第一章核酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

1、第一章：核酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)核酸分為兩類：核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）和脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）。前者是核苷酸的聚合物，后者是脫氧核苷酸的聚合物。第一節(jié) DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的化學(xué)組成 DNA的組成單位是脫氧核苷酸（deoxynucleotide）。脫氧核苷酸有三個(gè)組成成分：一個(gè)磷酸基團(tuán)(phosphate)，一個(gè)2-脫氧核糖（2-deoxyribose）和一個(gè)堿基(base)。1、堿基構(gòu)成DNA的堿基可以分為兩類，嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）。嘌呤為雙環(huán)結(jié)構(gòu)(Bicyclic)，包括腺嘌呤(adenin

2、e)和鳥嘌呤(guanine)，這兩種嘌呤有著相同的基本結(jié)構(gòu)，只是附著的基團(tuán)不同。而嘧啶為單環(huán)結(jié)構(gòu)(monocyclic)，包括胞嘧啶(cytosine)和胸腺嘧啶(thymine)，它們同樣有著相同的基本結(jié)構(gòu)。 2、脫氧核苷 嘌呤的N9和嘧啶的N1通過糖苷鍵與脫氧核糖結(jié)合形成4種脫氧核苷（deoxynucleoside），分別稱為2脫氧腺苷，2脫氧胸苷，2脫氧鳥苷和2脫氧胞苷。3、脫氧核苷酸脫氧核苷酸由脫氧核苷和磷酸組成。磷酸與脫氧核苷5碳原子上的羥基縮水成5脫氧核苷酸。脫氧核苷單磷酸依次以磷酸二酯鍵相連形成多核苷酸鏈(polynucleotide)，即一個(gè)核苷酸的2脫氧核糖上的3羥基與另一

3、核苷酸上的5磷酸基形成磷酸二酯鍵(phosphodiester group)。多核苷酸鏈以磷酸二酯鍵為基礎(chǔ)構(gòu)成了規(guī)則的不斷重復(fù)的糖磷酸骨架，這是DNA結(jié)構(gòu)的一個(gè)特點(diǎn)。核苷酸的一個(gè)末端有一個(gè)游離的5基團(tuán)，另一端的核苷酸有一游離的3基團(tuán)。人們習(xí)慣于從35方向書寫核苷酸系列，即從左側(cè)的5端到右側(cè)的3端書寫。二、DNA雙螺旋根據(jù)這一模型，雙螺旋的兩條反向平行的多核苷酸鏈繞同一中心軸相纏繞，形成右手螺旋，一條是53，另一條35。磷酸與脫氧核糖彼此通過3、5-磷酸二酯鍵相連接，構(gòu)成DNA分子的骨架。磷酸與脫氧核糖在雙螺旋外側(cè)，嘌呤與嘧啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)。堿基平面與縱軸垂直(perpendicular t

4、o the helix axis)，糖環(huán)平面與縱軸平行。兩條核苷酸鏈之間依靠堿基間的氫鏈結(jié)合在一起，形成堿基對(duì)。位于兩條DNA單鏈之間的堿基配對(duì)是高度特異的：腺嘌呤只與胸腺嘧啶配對(duì)，而鳥嘌呤只與胞嘧啶配對(duì)，結(jié)果是雙螺旋的兩條鏈的堿基序列有互補(bǔ)關(guān)系(complementary)，其中任何一條鏈的序列都嚴(yán)格決定了其對(duì)應(yīng)鏈的序列。堿基對(duì)雜環(huán)之間的相互作用稱為堿基堆積（base stacking），可增加雙螺旋的穩(wěn)定性。氫鍵對(duì)于堿基配對(duì)的特異性也非常重要。設(shè)想我們?cè)囍瓜汆堰屎桶奏づ鋵?duì)，這樣一個(gè)氫鍵受體（腺嘌呤的N1）對(duì)著另一氫鍵受體（胞嘧啶的N3）。同樣，兩個(gè)氫鍵供體，腺嘌呤的C6和胞嘧啶的C4上

5、的氨基基團(tuán)也彼此相對(duì)，所以，AC堿基配對(duì)是不穩(wěn)定的，堿基對(duì)無法形成氫鍵。每圈螺旋含10個(gè)核苷酸，堿基堆積距離0.34nm，螺距3.4 nm，雙螺旋直徑2nm。DNA的兩條單鏈彼此纏繞時(shí)，沿著雙螺旋的走向形成兩個(gè)交替分布的凹槽，一個(gè)較寬較深的凹槽，稱為大溝（major groove)，另一個(gè)較窄較淺的為小溝（minor groove）。每個(gè)堿基對(duì)的邊緣都暴露于大溝、小溝中。在大溝中，每一堿基對(duì)邊緣的化學(xué)基團(tuán)都有自身獨(dú)特的分布模式。因此，蛋白質(zhì)可以根據(jù)大溝中的化學(xué)基團(tuán)的排列方式準(zhǔn)確地區(qū)分A T堿基對(duì)、T A堿基對(duì)、G C堿基對(duì)與C G堿基對(duì)。這種區(qū)分非常重要，使得蛋白質(zhì)無需解開雙螺旋就可以識(shí)別DN

6、A序列。小溝的化學(xué)信息較少，對(duì)區(qū)分堿基對(duì)的作用不大。在小溝中，A T堿基對(duì)與T A堿基對(duì)，G C堿基對(duì)與C G堿基對(duì)看起來極其相似。另外由于體積較小，氨基酸的側(cè)鏈不大能夠進(jìn)入小溝之中。三、DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性1、A型雙螺旋 Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋。然而以后的研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的。在相對(duì)濕度較低時(shí)，DNA分子的X射線衍射圖給出的是A構(gòu)象，ADNA的直徑是2.6nm，每螺旋含11個(gè)堿基對(duì)，螺距3.2 nm。A型DNA的大溝變窄、變深，小溝變寬、變淺。由于大溝、小溝是DNA行使功能時(shí)蛋白質(zhì)的識(shí)別位點(diǎn)，所以由BDNA變?yōu)锳DNA后，蛋白質(zhì)對(duì)DNA分子的識(shí)別也

7、發(fā)生了相應(yīng)變化。RNA和DNA-RNA雜合體會(huì)形成A型雙螺旋。2、Z-型雙螺旋除了A型DNA和B型DNA以外，還發(fā)現(xiàn)有一種Z型DNA。A.Rich在研究CGCGCG寡聚體的結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了這類DNA。雖然，CGCGCG在晶體中也呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋(left handed)，所以這種DNA稱左旋DNA。目前仍然不清楚Z-DNA究竟具有何種生物學(xué)功能。但實(shí)驗(yàn)證明，天然B-DNA的局部區(qū)域可以出現(xiàn)Z-DNA的結(jié)構(gòu)，說明B-DNA與Z-DNA之間是可以互相轉(zhuǎn)變的，并處于某種平衡狀態(tài)，一旦破壞這種平衡，基因表達(dá)可能失控，所以推測(cè)Z-DNA可能和基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)。3H-DNA H-

8、DNA是一種三股螺旋。能夠形成三股螺旋的DNA序列呈鏡像對(duì)稱，并且一條鏈為多聚嘌呤鏈，另一條鏈為多聚嘧啶鏈，例如(CT/AG)n。三、DNA雙螺旋的變性和復(fù)性1. DNA變性(denaturation) 指DNA分子由穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)松解為無規(guī)則線性結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。變性時(shí)維持雙螺旋穩(wěn)定性的氫鍵斷裂，堿基間的堆積力遭到破壞，但不涉及到其一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變。凡能破壞雙螺旋穩(wěn)定性的因素，如加熱、極端的pH、有機(jī)試劑（尿素及甲酰胺等），均可引起核酸分子變性。2、復(fù)性（Renaturation）指變性DNA在適當(dāng)條件下，二條互補(bǔ)鏈全部或部分恢復(fù)到天然雙螺旋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，它是變性的一種逆轉(zhuǎn)過程。熱變性DNA一般經(jīng)緩

9、慢冷卻后即可復(fù)性，此過程稱之為退火(annealing)。不同來源的核酸變性后，合并在一處進(jìn)行復(fù)性，這時(shí)，只要這些核酸分子核苷酸序列含有可以形成堿基互補(bǔ)配對(duì)的片段，復(fù)性也會(huì)發(fā)生于不同來源的核酸鏈之間，形成所謂的雜化雙鏈(heteroduplex)，這個(gè)過程稱為雜交(hybridization) 。雜交可以發(fā)生于DNA與DNA之間，也可以發(fā)生于RNA與RNA之間和DNA與RNA之間。核酸雜交技術(shù)是目前研究核酸結(jié)構(gòu)、功能常用手段之一。第二節(jié) DNA超螺旋（DNA Supercoil）一、超螺旋DNA許多病毒DNA以及所有的細(xì)菌DNA都是環(huán)狀分子。環(huán)狀DNA也出現(xiàn)在真核生物的線粒體和葉綠體中。閉合環(huán)

10、狀DNA分子沒有自由的末端。高溫和堿性pH會(huì)破壞氫鍵和其他穩(wěn)定DNA雙螺旋的因素。然而，在變性條件下，cccDNA (covalently closed circular DNA)分子的兩條鏈不會(huì)彼此分離，而是形成相互連環(huán)、纏結(jié)的單鏈DNA。分離出來的環(huán)狀DNA分子，例如SV40的環(huán)形DNA分子，如果在DNA鏈上沒有斷裂，呈超螺旋結(jié)構(gòu)（superhelix或supercoil）。超螺旋DNA是DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋是有方向的，左旋的超螺旋稱為正超螺旋，右旋的超螺旋稱為負(fù)超螺旋。一個(gè)DNA分子的螺旋狀態(tài)可以用扭轉(zhuǎn)數(shù)、纏繞數(shù)和連環(huán)數(shù)來精確描述。扭轉(zhuǎn)數(shù)，即一條鏈完全纏

11、繞另一條鏈的次數(shù)。右手螺旋的扭轉(zhuǎn)數(shù)被定義為正數(shù)。在三維空間里雙螺旋的長(zhǎng)軸經(jīng)常在外力的作用下自我交叉，交叉的次數(shù)稱為纏繞數(shù)。 扭轉(zhuǎn)數(shù)和纏繞數(shù)是可以相互轉(zhuǎn)換的。一個(gè)cccDNA分子容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，在不破壞任何共價(jià)鍵的情況下，部分扭轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槔p繞數(shù)或者部分纏繞數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榕まD(zhuǎn)數(shù)。唯一不變的是扭轉(zhuǎn)數(shù)和纏繞數(shù)的總和與連環(huán)數(shù)相等，即LkTwWr超螺旋的程度可以用超螺旋密度（superhelical density）來衡量，用表示，定義為L(zhǎng)k/ Lk0其中 Lk表示與松弛閉合環(huán)狀分子（Lk0）相比，Lk發(fā)生的變化，用LkLk0表示。從細(xì)胞中分離出來的DNA分子通常是負(fù)超螺旋，約為0.06。細(xì)胞內(nèi)DNA分子形成

12、超螺旋的意義是什么？負(fù)超螺旋含有自有能，可以為打開雙螺旋提供能量，使雙鏈的解離過程得以順利進(jìn)行。因而，有利于轉(zhuǎn)錄和復(fù)制。目前僅在生活在極端高溫環(huán)境（如溫泉）中的嗜熱微生物中發(fā)現(xiàn)了正超螺旋DNA。在這種情況下，正超螺旋提供能量，阻止DNA在高溫中發(fā)生變性。正超螺旋是過旋的，因而嗜熱微生物DNA雙鏈打開就比一般生物呈負(fù)超螺旋的DNA需要更多的能量。二、拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶（topoisomerase）可以催化DNA產(chǎn)生瞬時(shí)單鏈或雙鏈斷裂而改變連環(huán)數(shù)(linking number)。拓?fù)洚悩?gòu)酶有兩種基本類型，拓?fù)洚悩?gòu)酶I和拓?fù)洚悩?gòu)酶II。拓?fù)洚悩?gòu)酶II在DNA上產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的雙鏈缺口，并在缺口閉合以

13、前使另一雙鏈DNA片段得以穿過，連環(huán)數(shù)每次改變±2。拓?fù)洚悩?gòu)酶II依靠ATP水解提供能量來催化這一反應(yīng)。I型拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用是使DNA暫時(shí)產(chǎn)生單鏈切口，讓另一未被切割的單鏈在切口接合之前穿過這一缺口，連環(huán)數(shù)每次改變±1。與拓?fù)洚悩?gòu)酶II相比，拓?fù)洚悩?gòu)酶I的作用不需要ATP。原核生物和真核生物細(xì)胞內(nèi)都存在可以除去超螺旋的拓?fù)洚悩?gòu)酶I和拓?fù)洚悩?gòu)酶II。另外，原核生物中還擁有一種特異的拓?fù)洚悩?gòu)酶II，通稱為促旋酶(gyrase)，它可以利用ATP水解提供的能量向DNA分子引入負(fù)超螺旋。這種負(fù)超螺旋可以促進(jìn)DNA雙螺旋的解旋，而這種解旋又會(huì)激發(fā)包括啟動(dòng)DNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制在內(nèi)的許多反應(yīng)

14、。 環(huán)狀DNA分子一輪DNA復(fù)制完成以后，通常會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)連接在一起的DNA分子，以便使它們?cè)诩?xì)胞分裂時(shí)分配到兩個(gè)子細(xì)胞中去。拓?fù)洚悩?gòu)酶II催化兩個(gè)子代DNA分子的一個(gè)產(chǎn)生瞬時(shí)的雙鏈斷裂并使另一個(gè)子代分子通過這個(gè)切口。三、嵌入劑 溴化乙啶是一種帶正電的多環(huán)芳香族化合物。平面狀的溴化乙啶能嵌入到堿基對(duì)平面之間。在紫外光下，溴化乙啶會(huì)發(fā)熒光，嵌入DNA后熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。因此，溴化乙啶通常用來作為燃料檢測(cè)DNA的存在。第三節(jié) RNA結(jié)構(gòu)RNA和DNA有三點(diǎn)不同之處。第一，RNA骨架含有核糖而不是2脫氧核糖，在核糖的2位置上帶有一個(gè)羥基。第二，DNA中的胸腺嘧啶被RNA中的尿嘧啶取代，尿嘧啶有著和胸腺

15、嘧啶相同的單環(huán)結(jié)構(gòu)，但是缺少5甲基基團(tuán)。第三，RNA通常以單鏈形式存在。細(xì)胞內(nèi)的RNA行使多種生物學(xué)功能。mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的模板，tRNA運(yùn)載氨基酸并識(shí)別mRNA的密碼子，rRNA是核糖體的組成部分。此外，snRNA參與mRNA的剪接，snoRNA參與rRNA成熟加工，gRNA參與RNA編輯、SRPRNA參與蛋白質(zhì)的分泌、端粒酶RNA參與染色體端粒的合成。還有一些RNA是細(xì)胞中催化一些重要反應(yīng)的酶。盡管RNA是單鏈分子，它依然可以形成局部雙螺旋，這是因?yàn)镽NA鏈頻繁發(fā)生自身折疊，從而使鏈內(nèi)的互補(bǔ)序列形成堿基配對(duì)區(qū)。除了AU配對(duì)和CG配對(duì)外，RNA還具有額外的非Watson-Crick堿

16、基配對(duì)，如GU堿基對(duì)，這一特征使RNA更易于形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。RNA分子自身折疊形成雙螺旋時(shí)，不配對(duì)的序列以發(fā)卡（hairpin）、凸起（bulge）、內(nèi)部環(huán)等形式游離于雙鏈區(qū)之外。RNA骨架上2OH的存在阻止RNA形成B型螺旋。雙螺旋RNA更類似于A型DNA。它的小溝寬且淺而易于接近；而大溝狹且深，與它相互作用的蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈難以接近它。所以RNA不適合與蛋白質(zhì)進(jìn)行序列特異性的相互作用。RNA分子中的核苷酸排列順序稱為核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)。單鏈核苷酸自身折疊由單鏈區(qū)、莖環(huán)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)、雙鏈結(jié)構(gòu)等元件組成的平面結(jié)構(gòu)，稱為RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)。RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要由核酸鏈不同區(qū)段堿基間的氫鍵維系。在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，核酸鏈再次折疊形成的高級(jí)結(jié)構(gòu)稱為RNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiary structure)。由于沒有形成長(zhǎng)的規(guī)則螺旋的限制，因此RNA可以形成大量的三級(jí)結(jié)