第二節(jié)　核酸的結(jié)構(gòu)與功能

一、DNA的結(jié)構(gòu)與功能

（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)

核酸的一級結(jié)構(gòu)是指核酸分子中核苷酸（或脫氧核苷酸）從5′-端到3′-端的排列順序。其表示方法如圖3-6（b）所示。在多核苷酸鏈中，磷酸戊糖部分是主鏈，堿基作為側(cè)鏈，排列在主鏈一側(cè)。雖然DNA只由4種堿基組成，但自然界中DNA分子的長度可達(dá)幾十萬個堿基，不同的堿基排列順序蘊涵著特定的遺傳信息。

★ 考點提示：DNA一級結(jié)構(gòu)的概念

（二）DNA的空間結(jié)構(gòu)

DNA的空間結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成DNA所有原子在三維空間的相對位置關(guān)系，可分為二級結(jié)構(gòu)和高級結(jié)構(gòu)。

1. DNA的二級結(jié)構(gòu)

J．Watson和F.Crick兩位年輕的科學(xué)家在1953年提出了DNA分子二級結(jié)構(gòu)的雙螺旋結(jié)構(gòu)（double helix）模型（圖3-7）。這一發(fā)現(xiàn)揭示了生物界遺傳性狀得以世代相傳的分子機制，它不僅解釋了當(dāng)時已知的DNA的一切理化性質(zhì)，而且還將DNA的功能與結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，奠定了現(xiàn)代生命科學(xué)的基礎(chǔ)。J.Watson和F.Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)具有以下特征。

（1）DNA是反向平行的雙鏈結(jié)構(gòu)　DNA由兩條平行且方向相反的多聚核苷酸鏈圍繞同一中心軸盤旋而成右手雙螺旋結(jié)構(gòu)。兩條鏈的走向相反，一條為5′→3′，另一條是3′→5′。雙螺旋表面形成大溝和小溝，這些溝狀結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)識別DNA堿基序列并發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)。

（2）雙鏈結(jié)構(gòu)嚴(yán)格遵循堿基互補配對原則　在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，磷酸戊糖構(gòu)成的主鏈位于外側(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè)，堿基之間以氫鍵結(jié)合。在堿基配對中，總是A與T配對，形成兩個氫鍵；G與C配對，形成三個氫鍵，這種配對規(guī)律稱為堿基互補配對原則。通過堿基互補而結(jié)合的兩條鏈彼此稱為互補鏈。

（3）雙螺旋的直徑為2nm，螺距為3.4nm　每一螺旋含有10個堿基對，上下層堿基對之間的堆砌距離為0.34nm，并有36°的旋轉(zhuǎn)夾角。

（4）維持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用力是氫鍵和堿基堆積力　其中上下層堿基之間的堆積力維系雙螺旋縱向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，互補堿基之間的氫鍵維系雙螺旋橫向結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。相對而言，堿基堆積力是維持雙螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要力量。

Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是基于92%的相對濕度得到的DNA纖維的X線衍射圖像的分析結(jié)果。這是DNA在水性環(huán)境下和生理條件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。后來人們發(fā)現(xiàn)DNA的結(jié)構(gòu)不是一成不變的，在改變?nèi)芤旱碾x子強度或相對濕度后，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中溝的深淺、螺距、旋轉(zhuǎn)角度等都會發(fā)生變化。目前已知的DNA二級結(jié)構(gòu)形式有3種類型：B-DNA（Watson-Crick模型）、A-DNA和Z-DNA。A-DNA和B-DNA均為右手螺旋結(jié)構(gòu)，差別主要在于雙螺旋的密度不同；Z-DNA為左手螺旋結(jié)構(gòu)。綜上所述，DNA的右手雙螺旋結(jié)構(gòu)不是自然界DNA的唯一存在方式。在生物體內(nèi)，不同類型的DNA在功能上可能有所差異，與基因表達(dá)的調(diào)節(jié)和控制相適應(yīng)。

2. DNA的高級結(jié)構(gòu)

不同物種的DNA分子大小和復(fù)雜程度相差很大。一般來說，生物進(jìn)化程度越高，其基因組DNA分子越龐大。

原核生物的DNA一般為環(huán)狀雙螺旋分子，在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞形成麻花狀超螺旋結(jié)構(gòu)（圖3-8）。在細(xì)胞中，超螺旋結(jié)構(gòu)的盤繞方向與DNA雙螺旋方向相同為正超螺旋；盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反則為負(fù)超螺旋。自然界的閉合雙鏈DNA主要是以負(fù)超螺旋形式存在。

真核生物DNA與蛋白質(zhì)結(jié)合，以非常致密的形式存在于細(xì)胞核內(nèi)。在細(xì)胞間期以染色質(zhì)的形式出現(xiàn)，在細(xì)胞分裂期形成高度凝集的染色體。染色質(zhì)的基本組成單位是核小體。核小體由5種組蛋白和DNA共同組成。組蛋白H2A、H2B、H3、H4各2分子共同構(gòu)成八聚體的核心組蛋白，長度約150bp的DNA雙鏈在組蛋白八聚體上盤繞1.75圈形成核小體的核心顆粒；組蛋白H1和約60bp的DNA構(gòu)成連接區(qū)。核小體的核心顆粒與連接區(qū)連接起來形成串珠狀染色質(zhì)細(xì)絲。核小體又進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)折疊形成中空螺旋管，進(jìn)而卷曲折疊成超螺旋管纖維，再進(jìn)一步壓縮為染色單體，在核內(nèi)組裝成染色體。

（三）DNA的功能

DNA是遺傳信息的載體。DNA的基本功能是作為生物遺傳信息的攜帶者，是基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。基因（gene）就是DNA分子中的功能性片段。經(jīng)過復(fù)制可將遺傳信息傳遞給子代，經(jīng)過轉(zhuǎn)錄和翻譯可指導(dǎo)參與生命活動的各種蛋白質(zhì)和與之相關(guān)的各種RNA的有序合成。一個生物體的全部基因序列稱為基因組（genome）。

★ 考點提示：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特征及DNA的功能

二、RNA的結(jié)構(gòu)與功能

RNA在生命活動中同樣具有重要作用，它和蛋白質(zhì)共同參與基因的表達(dá)和表達(dá)過程的調(diào)控。RNA分子比DNA分子小得多，小的僅含數(shù)十個核苷酸，大的由數(shù)千個核苷酸組成。RNA的種類、大小和結(jié)構(gòu)都遠(yuǎn)比DNA多樣化，其功能也各不相同（表3-2）。

（一）信使RNA

細(xì)胞核內(nèi)DNA的遺傳信息通過信使RNA（messenger RNA，mRNA）轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)，進(jìn)而指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成，將自身的核苷酸序列轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯逆溨邪被岬呐帕许樞颉Ｒ虼耍琺RNA是蛋白質(zhì)生物合成的直接模板。mRNA占總RNA的2%～5%，但種類最多。

mRNA由編碼區(qū)和非編碼區(qū)組成。其編碼序列上每3個相鄰核苷酸為一組，決定相應(yīng)多肽鏈中某一種氨基酸（或多肽鏈合成的起始或終止信號），被稱為三聯(lián)體密碼或密碼子。

真核生物成熟mRNA的5′-末端有一個7-甲基鳥苷三磷酸（m⁷GpppN）的帽子結(jié)構(gòu)（圖3-9），3′-末端有一段80～250個腺苷酸組成的多聚A（poly A）尾，二者均可增強mRNA的穩(wěn)定性。帽子結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)合成中還可促進(jìn)核糖體與mRNA的結(jié)合，加速翻譯的起始；poly A尾還參與mRNA從細(xì)胞核向細(xì)胞質(zhì)的轉(zhuǎn)位并參與調(diào)控蛋白質(zhì)合成的速度。

原核生物的mRNA未發(fā)現(xiàn)5′端的帽子結(jié)構(gòu)和3′端的poly A尾。

（二）轉(zhuǎn)運RNA

轉(zhuǎn)運RNA（transfer RNA，tRNA）的功能是作為各種氨基酸的轉(zhuǎn)運工具，在蛋白質(zhì)生物合成過程中起到活化與轉(zhuǎn)運氨基酸的作用。一般由74～95個核苷酸組成，在三類RNA中分子量最小。tRNA分子中含有較多的稀有堿基，如二氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（Ψ）及甲基化堿基等，這些稀有堿基是tRNA合成后化學(xué)修飾的產(chǎn)物。

tRNA的二級結(jié)構(gòu)呈三葉草形（圖3-10）。其結(jié)構(gòu)特點為：有四個局部螺旋區(qū)，包含三個環(huán)和一個附加叉（可變環(huán)）。tRNA的三個環(huán)分別被稱為DHU環(huán)、TΨC環(huán)和反密碼環(huán)。位于下方的反密碼環(huán)上居中的3個核苷酸構(gòu)成反密碼子，可與mRNA上的密碼子反向互補結(jié)合，將自身攜帶的氨基酸運送到正確位置。位于上方的莖環(huán)結(jié)構(gòu)稱為氨基酸臂，是結(jié)合氨基酸的部位。所有tRNA 3′-末端都是CCA-OH結(jié)構(gòu)，氨基酸與CCA-OH脫水結(jié)合生成氨基酰-tRNA。

tRNA在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊形成三級結(jié)構(gòu)（圖3-10）。tRNA的三級結(jié)構(gòu)呈倒L型，L型的拐角處有DHU環(huán)和TΨC環(huán)，這是所有tRNA的共同結(jié)構(gòu)特點。

（三）核糖體RNA

核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）與多種蛋白結(jié)合共同構(gòu)成的核糖體（又稱核蛋白體）是蛋白質(zhì)生物合成的場所。rRNA是細(xì)胞內(nèi)含量最多的一類RNA，占RNA總量的80%以上。

原核生物有三種rRNA，大小分別為5S、16S、23S，其中16S rRNA和20余種蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖體的小亞基，大亞基則由5S和23S rRNA共同與30余種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成。真核生物有四種rRNA，大小分別為5S、5.8S、18S、28S，其中18S rRNA和30余種蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖體小亞基，5S、5.8S、28S三種rRNA和近50種蛋白質(zhì)結(jié)合構(gòu)成大亞基。

★ 考點提示：三種RNA的結(jié)構(gòu)特點及功能