生物化学 第二节 核酸的分子结构A

第二节

核酸的分子结构一、DNA的分子结构

（一）DNA的一级结构

DNA是由数量庞大的四种脱氧核糖核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。

DNA没有侧链，只有两个末端分别称为5’-末端(5’-P)和3’-末端(3’-OH)。DNA链具有方向性，书写时方向5’→3’

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，构成核苷酸单元的戊糖和磷酸基是相同的。体现核苷酸差别的实际上只是它所带的碱基。因此，在核酸分子结构的简式表示方法中，仅须注明一个核酸分子的哪一端是5’末端，哪一端是3’末端，末端有无磷酸基，以及核酸分子中的碱基顺序即可。如未特别注明5’和3’末端，一般约定，碱基序列的书写是由左向右书写，左侧是5’-末端，右侧为3’-末端。1.线条式

说明：

(1)P代表磷酸基

(2)A,C,T,G代表相应的碱基

(3)竖线表示核糖的碳链，从上端到下端分别是1’→5’

(4)竖线一端1’与碱基相连，另一端5’与P相连

(5)中间斜线3’与P相连

2.文字式

pApCpTpGorpACTG (1)P代表磷酸基

(2)A,C,T,G代表相应的碱基

(3) P在左表示与5’端相连

(4)P在右表示与3’端相连，有时可省略

DNA的一级结构就是构成DNA的各个单核苷酸之间连接键的性质以及核苷酸的数目和排列顺序。

短的核酸链(≤50)称为寡核苷酸(oligonucleotide)，更长的核酸链称为多核苷酸(polynucleotide)。

生物的遗传信息就储存记录在DNA的核苷酸序列中。测定DNA的一级结构，也就是测定DNA的核苷酸序列。

（二）真核细胞DNA和原核细胞DNA

的一级结构特点

在一级结构上真核细胞DNA具有以下显著特点：

1．重复顺序

真核细胞染色质DNA具有许多重复排列的核苷酸序列，称为重复顺序。按重复程度不同可分为高度重复顺序，中度重复顺序和单一顺序三种。

（1）高度重复顺序： 许多真核细胞染色质DNA都含有高度重复顺序。这种重复顺序结构的“基础顺序”短，含5~100bp，重复次数可高达几百万次（106~107）。高度重复顺序结构中G-C含量高，进行CsCl梯度离心时常在DNA主峰旁显示一个或多个小峰，这些小峰称为卫星峰，这部分DNA又称为卫星DNA。这种DNA的GC含量一般少于主带中的DNA。浮力密度也低。

（2）中度重复顺序： 这种结构的“基础顺序”长，可达300bp或更长，重复次数从几百到几千不等。 组蛋白基因，rRNA基因（rDNA）及tRNA基因（tDNA）大多数为中度重复顺序。

（3）单一顺序： 又称单拷贝顺序，真核细胞中，除组蛋白外，其他所有蛋白质都是由DNA中单一顺序决定的。每一序列片段决定一个蛋白质，为一个蛋白质的结构基因。 迄今为止，在真核生物中还没有发现一个蛋白质基因是多顺反子结构的。

2．间隔顺序与插入顺序

在真核细胞DNA分子中，除了编码蛋白质和RNA的基因序列片段外，还有一些片段不编码任何蛋白质和RNA，它们可以存在于基因与基因之间，也可以存在于基因之内。 存在于基因与基因之间的称为间隔顺序，存在于基因内的称为插入顺序。

在许多DNA分子中，常常含有长短不一的间隔顺序，也常常出现一些插入顺序将一个基因分成几段。如鸡卵清蛋白基因，珠蛋白基因都含有插入顺序。 通常把基因内的插入顺序称为内含子（intron），把编码蛋白质的基因顺序称为外显子（exon）。

3．回文结构 在真核细胞DNA分子中，还存在许多特殊的序列。这种结构中脱氧核苷酸的排列在DNA两条链中的顺读与倒读意义是一样的（即脱氧核苷酸正反排列顺序相同），脱氧核苷酸以一个假想的轴成为180°旋转对称（即使轴旋转180°后，两部分能完全重合），这种结构称为回文结构。TAGCTAATCGAT假想对称轴AAGCTTTTCGAA

原核生物DNA顺序组织具有不同特点：

1．原核生物在DNA顺序组织上的最大特点是基因重叠。也就是说在同一DNA序列中，常包括不同的基因区，这些重叠在一起的基因，使用的编码组序不同，因此虽然是同样的DNA顺序区段内，都可翻译出不同的蛋白质。如病毒DNA分子一般都不大，但又必须装入相当多的基因，因此可能在这种压力下导致病毒DNA在进化过程中重叠起来。由于基因的重叠，在重叠部位一个碱基的突变将影响两个或三个蛋白质的表达。

如在噬菌体ΦX174中，基因B和基因K重叠在基因A之内。由下图可见在同一部分核苷酸顺序片段中，它们在三个编码组之中，含义各不相同。

TGATGkAB

2.在原核生物的DNA顺序组织中，每个转录的mRNA常常包含了多个顺反子，而且功能上有关的顺反子通常串联在一个mRNA分子上。 这些编码在同一个mRNA分子中的多种功能蛋白在生理功能上都是密切相关的。这种DNA顺序组织可能是原核基因协同表达的一种调控方式。 原核DNA顺序的另一个特点是功能上相关的结构基因转录在同一个mRNA分子上。

3．原核生物DNA顺序所含有的结构基因是连续的，一般不含有插入或间隔序列，而且在转录调控区的DNA顺序的组织形式是多种多样的，调控区的不同组织形式与不同的生物功能有明显关系。（三）、DNA的二级结构1、Watson-Crick模型(DNA双螺旋结构模型)

1953年，由Watson和Crick提出。 他们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)。DNA双螺旋结构模型(B-DNA)的要点：

(1)两条反向平行(走向相反，一条5’→3’，另一条3’→5’)的多核苷酸链围绕同一个中心轴相互缠绕构成双螺旋结构。两条链均为右手螺旋。(2)嘧啶与嘌呤碱位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过3’,5’-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面与纵轴平行。(3)双螺旋的直径为2nm。顺轴方向，每隔0.34nm有一个核苷酸，相邻两个核苷酸之间的夹角为36°。每一圈双螺旋有10对核苷酸，每圈高度为3.4nm。

(4)、两条链由碱基间的氢键相连。A与T配对，形成两个氢键。G与C配对，形成三个氢键。所以GC之间的配对较为稳定。这种碱基之间相互配对称为碱基互补(basecomplementary)。

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。(4)两条链由碱基间的氢键相连。A与T配对，形成两个氢键。G与C配对，形成三个氢键。所以GC之间的配对较为稳定。这种碱基之间相互配对称为碱基互补(basecomplementary)。

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。(5)由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，所以双螺旋结构上有两条螺形凹沟，一条较深，称为大沟(majorgroove)，

一条较浅，称为小沟(minorgroove)。

2、维持DNA结构稳定的作用力

(1)碱基堆积力(basestackingforce)

碱基堆积力是维持DNA结构稳定的主要作用力。碱基有规律的堆积可以使碱基之间发生缔合，这种作用力称为碱基堆积力。由于碱基的层层堆积，在DNA分子内部形成一个疏水核心区，有助于氢键的形成。

(2)氢键

互补碱基对之间形成氢键：G≡C，A=T(3)离子键

磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间形成离子键，消除了DNA自身各部位之间因负电荷而产生的斥力，增加了DNA分子的稳定性。3、DNA结构的多样性

（1）、

双链DNA结构的多样性

Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X-射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。

然而以后的研究表明DNA的结构是动态的。在以钾或铯作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X-射线衍射图给出的是A构象，A-DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成A-DNA后，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。双螺旋碱基倾角碱基夹角碱基间距nm螺距nm每轮碱基数小沟宽nm×nm大沟宽nm×nmB-DNA036.00.3373.4100.57×0.751.17×0.85C-DNA638.00.3313.19.30.48×0.791.05×0.75D-DNA

45.00.303

0.13×0.670.89×0.58A-DNA2032.70.2562.8111.10×0.280.27×1.35不同右手双螺旋DNA的结构参数

1979年，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG单晶的X-射线衍射图谱时出人意料地发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同。它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象(英文字Zigzag的第一个字母)。

Z－DNA有什么生物学意义呢

应当指出Z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构与基因调节有关。比如SV40增强子区中就有此结构，又如鼠类微小病毒DNS复制区起始点附近有GC交替排列序列。?（四）、DNA的三级结构

在DNA二级结构基础上，双螺旋的扭曲或再次螺旋就构成了DNA的三级结构，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。

具有三级结构的DNA分子，与具有二级结构的DNA分子相比，理化性质有所不同，主要表现在：

(1)熔解温度高

(2)分子结构紧密：所以粘度较低、浮力密度较大，沉降速度较快

(3)抗pH变化能力强：需用较高的pH才能将其超螺旋结构中的碱基破坏。

超螺旋(superhelix或supercoil)是DNA三级结构的一种形式。 当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象存在时，双螺旋处于能量最低的状态，此为松弛态。如果是这种正常的DNA分子额外的多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。 当双螺旋分子末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放出来，DNA将恢复正常的双螺旋状态。 但如果DNA分子的两端是固定的，或是环状分子，这种额外的张力就不能释放出来，DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。 这种扭曲就称为超螺旋，它是双螺旋的螺旋。1、超螺旋

有些单链环形染色体(如φ×174)或双链线形染色体(如噬菌体λ)，在其生活周期的某一阶段，也必将其染色体变为超螺旋形式。 对于真核生物来说，虽然其染色体多为线形分子，但其DNA均与蛋白质相结合，两个结合点之间的DNA形成一个突环(loop)结构，类似于CCC分子，同样具有超螺旋形式。 超螺旋按其方向分为正超螺旋和负超螺旋两种。真核生物中，DNA与组蛋白八聚体形成核小体结构时，存在着负超螺旋。研究发现，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓扑异构酶产生的。2、染色质和核小体

1.染色质

真核生物的染色体(chromosome)在细胞生活周期的大部分时间里都是以染色质(chromatin)的形式存在的。染色质是一种纤维状结构，叫做染色质丝，它是由最基本的单位—核小体(nucleosome)成串排列而成的。DNA是染色体的主要化学成分，也是遗传信息的载体，约占染色体全部成分的27%，另外组蛋白和非组蛋白占66%，RNA占6%。组蛋白(histones)是一种碱性蛋白质，等电点一般在pH10.0以上，其特点是富含二种碱性氨基酸(赖氨酸和精氨酸)，根据这两种氨基酸在蛋白质分子中的相对比例，将组蛋白分为五种类型：H1

、H2A、H2B、H3

和H4

。现已证明：H1是与核小体的核心颗粒相当靠近的，认为它位于连接DNA上。五种组蛋白不仅在同一生物的不同组织中完全一样，在不同的真核生物中也很相似。组蛋白对染色体中DNA的包装有十分重要的作用。 2.核小体

核小体是构成染色质的基本结构单位，使得染色质中DNA、RNA和蛋白质组织成为一种致密的结构形式。 核小体由核心颗粒(coreparticle)和连接区DNA(linkerDNA)二部分组成，在电镜下可见其成捻珠状。

核心颗粒包括组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子构成的致密八聚体(又称核心组蛋白)，以及缠绕其上一又四分之三圈长度为146bp的DNA链。 连接区DNA包括两相邻核心颗粒间约60bp的连接DNA和位于连接区DNA上的组蛋白H1，连接区使染色质纤维获得弹性。核小体是DNA紧缩的第一阶段，在此基础上，DNA链进一步折叠成每圈六个核小体，直径30nm的纤维状结构，这种30nm纤维再扭曲环绕染色体骨架(Scaffold)形成棒状的染色体，最终压缩将近一万倍(8400倍)。这样，才使每个染色体中几厘米长(如人染色体的DNA分子平均长度为4cm)的DNA分子容纳在直径数微米(如人细胞核的直径为6－7μm)的细胞核中。染色体包装的结构模型压缩倍数76405计:8400DNA核小体螺线管超螺线管染色单体一级包装二级包装三级包装四级包装核小体的形成以及DNA超螺旋结构与功能的关系还不十分清楚，可能与基因的转录调节控制有关。

基因与基因组（P115-117）1.基因是染色体上的一段特定DNA片段2.单倍体与二倍体3.等位基因与复等位基因4.基因组按功能和结构分类5.基因组学——基因的结构与功能二、

RNA的分子结构（一）、RNA的类型1、rRNA(ribosomalRNA)

占细胞中全部RNA的80%，是蛋白质生物合成的场所，存在于核蛋白体内。核蛋白体(ribosome)又称为核糖体或核糖核蛋白体。它是细胞内蛋白质生物合成的场所。rRNA是构成核蛋白体的骨架，原核生物核蛋白体中蛋白质约占1/3，rRNA约占2/3，真核生物中则各占一半。核蛋白体有两个亚基组成，一个称为大亚基，另一个称为小亚基，两个亚基都含有rRNA和蛋白质，但其种类和数量却不相同。原核生物和真核生物核蛋白体亚基的比较原核生物（E.coli）真核生物核蛋白体70S80S大亚基50S60S小亚基30S40S大亚基组成23S,5SrRNA+34种Pr28S,5.8S,5SrRNA+40种Pr小亚基组成16SrRNA+21种Pr18SrRNA+30种Pr2.tRNA(transferRNA)

是细胞中一类最小的RNA，约占细胞中

RNA总量的15%。在蛋白质生物合成中起携带氨基酸的作用，它的名称也由此而来。但它的生理功能不仅仅是转运氨基酸，它在蛋白质生物合成的起始作用中，在DNA逆转录合成及其它代谢调节中也起重要作用。3.mRNA(messengerRNA)

它是蛋白质生物合成的模板。含量少，约占RNA总量的3%~5%，代谢活跃，更新迅速，半衰期较短。

4.其它类型RNA（122-123）

核不均一RNA（HnRNA，heterogeneousRNA）核小RNA（SnRNA，smallnuclearRNA）染色体RNA（ChRNA，chromosomalRNA）干扰小RNA（siRNA）与微RNA（miRNA）（二）、RNA的结构特征RNA基本组成单位是AMP，GMP，CMP，UMP。每分子RNA由多个NMP组成，连接键为3’,5’-磷酸二酯键。RNA主要是单链结构，但会形成局部双链（hairpinstructure，发夹结构）。RNA容易被碱水解。(三)、参与蛋白质生物合成的RNA结构

1、tRNA的结构每种氨基酸都有2~6种相应的tRNA，书写时在右上角注上氨基酸缩写符号，如tRNAPhe代表转运苯丙氨酸的tRNA。 共同特点：

1.分子量在25KD左右，由70~90个核苷酸组成，沉降系数在4S左右；

2.碱基组成中有较多的稀有碱基；

3.3’-末端都为—pCCAOH，用来接受活化的氨基酸。所以这个末端称为接受末端；4.5’-末端大多为pGGG—,也有为pCCC—的。5.二级结构呈三叶草形

(cloverleaf)。双螺旋区构成了叶柄，突环(loop)区好像是三叶草的三片小叶。由于双螺旋结构所占比例甚高，tRNA的二级结构十分稳定。三叶草形结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和TψC环等五部分组成。(1)氨基酸臂

(aminoacidarm)由七对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为—CCA，在蛋白质生物合成时，用于连接活化的相应氨基酸。(2)二氢尿嘧啶环

(dihydrouridineloop,DhUloop)由8~12个核苷酸组成，含有两个二氢尿嘧啶，因此得名。通过有3~4对碱基组成的双螺旋区(二氢尿嘧啶臂)与tRNA的其余部分相连。

(3)反密码环

(anticodonloop)由7个核苷酸组成，环中部为反密码子，由三个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸常出现于反密码子中。反密码环通过有5对碱基组成的双螺旋区(反密码臂)与tRNA的其余部分相连。

(4)额外环

(extraloop)由3~18个核苷酸组成，不同的tRNA具有不同大小的额外环，所以它是tRNA分类的重要指标。

(5)假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷环(TψC环)由7个核苷酸组成，通过有5对碱基组成的双螺旋区(TψC臂)与tRNA的其余部分相连。6.三级结构的形状象一个倒写的L字母

2、mRNA的结构mRNA为传递DNA的遗传信息并指导蛋白质合成的一类RNA分子。即mRNA是以DNA为模板合成的；mRNA又是蛋白质合成的模板（这两部分内容在第九章中将会详细讨论）。每一种多肽都由一种特定的mRNA负责编码，所以细胞内mRNA种类很多，但就每一种mRNA而言含量又十分低，同时mRNA半衰期也较短。所以也可以说明为什么mRNA的发现比rRNA和tRNA要迟。分子量大小不一，由几百至几千个核苷酸组成。极大多数真核细胞mRNA在3’末端有一段长约200个碱基的多聚腺苷酸（polyA）----与衰老有关系。真核mRNA的5’末端有一特殊结构：7-甲基鸟嘌呤核苷三磷酸，称为帽子结构，与蛋白质生物合成的起始有关。mRNA分子中有编码区和非编码区，后者与蛋白质合成的调控有关。每分子mRNA可与几个至几十个核糖体结合