第三章 核酸的結構與功能

一、核酸的化學組成：

1.含氮堿：參與核酸和核苷酸構成的含氮堿主要分為嘌呤堿和嘧啶堿兩大類。組成核苷酸的嘧啶堿主要有三種——尿嘧啶(U)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，它們都是嘧啶的衍生物。組成核苷酸的嘌呤堿主要有兩種——腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G)，它們都是嘌呤的衍生物。

2.戊糖：核苷酸中的戊糖主要有兩種，即β-D-核糖與β-D-2-脫氧核糖，由此構成的核苷酸也分為核糖核苷酸與脫氧核糖核酸兩大類。

3.核苷：核苷是由戊糖與含氮堿基經脫水縮合而生成的化合物。通常是由核糖或脫氧核糖的C1’ β-羥基與嘧啶堿N1或嘌呤堿N9進行縮合，故生成的化學鍵稱為β，N糖苷鍵。其中由D-核糖生成者稱為核糖核苷，而由脫氧核糖生成者則稱為脫氧核糖核苷。由“稀有堿基”所生成的核苷稱為“稀有核苷”。假尿苷(ψ)就是由D-核糖的C1’ 與尿嘧啶的C5相連而生成的核苷。

二、核苷酸的結構與命名：

核苷酸是由核苷與磷酸經脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸和脫氧核糖核酸兩大類。最常見的核苷酸為5’-核苷酸(5’ 常被省略)。5’-核苷酸又可按其在5’位縮合的磷酸基的多少，分為一磷酸核苷(核苷酸)、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

此外，生物體內還存在一些特殊的環(huán)核苷酸，常見的為環(huán)一磷酸腺苷(cAMP)和環(huán)一磷酸鳥苷(cGMP)，它們通常是作為激素作用的第二信使。

核苷酸通常使用縮寫符號進行命名。第一位符號用小寫字母d代表脫氧，第二位用大寫字母代表堿基，第三位用大寫字母代表磷酸基的數目，第四位用大寫字母P代表磷酸。

三、核酸的一級結構：

核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵連接起來形成的不含側鏈的多核苷酸長鏈化合物就稱為核酸。核酸具有方向性，5’-位上具有自由磷酸基的末端稱為5’-端，3’-位上具有自由羥基的末端稱為3’-端。

DNA由dAMP、dGMP、dCMP和dTMP四種脫氧核糖核苷酸所組成。DNA的一級結構就是指DNA分子中脫氧核糖核苷酸的種類、數目、排列順序及連接方式。RNA由AMP，GMP，CMP，UMP四種核糖核苷酸組成。RNA的一級結構就是指RNA分子中核糖核苷酸的種類、數目、排列順序及連接方式。

四、DNA的二級結構：

DNA雙螺旋結構是DNA二級結構的一種重要形式，它是Watson和Crick兩位科學家于1953年提出來的一種結構模型，其主要實驗依據是Chargaff研究小組對DNA的化學組成進行的分析研究，即DNA分子中四種堿基的摩爾百分比為A=T、G=C、A+G=T+C(Chargaff原則)，以及由Wilkins研究小組完成的DNA晶體X線衍射圖譜分析。

天然DNA的二級結構以B型為主，其結構特征為：①為右手雙螺旋，兩條鏈以反平行方式排列;②主鏈位于螺旋外側，堿基位于內側;③兩條鏈間存在堿基互補，通過氫鍵連系，且A-T、G-C(堿基互補原則); ④螺旋的穩(wěn)定因素為氫鍵和堿基堆砌力;⑤螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2nm。

五、DNA的超螺旋結構：

雙螺旋的DNA分子進一步盤旋形成的超螺旋結構稱為DNA的三級結構。

絕大多數原核生物的DNA都是共價封閉的環(huán)狀雙螺旋，其三級結構呈麻花狀。

在真核生物中，雙螺旋的DNA分子圍繞一蛋白質八聚體進行盤繞，從而形成特殊的串珠狀結構，稱為核小體。核小體結構屬于DNA的三級結構。

六、DNA的功能：

DNA的基本功能是作為遺傳信息的載體，為生物遺傳信息復制以及基因信息的轉錄提供模板。

DNA分子中具有特定生物學功能的片段稱為基因(gene)。一個生物體的全部DNA序列稱為基因組(genome)?；蚪M的大小與生物的復雜性有關。

七、RNA的空間結構與功能：

RNA分子的種類較多，分子大小變化較大，功能多樣化。RNA通常以單鏈存在，但也可形成局部的雙螺旋結構。

1.mRNA的結構與功能：mRNA是單鏈核酸，其在真核生物中的初級產物稱為HnRNA。大多數真核成熟的mRNA分子具有典型的5’-端的7-甲基鳥苷三磷酸(m7GTP)帽子結構和3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴結構。mRNA的功能是為蛋白質的合成提供模板，分子中帶有遺傳密碼。mRNA分子中每三個相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質翻譯合成時代表一個特定的氨基酸，這種核苷酸三聯體稱為遺傳密碼(coden)。

2.tRNA的結構與功能：tRNA是分子最小，但含有稀有堿基最多的RNA。tRNA的二級結構由于局部雙螺旋的形成而表現為“三葉草”形，故稱為“三葉草”結構，可分為五個部分：①氨基酸臂：由tRNA的5’-端和3’-端構成的局部雙螺旋，3’-端都帶有-CCA-OH順序，可與氨基酸結合而攜帶氨基酸。②DHU臂：含有二氫尿嘧啶核苷，與氨基酰tRNA合成酶的結合有關。③反密碼臂：其反密碼環(huán)中部的三個核苷酸組成三聯體，在蛋白質生物合成中，可以用來識別mRNA上相應的密碼，故稱為反密碼(anticoden)。④ TψC臂：含保守的TψC順序，可以識別核蛋白體上的rRNA，促使tRNA與核蛋白體結合。⑤可變臂：位于TψC臂和反密碼臂之間，功能不詳。

3.rRNA的結構與功能：rRNA是細胞中含量最多的RNA，可與蛋白質一起構成核蛋白體，作為蛋白質生物合成的場所。原核生物中的rRNA有三種：5S，16S，23S。真核生物中的rRNA有四種：5S，5.8S，18S，28S。

八、核酶：

具有自身催化作用的RNA稱為核酶(ribozyme)，核酶通常具有特殊的分子結構，如錘頭結構。

九、核酸的一般理化性質：

核酸具有酸性;粘度大;能吸收紫外光，最大吸收峰為260nm。

十、DNA的變性：

在理化因素作用下，DNA雙螺旋的兩條互補鏈松散而分開成為單鏈，從而導致DNA的理化性質及生物學性質發(fā)生改變，這種現象稱為DNA的變性。

引起DNA變性的因素主要有：①高溫，②強酸強堿，③有機溶劑等。DNA變性后的性質改變：①增色效應：指DNA變性后對260nm紫外光的光吸收度增加的現象;②旋光性下降;③粘度降低;④生物功能喪失或改變。

加熱DNA溶液，使其對260nm紫外光的吸收度突然增加，達到其最大值一半時的溫度，就是DNA的變性溫度(融解溫度，Tm)。Tm的高低與DNA分子中G+C的含量有關，G+C的含量越高，則Tm越高。

十一、DNA的復性與分子雜交：

將變性DNA經退火處理，使其重新形成雙螺旋結構的過程，稱為DNA的復性。

兩條來源不同的單鏈核酸(DNA或RNA)，只要它們有大致相同的互補堿基順序，以退火處理即可復性，形成新的雜種雙螺旋，這一現象稱為核酸的分子雜交。核酸雜交可以是DNA-DNA，也可以是DNA-RNA雜交。不同來源的，具有大致相同互補堿基順序的核酸片段稱為同源順序。

常用的核酸分子雜交技術有：原位雜交、斑點雜交、Southern雜交及Northern雜交等。

在核酸雜交分析過程中，常將已知順序的核酸片段用放射性同位素或生物素進行標記，這種帶有一定標記的已知順序的核酸片段稱為探針。

十二、核酸酶：

凡是能水解核酸的酶都稱為核酸酶。凡能從多核苷酸鏈的末端開始水解核酸的酶稱為核酸外切酶，凡能從多核苷酸鏈中間開始水解核酸的酶稱為核酸內切酶。能識別特定的核苷酸順序，并從特定位點水解核酸的內切酶稱為限制性核酸內切酶(限制酶)。

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（責任編輯：何以笙簫默）

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