上海交大生物化学讲义

第三章核酸的结构和功能核酸（nucleic acid）错误！未找到引用源。

是重要的生物大分子，它的构件分子是核苷酸（nucleotide）错误！未找到引用源。

，天然存在的核酸可分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）错误！未找到引用源。

和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）错误！未找到引用源。

两类。

DNA贮存细胞所有的遗传信息，是物种保持进化和世代繁衍的物质基础。

RNA 中参与蛋白质合成的有三类：转移RNA（transfer RNA，tRNA）错误！未找到引用源。

，核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）错误！未找到引用源。

和信使RNA（messenger RNA，mRNA）错误！未找到引用源。

20世纪末，发现许多新的具有特殊功能的RNA，几乎涉及细胞功能的各个方面。

第一节核苷酸核苷酸可分为核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两类，核糖核苷酸是RNA的构件分子，而脱氧核糖核苷酸是DNA构件分子。

细胞内还有各种游离的核苷酸和核苷酸衍生物，它们具有重要的生理功能。

核苷酸由核苷（nucleoside）错误！未找到引用源。

和磷酸组成。

而核苷则由碱基（base）错误！未找到引用源。

和戊糖构成(图3-1)。

一、碱基构成核苷酸中的碱基是含氮杂环化合物，有嘧啶（pyrimidine）错误！未找到引用源。

和嘌呤（purine）错误！未找到引用源。

两类。

核酸中嘌呤碱主要是腺嘌呤和鸟嘌呤，嘧啶碱主要是胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶。

DNA和RNA中均含有腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶，而尿嘧啶主要存在于RNA中，胸腺嘧啶主要存在于DNA中。

在某些tRNA分子中也有胸腺嘧啶，少数几种噬菌体的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。

这五种碱基受介质pH的影响出现酮式、烯醇式互变异构体。

在DNA和RNA中，尤其是tRNA中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基（rare bases）错误！未找到引用源。

稀有碱基种类很多，大多数是甲基化碱基。

tRNA中含稀有碱基高达10%。

二、戊糖核酸中有两种戊糖DNA中为D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose），RNA中则为D-核糖（D-ribose）（图3-5）。

在核苷酸中，为了与碱基中的碳原子编号相区别核糖或脱氧核糖中碳原子标以C-1’，C-2’等。

脱氧核糖与核糖两者的差别只在于脱氧核糖中与2’位碳原子连结的不是羟基而是氢，这一差别使DNA在化学上比RNA稳定得多。

三、核苷核苷是戊糖与碱基之间以糖苷键（glycosidic bond）错误！未找到引用源。

相连接而成。

戊糖中C-1’与嘧啶碱的N-1或者与嘌吟碱的N9相连接，戊糖与碱基间的连接键是N-C键，一般称为N-糖苷键（图3-6）。

RNA中含有稀有碱基，并且还存在异构化的核苷。

如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用ψ表示），在它的结构中戊糖的C-1不是与尿嘧啶的N-1相连接，而是与尿嘧啶C-5相连接（图3-7）。

四、核苷酸核苷中的戊糖5’碳原子上羟基被磷酸酯化形成核苷酸。

核苷酸分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。

依磷酸基团的多少，有一磷酸核苷、二磷酸核苷、三磷酸核苷。

（图3-8）核苷酸在体内除构成核酸外，尚有一些游离核苷酸参与物质代谢、能量代谢与代谢调节，如三磷酸腺苷（ATP）是体内重要能量载体；三磷酸尿苷参与糖原的合成；三磷酸胞苷参与磷脂的合成；环腺苷酸（cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）作为第二信使，在信号传递过程中起重要作用；核苷酸还参与某些生物活性物质的组成：如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

第二节核酸的分子结构一、核酸的一级结构核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子。

组成DNA的脱氧核糖核苷酸主要是dAMP、dGMP、dCMP和dTMP，组成RNA的核糖核苷酸主要是AMP、GMP、CMP和UMP。

核酸中的核苷酸以3’，5’磷酸二酯键构成无分支结构的线性分子。

核酸链具有方向性，有两个末端分别是5’末端与3’末端。

5’末端含磷酸基团，3’末端含羟基。

核酸链内的前一个核苷酸的3’羟基和下一个核苷酸的5’磷酸形成3’,5’磷酸二酯键，故核酸中的核苷酸被称为核苷酸残基。

核酸链的结构见图3-10。

通常将小于50个核苷酸残基组成的核酸称为寡核苷酸（oligonucleotide）错误！未找到引用源。

，大于50个核苷酸残基称为多核苷酸（polynucleotide）错误！未找到引用源。

二、DNA的空间结构(一)DNA的二级结构DNA二级结构即双螺旋结构（double helix structure）错误！未找到引用源。

20世纪50年代初Chargaff等人分析多种生物DNA的碱基组成发现的规则。

DNA双螺旋模型的提出不仅揭示了遗传信息稳定传递中DNA半保留复制的机制，而且是分子生物学发展的里程碑。

DNA双螺旋结构特点如下：①两条DNA互补链反向平行。

②由脱氧核糖和磷酸间隔相连而成的亲水骨架在螺旋分子的外侧，而疏水的碱基对则在螺旋分子内部，碱基平面与螺旋轴垂直，螺旋旋转一周正好为10个碱基对，螺距为 3.4nm，这样相邻碱基平面间隔为0.34nm并有一个36◦的夹角。

③DNA双螺旋的表面存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），蛋白质分子通过这两个沟与碱基相识别。

④两条DNA链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起。

根据碱基结构特征，只能形成嘌呤与嘧啶配对，即A与T 相配对，形成2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键。

因此G与C之间的连接较为稳定（图3-12）。

⑤DNA双螺旋结构比较稳定。

维持这种稳定性主要靠碱基对之间的氢键以及碱基的堆集力（stacking force）。

生理条件下，DNA双螺旋大多以B型形式存在。

右手双螺旋DNA除B型外还有A 型、C型、D型、E型。

此外还发现左手双螺旋Z型DNA。

Z型DNA是1979年Rich等在研究人工合成的CGCGCG的晶体结构时发现的。

Z-DNA的特点是两条反向平行的多核苷酸互补链组成的螺旋呈锯齿形，其表面只有一条深沟，每旋转一周是12个碱基对。

研究表明在生物体内的DNA分子中确实存在Z-DNA区域，其功能可能与基因表达的调控有关（图3-13）。

DNA二级结构还存在三股螺旋DNA，三股螺旋DNA中通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合，三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子内（图3-14）。

三股螺旋DNA存在于基因调控区和其他重要区域，因此具有重要生理意义。

（二）DNA三级结构——超螺旋结构DNA三级结构是指DNA链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构。

生物体内有些DNA是以双链环状DNA形式存在，如有些病毒DNA，某些噬菌体DNA，细菌染色体与细菌中质粒DNA，真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNA都是环状的。

环状DNA分子可以是共价闭合环，即环上没有缺口，也可以是缺口环，环上有一个或多个缺口。

在DNA双螺旋结构基础上，共价闭合环DNA（covalently close circular DNA）错误！未找到引用源。

可以进一步扭曲形成超螺旋形（super helical form）错误！未找到引用源。

（图3-15 ）。

根据螺旋的方向可分为正超螺旋和负超螺旋。

正超螺旋使双螺旋结构更紧密，双螺旋圈数增加，而负超螺旋可以减少双螺旋的圈数。

几乎所有天然DNA中都存在负超螺旋结构。

（三）DNA的四级结构——DNA与蛋白质形成复合物在真核生物中其基因组DNA要比原核生物大得多，如原核生物大肠杆菌的DNA约为4.7×103kb，而人的基因组DNA约为3×106 kb，因此真核生物基因组DNA通常与蛋白质结合，经过多层次反复折叠，压缩近10 000倍后，以染色体形式存在于平均直径为5μm的细胞核中。

线性双螺旋DNA折叠的第一层次是形成核小体（nucleosome）错误！未找到引用源。

犹如一串念珠, 核小体由直径为11nm×5.5nm的组蛋白核心和盘绕在核心上的DNA 构成。

核心由组蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子组成，为八聚体，146 bp长的DNA 以左手螺旋盘绕在组蛋白的核心1.75圈，形成核小体的核心颗粒，各核心颗粒间有一个连接区，约有60 bp双螺旋DNA和1个分子组蛋白H1构成。

平均每个核小体重复单位约占DNA 200 bp（图3-16）。

DNA组装成核小体其长度约缩短7倍。

在此基础上核小体又进一步盘绕折叠，最后形成染色体（图3-17）。

三、基因与基因组（一）基因（gene）错误！未找到引用源。

的现代分子生物学概念是指能编码有功能的蛋白质多肽链或合成RNA所必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能单位。

一个基因通常包括编码蛋白质多肽链或RNA的编码序列，保证转录和加工所必需的调控序列和5’端、3’端非编码序列。

另外在真核生物基因中还有内含子等核酸序列（图3-18）。

（二）基因组（genome）错误！未找到引用源。

是指一个细胞或病毒所有基因及间隔序列，储存了一个物种所有的遗传信息。

在病毒中通常是一个核酸分子的碱基序列，单细胞原核生物是它仅有的一条染色体的碱基序列，而多细胞真核生物是一个单倍体细胞内所有的染色体。

如人单倍体细胞的23条染色体的碱基序列。

多细胞真核生物起源于同一个受精卵，其每个体细胞的基因组都是相同的。

1. 病毒基因组2.原核生物基因组3.真核生物基因组在高等真核生物中基因序列占整个基因组不到10%，大部分是非编码的间隔序列。

人类基因组研究结果发现在人的基因组中与蛋白质合成有关的基因只占整个基因组2 %。

真核生物基因组的最大的特点是出现分隔开的基因，在这类基因中有编码作用的序列称外显子（exon）错误！未找到引用源。

，没有编码作用的序列称内含子（intron）错误！未找到引用源。

，它们彼此间隔排列（见图3-18）。

四、各类RNA的结构绝大部分RNA分子都是线状单链，但是RNA分子的某些区域可自身回折进行碱基互补配对，形成局部双螺旋。

在RNA局部双螺旋中A与U配对、G与C配对，除此以外，还存在非标准配对，如G与U配对。

RNA分子中的双螺旋与A型DNA双螺旋相似，而非互补区则膨胀形成凸出（bulge）或者环（loop），这种短的双螺旋区域和环称为发夹结构（hairpin）（图3-19）。

发夹结构是RNA中最普通的二级结构形式，二级结构进一步折叠形成三级结构，RNA只有在具有三级结构时才能成为有活性的分子。

RNA也能与蛋白质形成核蛋白复合物，RNA的四级结构是RNA与蛋白质的相互作用。

（一）tRNA的结构tRNA约占总RNA的15%，tRNA主要的生理功能是在蛋白质生物合成中转运氨基酸和识别密码子，细胞内每种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA，因此tRNA的种类很多，在细菌中约有30~40种tRNA，在动物和植物中约有50~100种tRNA。