第三章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能

一、核酸的化學(xué)組成：

1.含氮堿：參與核酸和核苷酸構(gòu)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(gòu)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(jīng)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(jìn)行縮合，故生成的化學(xué)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(jié)構(gòu)與命名：

核苷酸是由核苷與磷酸經(jīng)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(nèi)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(jìn)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(shù)目，第四位用大寫字母P代表磷酸。

三、核酸的一級結(jié)構(gòu)：

核苷酸通過3’，5’-磷酸二酯鍵連接起來形成的不含側(cè)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(jié)構(gòu)就是指DNA分子中脫氧核糖核苷酸的種類、數(shù)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(jié)構(gòu)就是指RNA分子中核糖核苷酸的種類、數(shù)目、排列順序及連接方式。

四、DNA的二級結(jié)構(gòu)：

DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級結(jié)構(gòu)的一種重要形式，它是Watson和Crick兩位科學(xué)家于1953年提出來的一種結(jié)構(gòu)模型，其主要實(shí)驗(yàn)依據(jù)是 Chargaff研究小組對DNA的化學(xué)組成進(jìn)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(jié)構(gòu)以B型為主，其結(jié)構(gòu)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(cè)，堿基位于內(nèi)側(cè);③兩條鏈間存在堿基互補(bǔ)，通過氫鍵連系，且A-T、G-C(堿基互補(bǔ)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(jié)構(gòu)：

雙螺旋的DNA分子進(jìn)一步盤旋形成的超螺旋結(jié)構(gòu)稱為DNA的三級結(jié)構(gòu)。

絕大多數(shù)原核生物的DNA都是共價(jià)封閉的環(huán)狀雙螺旋，其三級結(jié)構(gòu)呈麻花狀。

在真核生物中，雙螺旋的DNA分子圍繞一蛋白質(zhì)八聚體進(jìn)行盤繞，從而形成特殊的串珠狀結(jié)構(gòu)，稱為核小體。核小體結(jié)構(gòu)屬于DNA的三級結(jié)構(gòu)。

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(fù)制以及基因信息的轉(zhuǎn)錄提供模板。

DNA分子中具有特定生物學(xué)功能的片段稱為基因(gene)。一個(gè)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(fù)雜性有關(guān)。

七、RNA的空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。

1.mRNA 的結(jié)構(gòu)與功能：mRNA是單鏈核酸，其在真核生物中的初級產(chǎn)物稱為HnRNA。大多數(shù)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(jié)構(gòu)和3’-端的多聚腺苷酸(polyA)尾巴結(jié)構(gòu)。mRNA的功能是為蛋白質(zhì)的合成提供模板，分子中帶有遺傳密碼。mRNA分子中每三個(gè)相鄰的核苷酸組成一組，在蛋白質(zhì)翻譯合成時(shí)代表一個(gè)特定的氨基酸，這種核苷酸三聯(lián)體稱為遺傳密碼(coden)。

2.tRNA的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由于局部雙螺旋的形成而表現(xiàn)為“三葉草”形，故稱為“三葉草”結(jié)構(gòu)，可分為五個(gè)部分：①氨基酸臂：由tRNA的5’-端和3’-端構(gòu)成的局部雙螺旋，3’-端都帶有-CCA-OH順序，可與氨基酸結(jié)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(jié)合有關(guān)。③反密碼臂：其反密碼環(huán)中部的三個(gè)核苷酸組成三聯(lián)體，在蛋白質(zhì)生物合成中，可以用來識別 mRNA上相應(yīng)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(jié)合。⑤可變臂：位于TψC臂和反密碼臂之間，功能不詳。

3.rRNA的結(jié)構(gòu)與功能：rRNA是細(xì)胞中含量最多的RNA，可與蛋白質(zhì)一起構(gòu)成核蛋白體，作為蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)，如錘頭結(jié)構(gòu)。

九、核酸的一般理化性質(zhì)：

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(bǔ)鏈松散而分開成為單鏈，從而導(dǎo)致DNA的理化性質(zhì)及生物學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為DNA的變性。

引起DNA變性的因素主要有：①高溫，②強(qiáng)酸強(qiáng)堿，③有機(jī)溶劑等。DNA變性后的性質(zhì)改變：①增色效應(yīng)：指DNA變性后對260nm紫外光的光吸收度增加的現(xiàn)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(dá)到其最大值一半時(shí)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(guān)，G+C的含量越高，則Tm越高。

十一、DNA的復(fù)性與分子雜交：

將變性DNA經(jīng)退火處理，使其重新形成雙螺旋結(jié)構(gòu)的過程，稱為DNA的復(fù)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(bǔ)堿基順序，以退火處理即可復(fù)性，形成新的雜種雙螺旋，這一現(xiàn)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(bǔ)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(shù)有：原位雜交、斑點(diǎn)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(jìn)行標(biāo)記，這種帶有一定標(biāo)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(nèi)切酶。能識別特定的核苷酸順序，并從特定位點(diǎn)水解核酸的內(nèi)切酶稱為限制性核酸內(nèi)切酶(限制酶)。

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（責(zé)任編輯：pgl）

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