第一章核酸的结构与性质.

第一章：核酸的结构与性质核酸分为两类：核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）。

前者是核苷酸的聚合物，后者是脱氧核苷酸的聚合物。

第一节DNA的结构一、DNA的化学组成DNA的组成单位是脱氧核苷酸（deoxynucleotide）。

脱氧核苷酸有三个组成成分：一个磷酸基团(phosphate)，一个2’-脱氧核糖（2’-deoxyribose）和一个碱基(base)。

1、碱基构成DNA的碱基可以分为两类，嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）。

嘌呤为双环结构(Bicyclic)，包括腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤(guanine)，这两种嘌呤有着相同的基本结构，只是附着的基团不同。

而嘧啶为单环结构(monocyclic)，包括胞嘧啶(cytosine)和胸腺嘧啶(thymine)，它们同样有着相同的基本结构。

2、脱氧核苷嘌呤的N9和嘧啶的N1通过糖苷键与脱氧核糖结合形成4种脱氧核苷（deoxynucleoside），分别称为2’－脱氧腺苷，2’－脱氧胸苷，2’－脱氧鸟苷和2’－脱氧胞苷。

3、脱氧核苷酸脱氧核苷酸由脱氧核苷和磷酸组成。

磷酸与脱氧核苷5’－碳原子上的羟基缩水成5’－脱氧核苷酸。

脱氧核苷单磷酸依次以磷酸二酯键相连形成多核苷酸链(polynucleotide)，即一个核苷酸的2’－脱氧核糖上的3’－羟基与另一核苷酸上的5’－磷酸基形成磷酸二酯键(phosphodiester group)。

多核苷酸链以磷酸二酯键为基础构成了规则的不断重复的糖－磷酸骨架，这是DNA结构的一个特点。

核苷酸的一个末端有一个游离的5’基团，另一端的核苷酸有一游离的3’基团。

人们习惯于从3’→5’方向书写核苷酸系列，即从左侧的5’端到右侧的3’端书写。

二、DNA双螺旋根据这一模型，双螺旋的两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手螺旋，一条是5’→3’，另一条3’→5’。

磷酸与脱氧核糖彼此通过3’、5’-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。

磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。

碱基平面与纵轴垂直(perpendicular to the helix axis)，糖环平面与纵轴平行。

两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起，形成碱基对。

位于两条DNA单链之间的碱基配对是高度特异的：腺嘌呤只与胸腺嘧啶配对，而鸟嘌呤只与胞嘧啶配对，结果是双螺旋的两条链的碱基序列有互补关系(complementary)，其中任何一条链的序列都严格决定了其对应链的序列。

碱基对杂环之间的相互作用称为碱基堆积（base stacking），可增加双螺旋的稳定性。

氢键对于碱基配对的特异性也非常重要。

设想我们试着使腺嘌呤和胞嘧啶配对，这样一个氢键受体（腺嘌呤的N1）对着另一氢键受体（胞嘧啶的N3）。

同样，两个氢键供体，腺嘌呤的C6和胞嘧啶的C4上的氨基基团也彼此相对，所以，A∶C碱基配对是不稳定的，碱基对无法形成氢键。

每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，螺距3.4 nm，双螺旋直径2nm。

DNA的两条单链彼此缠绕时，沿着双螺旋的走向形成两个交替分布的凹槽，一个较宽较深的凹槽，称为大沟（major groove)，另一个较窄较浅的为小沟（minor groove）。

每个碱基对的边缘都暴露于大沟、小沟中。

在大沟中，每一碱基对边缘的化学基团都有自身独特的分布模式。

因此，蛋白质可以根据大沟中的化学基团的排列方式准确地区分 A ∶T碱基对、T ∶A碱基对、G ∶C碱基对与C ∶G 碱基对。

这种区分非常重要，使得蛋白质无需解开双螺旋就可以识别DNA序列。

小沟的化学信息较少，对区分碱基对的作用不大。

在小沟中， A ∶T碱基对与T ∶A碱基对，G ∶C碱基对与 C ∶G碱基对看起来极其相似。

另外由于体积较小，氨基酸的侧链不大能够进入小沟之中。

三、DNA结构的多态性1、A－型双螺旋Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋。

然而以后的研究表明DNA的结构是动态的。

在相对湿度较低时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－DNA 的直径是2.6nm，每螺旋含11个碱基对，螺距 3.2 nm。

A型DNA的大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。

由于大沟、小沟是DNA行使功能时蛋白质的识别位点，所以由B－DNA变为A－DNA后，蛋白质对DNA分子的识别也发生了相应变化。

RNA和DNA-RNA杂合体会形成A－型双螺旋。

2、Z-型双螺旋除了A型DNA和B型DNA以外，还发现有一种Z型DNA。

A.Rich在研究CGCGCG寡聚体的结构时发现了这类DNA。

虽然，CGCGCG在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋(left handed)，所以这种DNA称左旋DNA。

目前仍然不清楚Z-DNA究竟具有何种生物学功能。

但实验证明，天然B-DNA的局部区域可以出现Z-DNA的结构，说明B-DNA与Z-DNA之间是可以互相转变的，并处于某种平衡状态，一旦破坏这种平衡，基因表达可能失控，所以推测Z-DNA可能和基因表达的调控有关。

3．H-DNAH-DNA是一种三股螺旋。

能够形成三股螺旋的DNA序列呈镜像对称，并且一条链为多聚嘌呤链，另一条链为多聚嘧啶链，例如(CT/AG)n。

三、DNA双螺旋的变性和复性1. DNA变性(denaturation)指DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。

变性时维持双螺旋稳定性的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构的改变。

凡能破坏双螺旋稳定性的因素，如加热、极端的pH、有机试剂（尿素及甲酰胺等），均可引起核酸分子变性。

2、复性（Renaturation）指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。

热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火(annealing)。

不同来源的核酸变性后，合并在一处进行复性，这时，只要这些核酸分子核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，复性也会发生于不同来源的核酸链之间，形成所谓的杂化双链(heteroduplex)，这个过程称为杂交(hybridization) 。

杂交可以发生于DNA与DNA之间，也可以发生于RNA与RNA之间和DNA 与RNA之间。

核酸杂交技术是目前研究核酸结构、功能常用手段之一。

第二节DNA超螺旋（DNA Supercoil）一、超螺旋DNA许多病毒DNA以及所有的细菌DNA都是环状分子。

环状DNA也出现在真核生物的线粒体和叶绿体中。

闭合环状DNA分子没有自由的末端。

高温和碱性pH会破坏氢键和其他稳定DNA双螺旋的因素。

然而，在变性条件下，cccDNA (covalently closed circular DNA)分子的两条链不会彼此分离，而是形成相互连环、缠结的单链DNA。

分离出来的环状DNA分子，例如SV40的环形DNA分子，如果在DNA链上没有断裂，呈超螺旋结构（superhelix或supercoil）。

超螺旋DNA是DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。

超螺旋是有方向的，左旋的超螺旋称为正超螺旋，右旋的超螺旋称为负超螺旋。

一个DNA分子的螺旋状态可以用扭转数、缠绕数和连环数来精确描述。

扭转数，即一条链完全缠绕另一条链的次数。

右手螺旋的扭转数被定义为正数。

在三维空间里双螺旋的长轴经常在外力的作用下自我交叉，交叉的次数称为缠绕数。

扭转数和缠绕数是可以相互转换的。

一个cccDNA分子容易发生扭转变形，在不破坏任何共价键的情况下，部分扭转数转变为缠绕数或者部分缠绕数转变为扭转数。

唯一不变的是扭转数和缠绕数的总和与连环数相等，即Lk＝Tw＋Wr超螺旋的程度可以用超螺旋密度（superhelical density）来衡量，用σ表示，定义为σ＝△Lk/ Lk0其中△Lk表示与松弛闭合环状分子（Lk0）相比，Lk发生的变化，用Lk－Lk0表示。

从细胞中分离出来的DNA分子通常是负超螺旋，σ约为－0.06。

细胞内DNA分子形成超螺旋的意义是什么？负超螺旋含有自有能，可以为打开双螺旋提供能量，使双链的解离过程得以顺利进行。

因而，有利于转录和复制。

目前仅在生活在极端高温环境（如温泉）中的嗜热微生物中发现了正超螺旋DNA。

在这种情况下，正超螺旋提供能量，阻止DNA在高温中发生变性。

正超螺旋是过旋的，因而嗜热微生物DNA双链打开就比一般生物呈负超螺旋的DNA 需要更多的能量。

二、拓扑异构酶拓扑异构酶（topoisomerase）可以催化DNA产生瞬时单链或双链断裂而改变连环数(linking number)。

拓扑异构酶有两种基本类型，拓扑异构酶I和拓扑异构酶II。

拓扑异构酶II 在DNA上产生一个瞬时的双链缺口，并在缺口闭合以前使另一双链DNA片段得以穿过，连环数每次改变±2。

拓扑异构酶II依靠ATP水解提供能量来催化这一反应。

I型拓扑异构酶的作用是使DNA暂时产生单链切口，让另一未被切割的单链在切口接合之前穿过这一缺口，连环数每次改变±1。

与拓扑异构酶II相比，拓扑异构酶I的作用不需要ATP。

原核生物和真核生物细胞内都存在可以除去超螺旋的拓扑异构酶I和拓扑异构酶II。

另外，原核生物中还拥有一种特异的拓扑异构酶II，通称为促旋酶(gyrase)，它可以利用ATP水解提供的能量向DNA分子引入负超螺旋。

这种负超螺旋可以促进DNA双螺旋的解旋，而这种解旋又会激发包括启动DNA转录和复制在内的许多反应。

环状DNA分子一轮DNA复制完成以后，通常会产生两个连接在一起的DNA分子，以便使它们在细胞分裂时分配到两个子细胞中去。

拓扑异构酶II催化两个子代DNA分子的一个产生瞬时的双链断裂并使另一个子代分子通过这个切口。

三、嵌入剂溴化乙啶是一种带正电的多环芳香族化合物。

平面状的溴化乙啶能嵌入到碱基对平面之间。

在紫外光下，溴化乙啶会发荧光，嵌入DNA后荧光强度显著增强。

因此，溴化乙啶通常用来作为燃料检测DNA的存在。

第三节RNA结构RNA和DNA有三点不同之处。

第一，RNA骨架含有核糖而不是2’－脱氧核糖，在核糖的2’－位置上带有一个羟基。

第二，DNA中的胸腺嘧啶被RNA 中的尿嘧啶取代，尿嘧啶有着和胸腺嘧啶相同的单环结构，但是缺少5’甲基基团。

第三，RNA通常以单链形式存在。

细胞内的RNA行使多种生物学功能。

mRNA是蛋白质生物合成的模板，tRNA运载氨基酸并识别mRNA的密码子，rRNA是核糖体的组成部分。

此外，snRNA参与mRNA的剪接，snoRNA参与rRNA成熟加工，gRNA参与RNA编辑、SRP－RNA参与蛋白质的分泌、端粒酶RNA参与染色体端粒的合成。