroduplex)，这个过程称为杂交(hybridization)。杂交可以发生于DNA与DNA之间，也可以发生于RNA与RNA之间和DNA与RNA之间。核酸杂交技术是目前研究核酸结构、功能常用手段之一。第二节DNA超螺旋(DNASupercoil)一、超螺旋DNA许多病毒DNA以及所有的细菌DNA都是环状分子。环状DNA也出现在真核生物的线粒体和叶绿体中。闭合环状DNA分子没有自由的末端。高温和碱性pH会破坏氢键和其他稳定DNA双螺旋的因素。然而，在变性条件下，cccDNA(covalentlyclosedcircularDNA)分子的两条链不会彼此分离，而是形成相互连环、缠结的单链DNA。分离出来的环状DNA分子，例如SV40的环形DNA分子，如果在DNA链上没有断裂，呈超螺旋结构(superhelix或supercoil)。超螺旋DNA是DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋是有方向的，左旋的超螺旋称为正超螺旋，右旋的超螺旋称为负超螺旋。一个DNA分子的螺旋状态可以用扭转数、缠绕数和连环数来精确描述。扭转数，即一条链完全缠绕另一条链的次数。右手螺旋的扭转数被定义为正数。在三维空间里双螺旋的长轴经常在外力的作用下自我交叉，交叉的次数称为缠绕数。扭转数和缠绕数是可以相互转换的。一个cccDNA分子容易发生扭转变形，在不破坏任何共价键的情况下，部分扭转数转变为缠绕数或者部分缠绕数转变为扭转数。唯一不变的是扭转数和缠绕数的总和与连环数相等，即Lk=Tw^Wr超螺旋的程度可以用超螺旋密度(superhelicaldensity)来衡量，用。表示，定义为0=△Lk/Lko其中△Lk表示与松弛闭合环状分子(Lko)相比，Lk发生的变化，用Lk-Lko表示。从细胞中分离出来的DNA分子通常是负超螺旋，。约为一0.06。细胞内DNA分子形成超螺旋的意义是什么？负超螺旋含有自有能，可以为打开双螺旋提供能量，使双链的解离过程得以顺利进行。因而，有利于转录和复制。目前仅在生活在极端高温环境(如温泉)中的嗜热微生物中发现了正超螺旋DNA。在这种情况下，正超螺旋提供能量，阻止DNA在高温中发生变性。正超螺旋是过旋的，因而嗜热微生物DNA双链打开就比一般生物呈负超螺旋的DNA需要更多的能量。二、拓扑异构酶拓扑异构酶(topoisomerase)可以催化DNA产生瞬时单链或双链断裂而改变连环数(linkingnumber)o拓扑异构酶有两种基本类型，拓扑异构酶I和拓扑异构酶II。拓扑异构酶II在DNA上产生一个瞬时的双链缺口，并在缺口闭合以前使另一双链DNA片段得以穿过，连环数每次改变±2。拓扑异构酶II依靠ATP水解提供能量来催化这一反应。I型拓扑异构酶的作用是使DNA暂时产生单链切口，让另一未被切割的单链在切口接合之前穿过这一缺口，连环数每次改变±1。与拓扑异构酶II相比，拓扑异构酶I的作用不需要ATP。原核生物和真核生物细胞内都存在可以除去超螺旋的拓扑异构酶I和拓扑异构酶II。另外，原核生物中还拥有一种特异的拓扑异构酶II,通称为促旋酶(gyrase),它可以利用ATP水解提供的能量向DNA分子引入负超螺旋。这种负超螺旋可以促进DNA双螺旋的解旋，而这种解旋又会激发包括启动DNA转录和复制在内的许多反应。环状DNA分子一轮DNA复制完成以后，通常会产生两个连接在一起的DNA分子，以便使它们在细胞分裂时分配到两个子细胞中去。拓扑异构酶II催化两个子代DNA分子的一个产生瞬时的双链断裂并使另一个子代分子通过这个切口。三、嵌入剂澳化乙啶是一种带正电的多环芳香族化合物。平面状的澳化乙啶能嵌入到碱基对平面之间。在紫外光下，澳化乙啶会发荧光，嵌入DNA后荧光强度显著增强。因此，澳化乙啶通常用来作为燃料检测DNA的存在。第三节RNA结构RNA和DNA有三点不同之处。第一，RNA骨架含有核糖而不是2’一脱氧核糖，在核糖的2’一位置上带有一个羟基。第二，DNA中的胸腺喀啶被RNA中的尿喘啶取代，尿喀啶有着和胸腺喀啶相同的单环结构，但是缺少5'甲基基团。第三，RNA通常以单链形式存在。细胞内的RNA行使多种生物学功能。mRNA是蛋白质生物合成的模板，tRNA运载氨基酸并识别mRNA的密码子，rRNA是核糖体的组成部分。此外，snRNA参与mRNA的剪接，snoRNA参与rRNA成熟加工，gRNA参与RNA编辑、SRP-RNA参与蛋白质的分泌、端粒酶RNA参与染色体端粒的合成。还有一些RNA是细胞中催化一些重要反应的酶。尽管RNA是单链分子，它依然可以形成局部双螺旋，这是因为RNA链频繁发生自身折叠，从而使链内的互补序列形成碱基配对区。除了A：U配对和C：G配对外，RNA还具有额外的非Watson-Crick碱基配对，如G：U碱基对，这一特征使RNA更易于形成双螺旋结构。RNA分子自身折叠形成双螺旋时，不配对的序列以发卡（hairpin）、凸起（bulge）、内部环等形式游离于双链区之外。RNA骨架上2'一OH的存在阻止RNA形成B-型螺旋。双螺旋RNA更类似于A型DNA。它的小沟宽且浅而易于接近；而大沟狭且深，与它相互作用的蛋白质的氨基酸侧链难以接近它。所以RNA不适合与蛋白质进行序列特异性的相互作用。RNA分子中的核甘酸排列顺序称为核酸的一级结构。单链核甘酸自身折叠由单链区、茎环构、内部环、双链结构等元件组成的平面结构，称为RNA的二级结构。RNA的二级结构主要由核酸链不同区段碱基间的氢键维系。在二级结构的基础上，核酸链再次折叠形成的高级结构称为RNA的三级结构(tertiarystructure)。由于没有形成长的规则螺旋的限制，因此RNA可以形成大量的三级结构