生化学习笔记 第二章 核酸的化学

第二章 核酸的化学

第一节 核酸的化学组成

天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）。

一、核酸的基本组成单位

核酸是一种多聚核苷酸，组成单位——核苷酸。而核苷酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。

（一）戊糖

（二）碱基（base）

核酸中的碱基有两类：嘌呤碱和嘧啶碱。有5种基本的碱基外， DNA和RNA中常见的两种嘌呤碱是腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）。而嘧啶碱有所不同：RNA主要含胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U），DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine，T）。

tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基），多为甲基化的。

（三）核苷酸

是核苷的磷酸酯。生物体内游离存在的多是5＇- 核苷酸（如pA、pdG等）。常见的核苷酸为AMP、GMA、CMP、UMP。常见的脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；环化核苷酸（cAMP/cGMP）是细胞功能的调节分子和信号分子。ATP在能量代谢中起重要作用。

二、核苷酸的连接方式

RNA和DNA链都有方向性，从5＇→ 3＇。前一位核苷酸的3＇- OH与下一位核苷酸的5＇位磷酸基之间形成3＇，5＇-磷酸二酯键，从而形成一个没有分支的线性大分子，两个末端分别称为5＇末端和3＇末端。

第二节 DNA的分子结构

一、 DNA的一级结构 (primary stucture)

DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序，常被简单认为是碱基序列（base sequence）。碱基序有严格的方向性和多样性。一般将5＇- 磷酸端作为多核苷酸链的“头”，一般将3＇- 磷酸端作为多核苷酸链的“尾”。

二、DNA的二级结构——双螺旋(double helix)

1．两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。一条链为5＇→ 3＇，另一条为3＇→ 5＇。（某些病毒的DNA是单链分子ssDNA）

2．碱基在双螺旋内侧，A与T，G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。糖基-磷酸基骨架在外侧。表面有一条大沟和一小沟。

3．螺距为3.4 nm，含10个碱基对（bp），相邻碱基对平面间的距离为0.34nm。螺旋直径为2 nm。

氢键维持双螺旋的横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。

4．碱基在一条链上的排列顺序不受限制。遗传信息由碱基序所携带。

5．DNA构象有多态性。

三、DNA的三级结构

DNA 双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。

某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋，通过组装形成非常致密的超级结构。

1．环形DNA可形成超螺旋

螺旋具有相同的结构，但L值不同的分子称为拓扑异构体。DNA拓扑异构酶切断一条链或两条链，拓扑异构体可以相互转变。W的正表示双链闭环的螺旋圈在增加，W的负表示减少。L和T的正负表示螺旋方向，右手为正，左手螺旋为负；L值必定是整数。

四、DNA和基因组

1．DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。

基因组（genome）是某生物体所含的全部基因，即全部DNA或完整的单套遗传物质（配子中的整套基因）。

2．细菌、噬菌体、大多数动植物病毒的基因组即指单个DNA分子。

3．真核生物基因一般分布在若干条染色体上，其特点是：有重复序列（按重复次数分单拷贝序、中度重复序和高度重复序）；有断裂基因

第三节 RNA的分子结构

RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核苷酸组成。RNA链可以回折且通过A与U，G与C配对形成局部的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。

RNA主要分为tRNA、rRNA和mRNA三类。此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子RNA，如核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、胞质小RNA（scRNA）等，分别参与mRNA的前体（hnRNA）和rRNA的转运和加工过程。

一、转运RNA（transfer RNA，tRNA）

1．分子量最小的RNA，约占总RNA的15%。主要功能是在蛋白质生物合成过程中，起着转运氨基酸的作用。

2． tRNA的一级结构特点：核苷酸残基数在73~95；含有较多的稀有碱基（如mG、DHU等）；5＇-末端多为pG，3＇- 末端都是-CCA。

3．tRNA的二级结构为“三叶草”形，包括4个螺旋区、3个环及一个附加叉。各部分的结构都和它的功能有关。5＇端1~7位与近3＇端67~72位形成的双螺旋区称氨基酸臂，似“叶柄”，3＇端有共同的-CCA-OH结构，用于连接该RNA转运的氨基酸。3个环是二氢尿嘧啶环（D环）、反密码子环、TΨC环。

4． tRNA的三级结构呈倒L字母形，反密码环和氨基酸臂分别位于倒L的两端。

二、信使RNA（m RNA）

1．细胞内含量较少的一类RNA，约占总RNA的3%。其功能是将核内DNA的碱基顺序（遗传信息）按碱基互补原则转录至核糖体，指导蛋白质的合成。

2．种类多，作为不同蛋白质合成的模板，其一级结构差异很大。真核细胞的mRNA有不同于原核细胞的特点：3＇- 末端有多聚A（polyA）尾，5＇-末端加有一个“帽”式结构,（m7 Gppp）。

3．代谢活跃，寿命较短。

三、核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）

1．约占细胞总RNA的80%。主要功能是与多种蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。

2．核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。原核细胞的rRNA有3种，23S与5S rRNA在大亚基，16S在小亚基。真核细胞有4种rRNA，其中大亚基含28S、5.8S、5S，小亚基只有18S。

3. 各种rRNA的一级结构中的核苷酸残基数及其顺序都不相同，且有特定的二级结构。

第四节 核酸的性质

一、一般理化性质

1．都微溶于水，不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。

2．具有大分子的一般特性。

3．两性电解质。各种核酸的大小及所带的电荷不同，可用电泳和离子交换法分离。RNA在室温下易被稀碱水解，DNA较稳定，此特性用来测定RNA的碱基组成和纯化DNA。

4．紫外吸收，最大吸收峰在260nm处，核酸的变性或降解，吸光度A升高，称为增色效应。

二、核酸的变性和复性

1．变性的概念

在理化因素作用下，核酸的双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状态的过程。变性的因素有热、酸、碱、乙醇、尿素等。变性的本质是次级键的变化。变性的结果是紫外吸收值明显增加（增色效应），DNA粘度下降，生物学功能部分或全部丧失。

2．DNA的热变性和Tm

DNA热变性过程中，紫外吸收值增高，有一个特征性曲线称熔解曲线，通常将熔解曲线的中点，即紫外吸收值达到最大值50%时的温度称为解链温度，又叫熔点（Tm）。DNA的热变性是爆发式的，像结晶的溶解一样，只在很狭窄的温度范围内完成，一般在70~800C之间。变性温度与碱基组成、DNA长度及变性条件有关。GC含量越高，Tm越大；DNA越长，Tm越大；溶液离子强度增高，Tm增加。

3．DNA的复性与分子杂交

变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然双螺旋构象，这一现象称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火（annealing）。

影响复性速度的因素很多，如单链DNA的起始浓度、温度（最适复性温度是比Tm约低250C）、盐浓度、片断长度、序列复杂性等。

分子杂交是以核酸的变性和复性为基础，只要不同来源的核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA杂化双链，这个现象称为核酸分子杂交（hybridization）。