生物化学核酸的结构与功能

生物化学核酸的结构与功能
核酸是由多个核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键相连的多聚物，分为rna和dna。

核酸的一级结构是指构成核酸的多聚核苷酸链上的所有核苷酸或硷基的排列顺序。

每一条线形多聚核苷酸链都具有极性，有5’-端和3’-端。

书写核酸一级结构的惯例是，从左到右先写5’- 端，再写3’- 端。

核酸一级结构的意义是储存生物体的遗传资讯。

dna的二级结构主要是各种形式的螺旋，特别是b型双螺旋，此外还有a型双螺旋、z型双螺旋、三链螺旋和四链螺旋等。

其中最主要的形式为watson和crick于1953年提出的b型双螺旋，其核心内容是：dna由两条呈反平行的多聚核苷酸链组成，它们相互缠绕形成右手双螺旋；两条链通过at硷基和gc硷基对互补结合在一起；硷基对位于双螺旋的内部，并垂直于暴露在外的脱氧核糖磷酸骨架。

硷基对之间的疏水键和範德华力对双螺旋的稳定起一定的作用；双螺旋的表面含有大沟和小沟；相邻硷基对距离为，相差约36°。

螺旋直径为2nm，每一转完整的螺旋含有10个bp，其高度为3.
4nm。

一定的条件下，双链dna可以从b型转变成其他螺旋构象，但在正常的细胞环境中能够存在的只有a、b、z。

引起dna双链构象改变因素有硷基组成和序列、盐的种类、盐浓度和相对溼度。

低溼度下，dna可形成a 型双螺旋。

dna与rna形成的杂交双链为a型双螺旋；嘌呤嘧啶相间排列的dna在高的盐浓度下可形成左旋的z-dna。

而体内m5c 上的甲基化被认为有利于b型向z 型的转变。

体内z-dna的形成可能与基因表达调控有关。

dna双螺旋结构的证据有x射线衍射资料、chargaff 规则和硷基的互变异构性质。

双螺旋稳定的因素有氢键、硷基堆积力和阳离子或带正电荷的化合物对磷酸基团的中和，其中起决定性作用的是硷基的堆积力。

三链螺旋结构即h-dna，它是dna的非标準二级结构，其形成需要至少dna 的一条链全部由嘌呤核苷酸组成。

在细胞内，h-dna经常出现在dna複製、转录
和重组的起始位点或调节位点。

dna的**结构为超螺旋。

dna超螺旋分为正超螺旋和负超螺旋，其中正超螺旋为左手超螺旋，因dna双螺旋过度缠绕引起，负超螺旋为右手超螺旋，因dna 双螺旋缠绕不足引起。

超螺旋dna可以通过连环数、扭转数、缠绕数和比连环差几种资料定量地表示。

负超螺旋dna很容易解链，有利于dna的複製、重组和转录。

但是，在dna 複製和转录过程中会形成不利的正超螺旋，细胞记忆体在的dna拓扑异构酶可及时清除正超螺旋。

rna的二级结构取决于硷基组成，有多种形式。

双连rna为a型双螺旋。

多数rna只有一条链，其二级结构主要由链内硷基的互补性决定，最常见的是茎环结构。

trna的二级结构像三叶草，含有四个环和四个茎。

按照从5′到3′的顺序，四个环依次是d环、反密码子环、可变环和tψc环。

在反密码子茎和tψc茎之间通常还有一个所谓的可变环或附加环。

四个茎依次是受体茎、d茎、反密码子茎和tψc茎。

臂有d臂、反密码子臂、tψc臂和氨基酸臂。

核糖体中的rna为rrna。

rrna分子上都有大量链内互补的序列，因此rrna高度摺叠，不同物种的同一型别的rrna上存在十分保守的摺叠样式。

构成rna的**结构的主要形式有假节结构、“吻式”髮夹结构和髮夹环突触结构等。

trna 的**结构是倒l型结构。

在倒l型结构中，氨基酸受体茎位于l 的一端，而d环和tψc环形成l的角。

rrna天然的**结构是在核糖体内与蛋白质在一起，蛋白质对其**结构有重要的影响。

dna与蛋白质形成的複合体最为重要的是染色质或染色体。

真核的基因组dna呈高度摺叠，并与一些特殊的蛋白质结合形成染色质。

在染色质上的蛋白质有组蛋白和非组蛋白两类。

染色质在细胞核为高度压缩的无定形的长纤维，有丝**的中期呈高度浓缩。

染色质分为常染色质和异染色质，常染色质在间期浓缩程度很低，染色淡，具有转录活性，而异染色质浓缩程度高，染色深，一般没有转录活性。

核小体为
染色质的一级结构。

染色体是基因组的结构单位，它由一个dna分子和与它相结合的蛋白质组成，一般呈高度浓缩的状态。

原核生物含有一个单一的连续环状染色体。

真核生物染色体为线形，有多个。

每一条染色体都含有三个重要的功能元件：自主複製序列、中心粒和端粒。

真核生物染色体的包装经历了核小体→30 nm纤维/螺线管→环→玫瑰花瓣→染色体的过程。

dna的功能是作为生物体的主要遗传物质。

而rna主要的生物功能有：充当rna病毒的遗传物质；作为核酶；参与翻译；作为引物，参与dna複製；参与rna 前体的后加工、参与基因表达的调控、参与蛋白质共翻译定向和分拣，以及参与x染色体的失活。

第十三章核酸的性质及研究方法
核酸的性质包括紫外吸收、酸硷解离、变性、复性和水解。

其中紫外吸收和酸硷解离与核苷酸有关，变性和复性与核酸的二级结构的破坏和恢复有关，水解与磷酸二酯键裂解有关。

核酸的变性是指核酸受到极端的ph、热或离子强度的降低等因素或特殊的化学试剂的作用，其双螺旋解链成单链的过程，其中并不涉及共价键断裂。

核酸变性时，紫外吸收和浮力密度升高，黏度降低，生物活性发生变化，其中紫外吸收增加的现象称为增色效应。

当各种变性因素不复存在的时候，变性时解开的互补单链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象称为复性。

热变性dna 一般经缓慢冷却后即可复性，此过程被称为退火。

伴随着dna 复性发生的是与其变性时发生的情形正好相反，其中紫外吸收减少的现象被称为减色效应。

这些性质的变化可用作检测核酸变性或复性的指标。

双链dna热变性是在很窄的温度内发生的，与晶体在熔点时突然熔化的情形相似，因此dna也具有“熔点”，用tm表示。

tm实际是dna的双螺旋有一半发生热变性时相应的温度。

dna的tm受到dna的均一性、g—c含量、离子强度和其他变性因素的影响。

某种dna 均一性越高，其tm範围就越窄；在溶剂条件固定的前提下，tm的高低取决于dna分子中的g—c的含量；dna溶液中的离子强度越高，tm就越高；
容易形成氢键的试剂能破坏硷基对之间的氢键，因此可以降低dna的tm。

某些蛋白质因为能够稳定dna单链状态也能降低tm。

rna的tm较为複杂，双链rna 的tm与dna相近。

单链rna内的双螺旋区域有限，因此变性性质变化程度不及dna，其tm较低、变性曲线较宽。

影响dna复性的因素有温度、离子强度、dna浓度和dna序列的複杂度等。

在研究dna序列对复性速度的影响时，将温度、离子强度、核酸片段大小等其他因素均给以固定，以不同程度的核酸分子重新缔合部分取对数对cot作图，以此来研究dna序列複杂度。

在标準条件下测得的复性率达时的cot值称为cot1，它与dna序列複杂度成正比。

原核生物dna的cot1可代表基因组的大小及基因组中硷基序列的複杂度。

真核基因组中因含有许多不同程度的重複序列，其cot曲线由若干个s曲线叠加而成。

核酸杂交是一种利用核酸分子的变性和复性的性质，将**不同的核酸片段，按照硷基互补配对规则形成异源双链的技术，它既可以在液相中也可以在固相中进行。

酸、硷和酶均可导致核酸水解。

核酸分子内的糖苷键和磷酸二酯键对酸的敏感性不同，糖苷键＞磷酸酯键；而嘌呤糖苷键＞嘧啶糖苷键。

rna的磷酸二酯键对硷极敏感，很容易水解成2′- 或3′- 核苷酸的混合物。

核酸可受到多种不同酶的作用而发生水解，不同的酶对底物的专一性、水解的方式和磷酸二酯键的断裂方式并不相同。

核酸的化学合成与多肽的人工合成的原理和基本步骤相似，都需要对核苷酸单体上的活性基团进行保护或去保护，对成键基团进行活化，一般都使用固相合成法等。

核酸的分离、纯化的基本原理也和蛋白质差不多，有沉澱、电泳和层析等方法。

紫外分光光度法可用来对核酸纯度检测和定量。

用来测定dna序列的基本方法有末端终止法、化学断裂法和焦磷酸法等。

在末端终止法基础上发展起来的dna序列分析自动化使用最为广泛。