生物化學 第二節(jié) 核酸的分子結(jié)構(gòu)A

第二節(jié)

核酸的分子結(jié)構(gòu)一、DNA的分子結(jié)構(gòu)

（一）DNA的一級結(jié)構(gòu)

DNA是由數(shù)量龐大的四種脫氧核糖核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接起來的直線形或環(huán)形多聚體。

DNA沒有側(cè)鏈，只有兩個末端分別稱為5’-末端(5’-P)和3’-末端(3’-OH)。DNA鏈具有方向性，書寫時方向5’→3’

表示一個核酸分子結(jié)構(gòu)的方法由繁至簡有許多種。由于核酸分子結(jié)構(gòu)除了兩端和堿基排列順序不同外，構(gòu)成核苷酸單元的戊糖和磷酸基是相同的。體現(xiàn)核苷酸差別的實際上只是它所帶的堿基。因此，在核酸分子結(jié)構(gòu)的簡式表示方法中，僅須注明一個核酸分子的哪一端是5’末端，哪一端是3’末端，末端有無磷酸基，以及核酸分子中的堿基順序即可。如未特別注明5’和3’末端，一般約定，堿基序列的書寫是由左向右書寫，左側(cè)是5’-末端，右側(cè)為3’-末端。1.線條式

說明：

(1)P代表磷酸基

(2)A,C,T,G代表相應(yīng)的堿基

(3)豎線表示核糖的碳鏈，從上端到下端分別是1’→5’

(4)豎線一端1’與堿基相連，另一端5’與P相連

(5)中間斜線3’與P相連

2.文字式

pApCpTpGorpACTG (1)P代表磷酸基

(2)A,C,T,G代表相應(yīng)的堿基

(3) P在左表示與5’端相連

(4)P在右表示與3’端相連，有時可省略

DNA的一級結(jié)構(gòu)就是構(gòu)成DNA的各個單核苷酸之間連接鍵的性質(zhì)以及核苷酸的數(shù)目和排列順序。

短的核酸鏈(≤50)稱為寡核苷酸(oligonucleotide)，更長的核酸鏈稱為多核苷酸(polynucleotide)。

生物的遺傳信息就儲存記錄在DNA的核苷酸序列中。測定DNA的一級結(jié)構(gòu)，也就是測定DNA的核苷酸序列。

（二）真核細胞DNA和原核細胞DNA

的一級結(jié)構(gòu)特點

在一級結(jié)構(gòu)上真核細胞DNA具有以下顯著特點：

1．重復順序

真核細胞染色質(zhì)DNA具有許多重復排列的核苷酸序列，稱為重復順序。按重復程度不同可分為高度重復順序，中度重復順序和單一順序三種。

（1）高度重復順序： 許多真核細胞染色質(zhì)DNA都含有高度重復順序。這種重復順序結(jié)構(gòu)的“基礎(chǔ)順序”短，含5~100bp，重復次數(shù)可高達幾百萬次（106~107）。高度重復順序結(jié)構(gòu)中G-C含量高，進行CsCl梯度離心時常在DNA主峰旁顯示一個或多個小峰，這些小峰稱為衛(wèi)星峰，這部分DNA又稱為衛(wèi)星DNA。這種DNA的GC含量一般少于主帶中的DNA。浮力密度也低。

（2）中度重復順序： 這種結(jié)構(gòu)的“基礎(chǔ)順序”長，可達300bp或更長，重復次數(shù)從幾百到幾千不等。 組蛋白基因，rRNA基因（rDNA）及tRNA基因（tDNA）大多數(shù)為中度重復順序。

（3）單一順序： 又稱單拷貝順序，真核細胞中，除組蛋白外，其他所有蛋白質(zhì)都是由DNA中單一順序決定的。每一序列片段決定一個蛋白質(zhì)，為一個蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。 迄今為止，在真核生物中還沒有發(fā)現(xiàn)一個蛋白質(zhì)基因是多順反子結(jié)構(gòu)的。

2．間隔順序與插入順序

在真核細胞DNA分子中，除了編碼蛋白質(zhì)和RNA的基因序列片段外，還有一些片段不編碼任何蛋白質(zhì)和RNA，它們可以存在于基因與基因之間，也可以存在于基因之內(nèi)。 存在于基因與基因之間的稱為間隔順序，存在于基因內(nèi)的稱為插入順序。

在許多DNA分子中，常常含有長短不一的間隔順序，也常常出現(xiàn)一些插入順序?qū)⒁粋€基因分成幾段。如雞卵清蛋白基因，珠蛋白基因都含有插入順序。 通常把基因內(nèi)的插入順序稱為內(nèi)含子（intron），把編碼蛋白質(zhì)的基因順序稱為外顯子（exon）。

3．回文結(jié)構(gòu) 在真核細胞DNA分子中，還存在許多特殊的序列。這種結(jié)構(gòu)中脫氧核苷酸的排列在DNA兩條鏈中的順讀與倒讀意義是一樣的（即脫氧核苷酸正反排列順序相同），脫氧核苷酸以一個假想的軸成為180°旋轉(zhuǎn)對稱（即使軸旋轉(zhuǎn)180°后，兩部分能完全重合），這種結(jié)構(gòu)稱為回文結(jié)構(gòu)。TAGCTAATCGAT假想對稱軸AAGCTTTTCGAA

原核生物DNA順序組織具有不同特點：

1．原核生物在DNA順序組織上的最大特點是基因重疊。也就是說在同一DNA序列中，常包括不同的基因區(qū)，這些重疊在一起的基因，使用的編碼組序不同，因此雖然是同樣的DNA順序區(qū)段內(nèi)，都可翻譯出不同的蛋白質(zhì)。如病毒DNA分子一般都不大，但又必須裝入相當多的基因，因此可能在這種壓力下導致病毒DNA在進化過程中重疊起來。由于基因的重疊，在重疊部位一個堿基的突變將影響兩個或三個蛋白質(zhì)的表達。

如在噬菌體ΦX174中，基因B和基因K重疊在基因A之內(nèi)。由下圖可見在同一部分核苷酸順序片段中，它們在三個編碼組之中，含義各不相同。

TGATGkAB

2.在原核生物的DNA順序組織中，每個轉(zhuǎn)錄的mRNA常常包含了多個順反子，而且功能上有關(guān)的順反子通常串聯(lián)在一個mRNA分子上。 這些編碼在同一個mRNA分子中的多種功能蛋白在生理功能上都是密切相關(guān)的。這種DNA順序組織可能是原核基因協(xié)同表達的一種調(diào)控方式。 原核DNA順序的另一個特點是功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄在同一個mRNA分子上。

3．原核生物DNA順序所含有的結(jié)構(gòu)基因是連續(xù)的，一般不含有插入或間隔序列，而且在轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的DNA順序的組織形式是多種多樣的，調(diào)控區(qū)的不同組織形式與不同的生物功能有明顯關(guān)系。（三）、DNA的二級結(jié)構(gòu)1、Watson-Crick模型(DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型)

1953年，由Watson和Crick提出。 他們所用的資料來自在相對濕度為92%時所得到的DNA鈉鹽纖維。這種DNA稱為B型DNA(B-DNA)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(B-DNA)的要點：

(1)兩條反向平行(走向相反，一條5’→3’，另一條3’→5’)的多核苷酸鏈圍繞同一個中心軸相互纏繞構(gòu)成雙螺旋結(jié)構(gòu)。兩條鏈均為右手螺旋。(2)嘧啶與嘌呤堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，磷酸與核糖在外側(cè)，彼此通過3’,5’-磷酸二酯鍵相連接，形成DNA分子的骨架。堿基平面與縱軸垂直，糖環(huán)的平面與縱軸平行。(3)雙螺旋的直徑為2nm。順軸方向，每隔0.34nm有一個核苷酸，相鄰兩個核苷酸之間的夾角為36°。每一圈雙螺旋有10對核苷酸，每圈高度為3.4nm。

(4)、兩條鏈由堿基間的氫鍵相連。A與T配對，形成兩個氫鍵。G與C配對，形成三個氫鍵。所以GC之間的配對較為穩(wěn)定。這種堿基之間相互配對稱為堿基互補(basecomplementary)。

根據(jù)堿基互補原則，當一條多核苷酸鏈的序列被確定以后，即可推知另一條互補鏈的序列。(4)兩條鏈由堿基間的氫鍵相連。A與T配對，形成兩個氫鍵。G與C配對，形成三個氫鍵。所以GC之間的配對較為穩(wěn)定。這種堿基之間相互配對稱為堿基互補(basecomplementary)。

根據(jù)堿基互補原則，當一條多核苷酸鏈的序列被確定以后，即可推知另一條互補鏈的序列。(5)由于堿基對排列的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不對稱的，所以雙螺旋結(jié)構(gòu)上有兩條螺形凹溝，一條較深，稱為大溝(majorgroove)，

一條較淺，稱為小溝(minorgroove)。

2、維持DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用力

(1)堿基堆積力(basestackingforce)

堿基堆積力是維持DNA結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要作用力。堿基有規(guī)律的堆積可以使堿基之間發(fā)生締合，這種作用力稱為堿基堆積力。由于堿基的層層堆積，在DNA分子內(nèi)部形成一個疏水核心區(qū)，有助于氫鍵的形成。

(2)氫鍵

互補堿基對之間形成氫鍵：G≡C，A=T(3)離子鍵

磷酸基團上的負電荷與介質(zhì)中的陽離子之間形成離子鍵，消除了DNA自身各部位之間因負電荷而產(chǎn)生的斥力，增加了DNA分子的穩(wěn)定性。3、DNA結(jié)構(gòu)的多樣性

（1）、

雙鏈DNA結(jié)構(gòu)的多樣性

Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋，它是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對濕度下進行X-射線衍射圖譜為依據(jù)進行推測的，這是DNA分子在水性環(huán)境和生理條件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

然而以后的研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動態(tài)的。在以鉀或銫作反離子，相對濕度為75%時，DNA分子的X-射線衍射圖給出的是A構(gòu)象，A-DNA每螺旋含11個堿基對，而且變成A-DNA后，大溝變窄、變深，小溝變寬、變淺。由于大溝、小溝是DNA行使功能時蛋白質(zhì)的識別位點，所以由B-DNA變?yōu)锳-DNA后，蛋白質(zhì)對DNA分子的識別也發(fā)生了相應(yīng)變化。雙螺旋堿基傾角堿基夾角堿基間距nm螺距nm每輪堿基數(shù)小溝寬nm×nm大溝寬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不同右手雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1979年，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG單晶的X-射線衍射圖譜時出人意料地發(fā)現(xiàn)這種六聚體的構(gòu)象與上面講到的完全不同。它是左手雙螺旋，與右手螺旋的不同是螺距延長(4.5nm左右)，直徑變窄(1.8nm)，每個螺旋含12個堿基對，分子長鏈中磷原子不是平滑延伸而是鋸齒形排列，有如“之”字形一樣，因此叫它Z構(gòu)象(英文字Zigzag的第一個字母)。

Z－DNA有什么生物學意義呢

應(yīng)當指出Z－DNA的形成通常在熱力學上是不利的。因為Z－DNA中帶負電荷的磷酸根距離太近了，這會產(chǎn)生靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點。DNA解螺旋卻是DNA復制和轉(zhuǎn)錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此認為這一結(jié)構(gòu)與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。比如SV40增強子區(qū)中就有此結(jié)構(gòu)，又如鼠類微小病毒DNS復制區(qū)起始點附近有GC交替排列序列。?（四）、DNA的三級結(jié)構(gòu)

在DNA二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，雙螺旋的扭曲或再次螺旋就構(gòu)成了DNA的三級結(jié)構(gòu)，包括不同二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用、單鏈與二級結(jié)構(gòu)單元間的相互作用以及DNA的拓撲特征。

具有三級結(jié)構(gòu)的DNA分子，與具有二級結(jié)構(gòu)的DNA分子相比，理化性質(zhì)有所不同，主要表現(xiàn)在：

(1)熔解溫度高

(2)分子結(jié)構(gòu)緊密：所以粘度較低、浮力密度較大，沉降速度較快

(3)抗pH變化能力強：需用較高的pH才能將其超螺旋結(jié)構(gòu)中的堿基破壞。

超螺旋(superhelix或supercoil)是DNA三級結(jié)構(gòu)的一種形式。 當DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構(gòu)象存在時，雙螺旋處于能量最低的狀態(tài)，此為松弛態(tài)。如果是這種正常的DNA分子額外的多轉(zhuǎn)幾圈或少轉(zhuǎn)幾圈，就會使雙螺旋中存在張力。 當雙螺旋分子末端是開放的，這種張力可以通過鏈的轉(zhuǎn)動而釋放出來，DNA將恢復正常的雙螺旋狀態(tài)。 但如果DNA分子的兩端是固定的，或是環(huán)狀分子，這種額外的張力就不能釋放出來，DNA分子本身就會發(fā)生扭曲，用以抵消張力。 這種扭曲就稱為超螺旋，它是雙螺旋的螺旋。1、超螺旋

有些單鏈環(huán)形染色體(如φ×174)或雙鏈線形染色體(如噬菌體λ)，在其生活周期的某一階段，也必將其染色體變?yōu)槌菪问健? 對于真核生物來說，雖然其染色體多為線形分子，但其DNA均與蛋白質(zhì)相結(jié)合，兩個結(jié)合點之間的DNA形成一個突環(huán)(loop)結(jié)構(gòu)，類似于CCC分子，同樣具有超螺旋形式。 超螺旋按其方向分為正超螺旋和負超螺旋兩種。真核生物中，DNA與組蛋白八聚體形成核小體結(jié)構(gòu)時，存在著負超螺旋。研究發(fā)現(xiàn)，所有的DNA超螺旋都是由DNA拓撲異構(gòu)酶產(chǎn)生的。2、染色質(zhì)和核小體

1.染色質(zhì)

真核生物的染色體(chromosome)在細胞生活周期的大部分時間里都是以染色質(zhì)(chromatin)的形式存在的。染色質(zhì)是一種纖維狀結(jié)構(gòu)，叫做染色質(zhì)絲，它是由最基本的單位—核小體(nucleosome)成串排列而成的。DNA是染色體的主要化學成分，也是遺傳信息的載體，約占染色體全部成分的27%，另外組蛋白和非組蛋白占66%，RNA占6%。組蛋白(histones)是一種堿性蛋白質(zhì)，等電點一般在pH10.0以上，其特點是富含二種堿性氨基酸(賴氨酸和精氨酸)，根據(jù)這兩種氨基酸在蛋白質(zhì)分子中的相對比例，將組蛋白分為五種類型：H1

、H2A、H2B、H3

和H4

?，F(xiàn)已證明：H1是與核小體的核心顆粒相當靠近的，認為它位于連接DNA上。五種組蛋白不僅在同一生物的不同組織中完全一樣，在不同的真核生物中也很相似。組蛋白對染色體中DNA的包裝有十分重要的作用。 2.核小體

核小體是構(gòu)成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，使得染色質(zhì)中DNA、RNA和蛋白質(zhì)組織成為一種致密的結(jié)構(gòu)形式。 核小體由核心顆粒(coreparticle)和連接區(qū)DNA(linkerDNA)二部分組成，在電鏡下可見其成捻珠狀。

核心顆粒包括組蛋白H2A，H2B，H3和H4各兩分子構(gòu)成的致密八聚體(又稱核心組蛋白)，以及纏繞其上一又四分之三圈長度為146bp的DNA鏈。 連接區(qū)DNA包括兩相鄰核心顆粒間約60bp的連接DNA和位于連接區(qū)DNA上的組蛋白H1，連接區(qū)使染色質(zhì)纖維獲得彈性。核小體是DNA緊縮的第一階段，在此基礎(chǔ)上，DNA鏈進一步折疊成每圈六個核小體，直徑30nm的纖維狀結(jié)構(gòu)，這種30nm纖維再扭曲環(huán)繞染色體骨架(Scaffold)形成棒狀的染色體，最終壓縮將近一萬倍(8400倍)。這樣，才使每個染色體中幾厘米長(如人染色體的DNA分子平均長度為4cm)的DNA分子容納在直徑數(shù)微米(如人細胞核的直徑為6－7μm)的細胞核中。染色體包裝的結(jié)構(gòu)模型壓縮倍數(shù)76405計:8400DNA核小體螺線管超螺線管染色單體一級包裝二級包裝三級包裝四級包裝核小體的形成以及DNA超螺旋結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系還不十分清楚，可能與基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)控制有關(guān)。

基因與基因組（P115-117）1.基因是染色體上的一段特定DNA片段2.單倍體與二倍體3.等位基因與復等位基因4.基因組按功能和結(jié)構(gòu)分類5.基因組學——基因的結(jié)構(gòu)與功能二、

RNA的分子結(jié)構(gòu)（一）、RNA的類型1、rRNA(ribosomalRNA)

占細胞中全部RNA的80%，是蛋白質(zhì)生物合成的場所，存在于核蛋白體內(nèi)。核蛋白體(ribosome)又稱為核糖體或核糖核蛋白體。它是細胞內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成的場所。rRNA是構(gòu)成核蛋白體的骨架，原核生物核蛋白體中蛋白質(zhì)約占1/3，rRNA約占2/3，真核生物中則各占一半。核蛋白體有兩個亞基組成，一個稱為大亞基，另一個稱為小亞基，兩個亞基都含有rRNA和蛋白質(zhì)，但其種類和數(shù)量卻不相同。原核生物和真核生物核蛋白體亞基的比較原核生物（E.coli）真核生物核蛋白體70S80S大亞基50S60S小亞基30S40S大亞基組成23S,5SrRNA+34種Pr28S,5.8S,5SrRNA+40種Pr小亞基組成16SrRNA+21種Pr18SrRNA+30種Pr2.tRNA(transferRNA)

是細胞中一類最小的RNA，約占細胞中

RNA總量的15%。在蛋白質(zhì)生物合成中起攜帶氨基酸的作用，它的名稱也由此而來。但它的生理功能不僅僅是轉(zhuǎn)運氨基酸，它在蛋白質(zhì)生物合成的起始作用中，在DNA逆轉(zhuǎn)錄合成及其它代謝調(diào)節(jié)中也起重要作用。3.mRNA(messengerRNA)

它是蛋白質(zhì)生物合成的模板。含量少，約占RNA總量的3%~5%，代謝活躍，更新迅速，半衰期較短。

4.其它類型RNA（122-123）

核不均一RNA（HnRNA，heterogeneousRNA）核小RNA（SnRNA，smallnuclearRNA）染色體RNA（ChRNA，chromosomalRNA）干擾小RNA（siRNA）與微RNA（miRNA）（二）、RNA的結(jié)構(gòu)特征RNA基本組成單位是AMP，GMP，CMP，UMP。每分子RNA由多個NMP組成，連接鍵為3’,5’-磷酸二酯鍵。RNA主要是單鏈結(jié)構(gòu)，但會形成局部雙鏈（hairpinstructure，發(fā)夾結(jié)構(gòu)）。RNA容易被堿水解。(三)、參與蛋白質(zhì)生物合成的RNA結(jié)構(gòu)

1、tRNA的結(jié)構(gòu)每種氨基酸都有2~6種相應(yīng)的tRNA，書寫時在右上角注上氨基酸縮寫符號，如tRNAPhe代表轉(zhuǎn)運苯丙氨酸的tRNA。 共同特點：

1.分子量在25KD左右，由70~90個核苷酸組成，沉降系數(shù)在4S左右；

2.堿基組成中有較多的稀有堿基；

3.3’-末端都為—pCCAOH，用來接受活化的氨基酸。所以這個末端稱為接受末端；4.5’-末端大多為pGGG—,也有為pCCC—的。5.二級結(jié)構(gòu)呈三葉草形

(cloverleaf)。雙螺旋區(qū)構(gòu)成了葉柄，突環(huán)(loop)區(qū)好像是三葉草的三片小葉。由于雙螺旋結(jié)構(gòu)所占比例甚高，tRNA的二級結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。三葉草形結(jié)構(gòu)由氨基酸臂、二氫尿嘧啶環(huán)、反密碼環(huán)、額外環(huán)和TψC環(huán)等五部分組成。(1)氨基酸臂

(aminoacidarm)由七對堿基組成，富含鳥嘌呤，末端為—CCA，在蛋白質(zhì)生物合成時，用于連接活化的相應(yīng)氨基酸。(2)二氫尿嘧啶環(huán)

(dihydrouridineloop,DhUloop)由8~12個核苷酸組成，含有兩個二氫尿嘧啶，因此得名。通過有3~4對堿基組成的雙螺旋區(qū)(二氫尿嘧啶臂)與tRNA的其余部分相連。

(3)反密碼環(huán)

(anticodonloop)由7個核苷酸組成，環(huán)中部為反密碼子，由三個堿基組成。次黃嘌呤核苷酸常出現(xiàn)于反密碼子中。反密碼環(huán)通過有5對堿基組成的雙螺旋區(qū)(反密碼臂)與tRNA的其余部分相連。

(4)額外環(huán)

(extraloop)由3~18個核苷酸組成，不同的tRNA具有不同大小的額外環(huán)，所以它是tRNA分類的重要指標。

(5)假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(TψC環(huán))由7個核苷酸組成，通過有5對堿基組成的雙螺旋區(qū)(TψC臂)與tRNA的其余部分相連。6.三級結(jié)構(gòu)的形狀象一個倒寫的L字母

2、mRNA的結(jié)構(gòu)mRNA為傳遞DNA的遺傳信息并指導蛋白質(zhì)合成的一類RNA分子。即mRNA是以DNA為模板合成的；mRNA又是蛋白質(zhì)合成的模板（這兩部分內(nèi)容在第九章中將會詳細討論）。每一種多肽都由一種特定的mRNA負責編碼，所以細胞內(nèi)mRNA種類很多，但就每一種mRNA而言含量又十分低，同時mRNA半衰期也較短。所以也可以說明為什么mRNA的發(fā)現(xiàn)比rRNA和tRNA要遲。分子量大小不一，由幾百至幾千個核苷酸組成。極大多數(shù)真核細胞mRNA在3’末端有一段長約200個堿基的多聚腺苷酸（polyA）----與衰老有關(guān)系。真核mRNA的5’末端有一特殊結(jié)構(gòu)：7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸，稱為帽子結(jié)構(gòu)，與蛋白質(zhì)生物合成的起始有關(guān)。mRNA分子中有編碼區(qū)和非編碼區(qū)，后者與蛋白質(zhì)合成的調(diào)控有關(guān)。每分子mRNA可與幾個至幾十個核糖體結(jié)合