第六章 核酸

提要 

一.概述

核酸分类 分布与功能 

二.核苷酸

碱基 嘌呤与嘧啶 DNA与RNA中的核苷与核苷酸 多磷酸核苷酸 环核苷酸

三.DNA的结构

磷酸二酯键 DNA的一级结构 DNA的二级结构 DNA的三级结构 DNA的拓扑结构

四.RNA的结构

DNA与RNA的区别 RNA的种类与功能 tRNA的结构特点 mRNA的结构特点

五.核酸的理化性质

紫外吸收 DNA的变性与复性 限制性内切酶 

第一节 概述一发现

核酸占细胞干重的5－15％，1868年被瑞士医生Miescher发现，称为“核素”。在很长时间内，流行“四核苷酸假说”，认为核酸是由等量的四种核苷酸构成的，不可能有什么重要功能。

1944年Oswald Avery通过肺炎双球菌的转化实验首次证明DNA是遗传物质。正常肺炎双球菌有一层粘性发光的多糖荚膜，有致病性，称为光滑型（S型）；一种突变型称为粗糙型（R型），无荚膜，没有致病能力（缺乏UDP-葡萄糖脱氢酶）。1928年，格里菲斯发现肺炎双球菌的转化现象，即将活的粗糙型菌和加热杀死的光滑型菌混合液注射小鼠，可致病，而二者单独注射都无致病性。这说明加热杀死的光滑型菌体内有一种物质使粗糙型菌转化为光滑型菌。艾弗里将加热杀死的光滑型菌的无细胞抽提液分级分离，然后测定各组分的转化活性，于1944年发表论文指出“脱氧核糖型的核酸是型肺炎球菌转化要素的基本单位”。

其实验证据如下：

1.纯化的、有高度活性的转化要素的化学元素分析与计算出来的DNA组成非常接近。

2.纯化的转化要素在光学、超速离心、扩散和电泳性质上与DNA的相似。

3.其转化活性不因抽取去除蛋白质或脂类而损失。

4.用胰蛋白酶和糜蛋白酶处理不影响其转化活性。

5.用RNA酶处理也不不影响其转化活性。

6. DNA酶可使其转化活性丧失。

艾弗里的论文发表后，有些人仍然坚持蛋白质是遗传物质，认为他的分离不彻底，是混杂的微量的蛋白质引起的转化。1952年，Hershey和Chase的T2噬菌体旋切实验彻底证明遗传物质是核酸，而不是蛋白质。他们用35S标记蛋白质，用32P标记核酸。用标记的噬菌体感染细菌，然后测定宿主细胞的同位素标记。当用硫标记的噬菌体感染时，放射性只存在于细胞外面，即噬菌体的外壳上；当用磷标记的噬菌体感染时，放射性在细胞内，说明感染时进入细胞的是DNA，只有DNA是连续物质，所以说DNA是遗传物质。

1956年，Fraenkel Conrat的烟草花叶病毒（TMV）重建实验证明，RNA也可以作为遗传物质。把TMV在水和酚中震荡，使蛋白质与RNA分开，然后分别感染烟草，只有RNA可以使烟草感染，产生正常后代。

1953年DNA的双螺旋结构模型建立，被认为是本世纪自然科学的重大突破之一。由此产生了分子生物学、分子遗传学、基因工程等学科和技术，此后的30年间，核酸研究共有15次获得诺贝尔奖，占总数的1/4，可见核酸研究在生命科学中的重要地位。

二、核酸的分类

核酸是由核苷酸组成的大分子，分子量最小的是转运RNA，分子量25kd左右；人类染色体DNA分子量高达1011kd。核酸分为DNA和RNA两类，DNA主要集中在细胞核中，在线粒体和叶绿体中也有少量DNA。RNA主要分布在细胞质中。对病毒来说，或只含DNA，或只含RNA。因此可将病毒分为DNA病毒和RNA病毒。

核酸可分为单链（single strand，ss）和双链（double strand，ds）。DNA一般为双链，作为信息分子；RNA单双链都存在。

第二节 核苷酸一、核苷酸的结构

核苷酸可分解成核苷和磷酸，核苷又可分解为碱基和戊糖。因此核苷酸由三类分子片断组成。戊糖有两种，D-核糖和D-2-脱氧核糖。因此核酸可分为两类：DNA和RNA。

（一）碱基（base）

核酸中的碱基分为两类：嘌呤和嘧啶。

1.嘧啶碱（pyrimidine,py） 是嘧啶的衍生物，共有三种：胞嘧啶(cytosine,Cyt)、尿嘧啶(uracil,Ura)和胸腺嘧啶(thymine,Thy)。其中尿嘧啶只存在于RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，但在某些tRNA中也发现有极少量的胸腺嘧啶。胞嘧啶为两类核酸所共有，在植物DNA中还有5-甲基胞嘧啶，一些大肠杆菌噬菌体核酸中不含胞嘧啶，而由5-羟甲基胞嘧啶代替。因为受到氮原子的吸电子效应影响，嘧啶的2、4、6位容易发生取代。

2.嘌呤碱(purine,pu) 由嘌呤衍生而来，常见的有两种：腺嘌呤(adenine,Ade)和鸟嘌呤(guanine,Gua)。嘌呤分子接近于平面，但稍有弯曲。自然界中还有黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸、茶叶碱、可可碱和咖啡碱。前三种是嘌呤核苷酸的代谢产物，是抗氧化剂，后三种含于植物中，是黄嘌呤的甲基化衍生物，具有增强心脏功能的作用。

此外，一些植物激素，如玉米素、激动素等也是嘌呤类物质，可促进细胞的分裂、分化。一些抗菌素是嘌呤衍生物。如抑制蛋白质合成的嘌呤霉素，是腺嘌呤的衍生物。

生物体中（A+T）/（G+C）称为不对称比率，不同生物有所不同。比如人的不对称比率为1.52，酵母为79，藤黄八叠球菌为0.35。

3.稀有碱基 除以上五种基本的碱基以外，核酸中还有一些含量极少的稀有碱基，其中大多数是甲基化碱基。甲基化发生在核酸合成以后，对核酸的生物学功能具有重要意义。核酸中甲基化碱基含量一般不超过5％，但tRNA中可高达10％。

（二）核苷

核苷是戊糖与碱基缩合而成的。糖的第一位碳原子与嘧啶的第一位氮原子或嘌呤的第九位氮原子以糖苷键相连，一般称为N-糖苷键。戊糖是呋喃环，C1是不对称碳原子，核酸中的糖苷键都是β糖苷键。碱基与糖环平面互相垂直。糖苷的命名是先说出碱基名称，再加“核苷”或“脱氧核苷”。

在tRNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用Ψ表示），它的核糖与嘧啶环的C5相连。

规定用三字母符号表示碱基，用单字母符号表示核苷，前面加d表示脱氧核苷。戊糖的原子用带'的数字编号，碱基用不带'的数字编号。

（三）核苷酸

核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸。核糖核苷的糖环上有三个羟基，可形成三种核苷酸：2'、3'和5'-核糖核苷酸。脱氧核糖只有3'和5'两种。生物体内游离存在的多是5'核苷酸。用碱水解RNA可得到2'和3'核糖核苷酸的混合物。

稀有碱基也可形成相应的核苷酸。在天然DNA中已找到十多种脱氧核糖核苷酸，在RNA中找到了几十种核糖核苷酸。

（四）多磷酸核苷酸

细胞内有一些游离的多磷酸核苷酸，它们具有重要的生理功能。5'-NDP是核苷的焦磷酸酯，5'-NTP是核苷的三磷酸酯。最常见的是5'-ADP和5'-ATP。ATP上的磷酸残基由近向远以αβγ编号。外侧两个磷酸酯键水解时可释放出7.3千卡能量，而普通磷酸酯键只有2千卡，所以被称为高能磷酸键（～P）。因此ATP在细胞能量代谢中起极其重要的作用，许多化学反应需要由ATP提供能量。高能磷酸键不稳定，在1NHCl中，100℃水解7分钟即可脱落，而α磷酸则稳定得多。利用这一特性可测定ATP和ADP中不稳定磷的含量。

细胞内的多磷酸核苷酸常与镁离子形成复合物而存在。GTP,CTP,UTP在某些生化反应中也具有传递能量的作用，但不普遍。UDP在多糖合成中可作为携带葡萄糖的载体，CDP在磷脂的合成中作为携带胆碱的载体。各种三磷酸核苷酸都是合成DNA或RNA的前体。

鸟嘌呤核苷四磷酸酯和五磷酸酯在代谢调控中起作用，在大肠杆菌中，它们参与rRNA合成的控制。

（五）环化核苷酸

磷酸同时与核苷上两个羟基形成酯键，就形成环化核苷酸。最常见的是3',5'-环化腺苷酸(cAMP) 和cGMP。它们是激素作用的第二信使，起信号传递作用。可被磷酸二酯酶催化水解，生成相应的5'-核苷酸。

二、有关缩写符号

碱基用三字母符号表示，核苷用大写单字母符号表示，前面加d表示脱氧核苷。戊糖的原子用带'的数字编号，碱基用不带'的数字编号。

稀有核苷（修饰核苷）也用单字母符号表示，如D表示二氢尿嘧啶核苷，T表示胸苷。如果碱基上有修饰基团，就在表示核苷的大写字母前加上代表修饰基团的小写字母，在这个小写字母的右上方写明修饰位置，右下方写明修饰基团的数量（如只有一个可省略）。如m2G表示2-N-甲基鸟苷，m2，2，73G表示N2,N2,7-三甲基鸟苷，S4U表示4-硫代尿苷。核糖上的修饰基团写在表示核苷的大写字母右边，如Cm表示2'-O-甲基胞苷。

核苷酸可在核苷符号旁加小写p表示，写在左边表示5'核苷酸，写在右边表示3'核苷酸。写几个就表示几个磷酸。3',5'-环化核苷酸可在前面加小写c，2',3'-环化核苷酸可在核苷符号后加〉P，如U〉P表示2',3'-环化尿苷酸。

三、核苷酸的功能

1.作为核酸的成分。

2.为需能反应提供能量。UTP用于多糖合成，GTP用于蛋白质合成，CTP用于脂类合成，ATP用于多种反应。

3.用于信号传递。如cAMP、cGMP是第二信使。

4.参与构成辅酶。如NAD、FAD、CoA等都含有AMP成分。

5.参与代谢调控。如鸟苷四磷酸等可抑制核糖体RNA的合成。又如反义RNA。

第三节  DNA的结构　

一、DNA的一级结构

1.定义

DNA是由成千上万个脱氧核糖核苷酸聚合而成的多聚脱氧核糖核酸。它的一级结构是它的构件的组成及排列顺序，即碱基序列。

2.结构

在DNA分子中，相邻核苷酸以3'，5'－磷酸二酯键连接构成长链，前一个核苷酸的3'－羟基与后一个核苷酸的5'－磷酸结合。链中磷酸与糖交替排列构成脱氧核糖磷酸骨架，链的一端有自由的5'－磷酸基，称为5'端；另一端有自由3'－羟基，称为3'端。在DNA中，每个脱氧核糖连接着碱基，碱基的特定序列携带着遗传信息。

3.书写

书写DNA时，按从5'向3'方向从左向右进行，并在链端注明5'和3'，如5'pApGpCpTOH3'。也可省略中间的磷酸，写成pAGCT。这是文字式缩写。还有线条式缩写，用竖线表示戊糖，1'在上，5'在下。

二、DNA的二级结构

（一）双螺旋结构的建立

DNA双螺旋结构的阐明，是本世纪最重大的自然科学成果之一。在40年代，人们已经发现脱水DNA的密度很高，X射线衍射表明DNA中有0.34nm和3.4nm的周期性结构。1950年，Chargaff通过对碱基的分析发现了互补配对规律：在任何DNA中，A=T，G=C，所以有A+G=T+C。

1953年Watson和Crick根据Wilkins的DNAX-射线衍射数据和碱基组成规律，建立了DNA的双螺旋结构模型，从而揭开了现代分子生物学的序幕。当年Watson只有24岁，在剑桥Cavendish实验室进修，他在美国时就认识到核酸的重要性，所以在大家都在研究蛋白质时致力于核酸研究，从而得到了划时代的成果。

Watson和Crick阐明的是B-DNA结晶的结构模型，与细胞内存在的DNA大体一致。近年来又发现，局部DNA还可以其他双螺旋或三螺旋的形式存在。

（二）B-DNA双螺旋结构的要点

1.基本结构

DNA双螺旋是由两条反向、平行、互补的DNA链构成的右手双螺旋。两条链的脱氧核糖磷酸骨架反向、平行地按右手螺旋走向，绕一个共同的轴盘旋在双螺旋的外侧，两条链的碱基一一对应互补配对，集中地平行排列在双螺旋的中央，碱基平面与轴垂直。DNA双螺旋中的两条链互为互补链。

2.基本数据

双螺旋外径2nm，螺距3.4nm，每10对碱基上升一圈。因此每对碱基距离0.34nm，夹角36度。

3. 作用力

有两种作用力稳定双螺旋的结构。在水平方向是配对碱基之间的氢键，A=T对形成两个氢键，GC对形成三个氢键。这些氢键是克服两条链间磷酸基团的斥力，使两条链互相结合的主要作用力。在垂直方向，是碱基对平面间的堆积力。堆积力是疏水力与范德华力的共同体现。氢键与堆积力两者本身都是一种协同性相互作用，两者之间也有协同作用。

4.大小沟

脱氧核糖磷酸骨架并未将碱基对完全包围起来，在双螺旋表面有两个与双螺旋走向一致的沟，一个较深较宽，称大沟；一个较窄较浅，称小沟。大沟一侧暴露出嘌呤的C6、N7和嘧啶的C4、C5及其取代基团；小沟一侧暴露出嘌呤的C2和嘧啶的C2及其取代基团。因此从两个沟可以辨认碱基对的结构特征，各种酶和蛋白因子可以识别DNA的特征序列。

5.修正

以上模型是DNA的平均特征，由于碱基序列的影响，在局部会有所差异。如两个核苷酸之间的夹角可以从28度到42度不等，互补配对的碱基之间有一定夹角，称为螺旋桨状扭曲。螺旋一圈含有10.4个碱基对。

（三）DNA的其他结构

DNA纤维在92％的相对湿度下可形成B-DNA。DNA钠盐、钾盐或钙盐在75％的相对湿度下可形成A型结构，它也是右手螺旋，但碱基略有倾斜（19度），螺距和骨架结构也稍有不同，每匝11个碱基对，短粗。其生物学意义在于它与双链RNA及DNA-RNA杂合体在溶液中的构象极其相似。由于2'－羟基的存在，RNA不易采取B型构象，所以在转录时，DNA要采取A型构象。一些有机溶剂和蛋白质可将B型DNA变成A型构象。

在66％相对湿度的DNA锂盐纤维中发现有C型结构。可以认为C型构象在浓盐溶液和乙二醇溶液中发生。此时堆积力降低，氢键结合能量相对增加。C型结构也是右手螺旋，存在于染色质和某些病毒中。此外还有D型及被称为T和P的两种亚稳态结构。富含A-T对的DNA区域有较大的结构多样性。

DNA还有左手螺旋，即Z-DNA。其骨架呈锯齿走向，在嘌呤与嘧啶交替排列的寡聚DNA中发现，也是反平行互补的双螺旋，每匝12个碱基对，螺旋细长。这说明DNA的碱基序列不仅储存遗传信息，也储存了自身高级结构的信息。Z-DNA作为特殊的结构标志，与基因表达的调控有关。

三、DNA的三级结构

（一）超螺旋

DNA的三级结构是指双螺旋的进一步扭曲。其基本形式是超螺旋，即螺旋的螺旋。三级结构决定于二级结构。B-DNA以每10个碱基一圈盘绕时能量最低，处于伸展状态；当盘绕过多或不足时，就会出现张力，形成超螺旋。盘绕过多时形成正（右手）超螺旋，不足时为负超螺旋。因为超螺旋是在双螺旋的张力下形成的，所以只有双链闭合环状DNA和两端固定的线形DNA才能形成超螺旋，有切口的DNA不能形成超螺旋。无论是真核生物的双链线形DNA，还是原核生物的双链环形DNA，在体内都以负超螺旋的形式存在，密度一般为100－200bp一圈。DNA形成负超螺旋是结构与功能的需要。

（二）高级结构的动态变化

在细胞内DNA的高级结构是变化的。通过多种蛋白因子和酶的作用，改变DNA的二级结构和三级结构，是生物功能的需要。DNA的复制、转录、重组、修复，都伴随着其高级结构的变化。在生物体内，改变高级结构有以下三种方法：

在解链酶的作用下，破坏碱基对间的氢键，使DNA局部解链成为单链区，以增加未解链的双链区的盘绕数，从而增加正超螺旋或减少负超螺旋。

通过局部形成Z-DNA（左手）双螺旋，也可增加B-DNA部分的盘绕数，减少负超螺旋。

通过拓扑异构酶切断DNA的一条或两条链，在双螺旋张力的推动下，使断端绕互补链旋转，释放张力后再连接，可消除超螺旋，也可引入超螺旋。

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