第二章 核酸的化學(xué)

第一節(jié) 核酸的化學(xué)組成

天然存在的核酸有兩類，即脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）。

一、核酸的基本組成單位

核酸是一種多聚核苷酸，組成單位——核苷酸。而核苷酸又由堿基、戊糖和磷酸組成。

（一）戊糖

（二）堿基（base）

核酸中的堿基有兩類：嘌呤堿和嘧啶堿。有5種基本的堿基外， DNA和RNA中常見(jiàn)的兩種嘌呤堿是腺嘌呤（adenine，A）、鳥嘌呤（guanine，G）。而嘧啶堿有所不同：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中含有較多的稀有堿基（修飾堿基），多為甲基化的。

（三）核苷酸

是核苷的磷酸酯。生物體內(nèi)游離存在的多是5＇- 核苷酸（如pA、pdG等）。常見(jiàn)的核苷酸為AMP、GMA、CMP、UMP。常見(jiàn)的脫氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP是一些重要輔酶的結(jié)構(gòu)成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；環(huán)化核苷酸（cAMP/cGMP）是細(xì)胞功能的調(diào)節(jié)分子和信號(hào)分子。ATP在能量代謝中起重要作用。

二、核苷酸的連接方式

RNA和DNA鏈都有方向性，從5＇→ 3＇。前一位核苷酸的3＇- OH與下一位核苷酸的5＇位磷酸基之間形成3＇，5＇-磷酸二酯鍵，從而形成一個(gè)沒(méi)有分支的線性大分子，兩個(gè)末端分別稱為5＇末端和3＇末端。

第二節(jié) DNA的分子結(jié)構(gòu)

一、 DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu) (primary stucture)

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指分子中脫氧核苷酸的排列順序，常被簡(jiǎn)單認(rèn)為是堿基序列（base sequence）。堿基序有嚴(yán)格的方向性和多樣性。一般將5＇- 磷酸端作為多核苷酸鏈的“頭”，一般將3＇- 磷酸端作為多核苷酸鏈的“尾”。

二、DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)——雙螺旋(double helix)

1．兩條反向平行的多核苷酸鏈形成右手螺旋。一條鏈為5＇→ 3＇，另一條為3＇→ 5＇。（某些病毒的DNA是單鏈分子ssDNA）

2．堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)，A與T，G與C配對(duì)，A與T形成兩個(gè)氫鍵，G與C形成三個(gè)氫鍵。糖基-磷酸基骨架在外側(cè)。表面有一條大溝和一小溝。

3．螺距為3.4 nm，含10個(gè)堿基對(duì)（bp），相鄰堿基對(duì)平面間的距離為0.34nm。螺旋直徑為2 nm。

氫鍵維持雙螺旋的橫向穩(wěn)定。堿基對(duì)平面幾乎垂直螺旋軸，堿基對(duì)平面間的疏水堆積力維持螺旋的縱向穩(wěn)定。

4．堿基在一條鏈上的排列順序不受限制。遺傳信息由堿基序所攜帶。

5．DNA構(gòu)象有多態(tài)性。

三、DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA 雙螺旋進(jìn)一步盤曲所形成的空間構(gòu)象稱DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

某些病毒、細(xì)菌、真核生物線粒體和葉綠體的DNA是環(huán)形雙螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物細(xì)胞核內(nèi)的DNA是很長(zhǎng)的線形雙螺旋，通過(guò)組裝形成非常致密的超級(jí)結(jié)構(gòu)。

1．環(huán)形DNA可形成超螺旋

螺旋具有相同的結(jié)構(gòu)，但L值不同的分子稱為拓?fù)洚悩?gòu)體。DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶切斷一條鏈或兩條鏈，拓?fù)洚悩?gòu)體可以相互轉(zhuǎn)變。W的正表示雙鏈閉環(huán)的螺旋圈在增加，W的負(fù)表示減少。L和T的正負(fù)表示螺旋方向，右手為正，左手螺旋為負(fù)；L值必定是整數(shù)。

四、DNA和基因組

1．DNA分子中的最小功能單位稱作基因，為RNA或蛋白質(zhì)編碼的基因稱結(jié)構(gòu)基因，DNA中具調(diào)節(jié)功能而不轉(zhuǎn)錄生成RNA的片段稱調(diào)節(jié)基因。

基因組（genome）是某生物體所含的全部基因，即全部DNA或完整的單套遺傳物質(zhì)（配子中的整套基因）。

2．細(xì)菌、噬菌體、大多數(shù)動(dòng)植物病毒的基因組即指單個(gè)DNA分子。

3．真核生物基因一般分布在若干條染色體上，其特點(diǎn)是：有重復(fù)序列（按重復(fù)次數(shù)分單拷貝序、中度重復(fù)序和高度重復(fù)序）；有斷裂基因

第三節(jié) RNA的分子結(jié)構(gòu)

RNA通常以單鏈形式存在，比DNA分子小得多，由數(shù)十個(gè)至數(shù)千個(gè)核苷酸組成。RNA鏈可以回折且通過(guò)A與U，G與C配對(duì)形成局部的雙螺旋，不能配對(duì)的堿基則形成環(huán)狀突起，這種短的雙螺旋區(qū)和環(huán)稱為發(fā)夾結(jié)構(gòu)。

RNA主要分為tRNA、rRNA和mRNA三類。此外，細(xì)胞的不同部位還存在著另一些小分子RNA，如核內(nèi)小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、胞質(zhì)小RNA（scRNA）等，分別參與mRNA的前體（hnRNA）和rRNA的轉(zhuǎn)運(yùn)和加工過(guò)程。

一、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA，tRNA）

1．分子量最小的RNA，約占總RNA的15%。主要功能是在蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中，起著轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的作用。

2． tRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：核苷酸殘基數(shù)在73~95；含有較多的稀有堿基（如mG、DHU等）；5＇-末端多為pG，3＇- 末端都是-CCA。

3．tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)為“三葉草”形，包括4個(gè)螺旋區(qū)、3個(gè)環(huán)及一個(gè)附加叉。各部分的結(jié)構(gòu)都和它的功能有關(guān)。5＇端1~7位與近3＇端67~72位形成的雙螺旋區(qū)稱氨基酸臂，似“葉柄”，3＇端有共同的-CCA-OH結(jié)構(gòu)，用于連接該RNA轉(zhuǎn)運(yùn)的氨基酸。3個(gè)環(huán)是二氫尿嘧啶環(huán)（D環(huán)）、反密碼子環(huán)、TΨC環(huán)。

4． tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)呈倒L字母形，反密碼環(huán)和氨基酸臂分別位于倒L的兩端。

二、信使RNA（m RNA）

1．細(xì)胞內(nèi)含量較少的一類RNA，約占總RNA的3%。其功能是將核內(nèi)DNA的堿基順序（遺傳信息）按堿基互補(bǔ)原則轉(zhuǎn)錄至核糖體，指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。

2．種類多，作為不同蛋白質(zhì)合成的模板，其一級(jí)結(jié)構(gòu)差異很大。真核細(xì)胞的mRNA有不同于原核細(xì)胞的特點(diǎn)：3＇- 末端有多聚A（polyA）尾，5＇-末端加有一個(gè)“帽”式結(jié)構(gòu),（m7 Gppp）。

3．代謝活躍，壽命較短。

三、核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）

1．約占細(xì)胞總RNA的80%。主要功能是與多種蛋白質(zhì)組成核糖體，是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。

2．核糖體在結(jié)構(gòu)上可分離為大小兩個(gè)亞基。原核細(xì)胞的rRNA有3種，23S與5S rRNA在大亞基，16S在小亞基。真核細(xì)胞有4種rRNA，其中大亞基含28S、5.8S、5S，小亞基只有18S。

3. 各種rRNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)中的核苷酸殘基數(shù)及其順序都不相同，且有特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

第四節(jié) 核酸的性質(zhì)

一、一般理化性質(zhì)

1．都微溶于水，不溶于一般有機(jī)溶劑。常用乙醇從溶液中沉淀核酸。

2．具有大分子的一般特性。

3．兩性電解質(zhì)。各種核酸的大小及所帶的電荷不同，可用電泳和離子交換法分離。RNA在室溫下易被稀堿水解，DNA較穩(wěn)定，此特性用來(lái)測(cè)定RNA的堿基組成和純化DNA。

4．紫外吸收，最大吸收峰在260nm處，核酸的變性或降解，吸光度A升高，稱為增色效應(yīng)。

二、核酸的變性和復(fù)性

1．變性的概念

在理化因素作用下，核酸的雙螺旋區(qū)氫鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)破壞，形成單鏈無(wú)規(guī)線團(tuán)狀態(tài)的過(guò)程。變性的因素有熱、酸、堿、乙醇、尿素等。變性的本質(zhì)是次級(jí)鍵的變化。變性的結(jié)果是紫外吸收值明顯增加（增色效應(yīng)），DNA粘度下降，生物學(xué)功能部分或全部喪失。

2．DNA的熱變性和Tm

DNA熱變性過(guò)程中，紫外吸收值增高，有一個(gè)特征性曲線稱熔解曲線，通常將熔解曲線的中點(diǎn)，即紫外吸收值達(dá)到最大值50%時(shí)的溫度稱為解鏈溫度，又叫熔點(diǎn)（Tm）。DNA的熱變性是爆發(fā)式的，像結(jié)晶的溶解一樣，只在很狹窄的溫度范圍內(nèi)完成，一般在70~800C之間。變性溫度與堿基組成、DNA長(zhǎng)度及變性條件有關(guān)。GC含量越高，Tm越大；DNA越長(zhǎng)，Tm越大；溶液離子強(qiáng)度增高，Tm增加。

3．DNA的復(fù)性與分子雜交

變性DNA在適當(dāng)條件下，兩條互補(bǔ)鏈可重新配對(duì)，恢復(fù)天然雙螺旋構(gòu)象，這一現(xiàn)象稱為復(fù)性。熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，這一過(guò)程稱為退火（annealing）。

影響復(fù)性速度的因素很多，如單鏈DNA的起始濃度、溫度（最適復(fù)性溫度是比Tm約低250C）、鹽濃度、片斷長(zhǎng)度、序列復(fù)雜性等。

分子雜交是以核酸的變性和復(fù)性為基礎(chǔ)，只要不同來(lái)源的核酸分子的核苷酸序列含有可以形成堿基互補(bǔ)配對(duì)的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA雜化雙鏈，這個(gè)現(xiàn)象稱為核酸分子雜交（hybridization）。