第十章核酸的結(jié)構(gòu)核酸核苷酸核苷磷酸堿基戊糖

核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解則產(chǎn)生核苷和核苷酸。每個(gè)核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。核酸的各種水解產(chǎn)物可用層析或電泳等方法分離鑒定。

組成核酸的戊糖有兩種。DNA所含的糖為β-D-2-脫氧核糖；RNA所含的糖則為β-D-核糖。一、核酸的化學(xué)組成

元素組成：CHONP

(一)戊糖RiboseDeoxyribose(二)堿基1.嘌呤（Purine）123456978

腺嘌呤AdenineA鳥(niǎo)嘌呤guanineG(三)核苷（nucleoside）核苷戊糖+堿基

糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵1’2’3’4’5’(OH)1’2’3’4’5’(OH)AdenosineGuanosineCytidineUridine(四)核苷酸（nucleotide）

核苷酸核苷+磷酸

戊糖+堿基+磷酸

HHHHHHHHHOH

AMP

dAMP

核苷一磷酸可以進(jìn)一步磷酸化，形成核苷二磷酸和核苷三磷酸。下圖給出了腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）的結(jié)構(gòu)。2.環(huán)化磷酸化cAMPcGMP3.肌苷酸及鳥(niǎo)苷酸(強(qiáng)力味精)4.輔酶

NAD、NADP、FMNIMPGMP

核酸中核苷酸是通過(guò)3ˊ,5ˊ-磷酸二酯鍵連接的

交替的戊糖和磷酸基團(tuán)形成多核苷酸鏈的共價(jià)骨架。堿基給出了核酸序列上的變化。聚合酶催化細(xì)胞中的RNA和DNA的合成。

核苷三磷酸ATP、GTP、CTP、UTP是RNA合成的底物，而dATP、dGTP、dCTP和dTTP是DNA合成的底物。聚合酶通過(guò)催化一個(gè)核苷酸的3ˊ-OH與另一個(gè)核苷酸的5ˊ-磷酸之間形成3ˊ,5ˊ-磷酸二酯鍵,將核苷單磷酸加到生長(zhǎng)的多核苷酸鏈上，下圖給出了DNA分子的延長(zhǎng)反應(yīng)。

由核糖核苷酸聚合形成的多核苷酸鏈?zhǔn)呛颂呛怂幔≧NA）；由脫氧核糖核苷酸聚合的多核苷酸鏈?zhǔn)敲撗鹾颂呛怂幔―NA）。

核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)是通過(guò)3ˊ,5ˊ-磷酸二酯鍵連接的核苷酸序列。

DNA和RNA的生物合成都是按照5ˊ→3ˊ方向進(jìn)行的，沒(méi)有特別指定時(shí)，核苷酸序列都是按照5ˊ→3ˊ方向讀寫。磷酸二酯鍵5′-磷酸端（常用5’-P表示）；3′-羥基端（常用3’-OH表示）多聚核苷酸鏈具有方向性，當(dāng)表示一個(gè)多聚核苷酸鏈時(shí)，必須注明它的方向是5′→3′或是3′→5′。多聚核苷酸的表示方式DNARNA5′PdAPdCPdGPdTOH3′5′PAPCPGPUOH′

或5′ACGTGCGT3′5′ACGUAUGU3′

ACGTGCGTACGUAUGUT5’3’OHU5’3’OHOHOHOHOH

DNA中堿基組成的這些定量關(guān)系，也稱為Chargaff法則，后來(lái)又被其他的研究者證實(shí)。堿基之間的這些定量關(guān)系對(duì)于建立DNA的三維結(jié)構(gòu)以及遺傳信息是如何編碼,在DNA中一代一代傳下去是一個(gè)關(guān)鍵。不同來(lái)源的DNA的堿基組成（摩爾百分比）和堿基比例二.DNA的結(jié)構(gòu)(一)DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)脫氧核糖核酸的排列順序可以用堿基排列順序表示；

DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲(chǔ)的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變?nèi)f化的不同排列組合之中。連接鍵：3’，5’-磷酸二酯鍵；磷酸與戊糖順序相連形成主鏈骨架；堿基形成側(cè)鏈；多核苷酸鏈均有5’-末端和3’-末端

2.基因與基因組基因（gene）：一段有功能的DNA片段，生物細(xì)胞中DNA

分子的最小功能單位。

蛋白質(zhì)（mRNA蛋白質(zhì)）產(chǎn)物tRNARNArRNA

調(diào)節(jié)功能：調(diào)節(jié)基因無(wú)產(chǎn)物

作用未知結(jié)構(gòu)基因3.原核生物基因組特點(diǎn)重復(fù)序列少，多位編碼區(qū)多為操縱子形式組織有重疊基因存在

真核生物基因組特點(diǎn)以染色體存在重復(fù)序列多基因組計(jì)劃人類基因組計(jì)劃（HumanGenomeProject，HGP）酵母基因組計(jì)劃（YGP）大腸桿菌（E.Coli）(二)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

DNA的雙螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在前人研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射圖譜和Chargaff法則等前人工作，提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)模型的生物學(xué)意義作出了科學(xué)的解釋和預(yù)測(cè)。

DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)雙螺旋結(jié)構(gòu)

肺炎球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)以及噬菌體感染實(shí)驗(yàn)使科學(xué)家們相信DNA是遺傳物質(zhì)，但遺傳信息是如何貯存在DNA分子中的呢？當(dāng)時(shí)擺在研究者面前的問(wèn)題就是建立一個(gè)DNA分子的三維模型，該模型要能夠解釋Chargaff法則，以及遺傳規(guī)律等問(wèn)題。

提出DNA雙螺旋模型的是年僅25歲的沃森和35歲的克里克，1962年沃森、克里克和威爾金斯三人獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。但不要忘記富蘭克林以及查加夫等人的貢獻(xiàn)，正是由于富蘭克林拍攝的DNAX-射線衍射圖成就了沃森和克里克。

1953年J.D.Watson和F.H.C.Crick依據(jù)X-射線衍射數(shù)據(jù)和Chargaff法則等進(jìn)行DNA研究工作，建立一個(gè)DNA分子的三維模型，稱為DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，這一模型可以圓滿地解釋有關(guān)DNA的所有數(shù)據(jù)，包括DNA晶體X-射線衍射數(shù)據(jù)和Chargaff法則，這一模型現(xiàn)在來(lái)看也基本是正確的。

Watson和Crick于1953年的4月25日在Natue上發(fā)表了題為“核酸的分子結(jié)構(gòu)――脫氧核糖核酸的結(jié)構(gòu)”的文章，闡述了雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的要點(diǎn)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：

1、兩條反向平行的多核苷酸鏈圍繞同一中心軸纏繞，形成一個(gè)右手的雙螺旋。即兩條鏈均為右手螺旋，一條是5ˊ→3ˊ方向，另一條是3ˊ→5ˊ方向。一條鏈上的堿基通過(guò)氫鍵與另一條鏈上的堿基連接，形成堿基對(duì)。G與C配對(duì)，A與T配對(duì)（堿基互補(bǔ)），G和C之間可形成三個(gè)氫鍵，而A和T之間只能形成二個(gè)氫鍵。2、交替的脫氧核糖和帶負(fù)電荷的磷酸基團(tuán)骨架位于雙螺旋的外側(cè)，糖環(huán)平面幾乎與堿基平面成直角。兩條鏈上的嘌呤堿基與嘧啶堿基堆積在雙螺旋的內(nèi)部，堿基平面與螺旋的長(zhǎng)軸垂直。3、雙螺旋的平均直徑為2nm，相鄰堿基對(duì)的距離為0.34nm，相鄰核苷酸的夾角為36。沿螺旋的長(zhǎng)軸每一轉(zhuǎn)含有10個(gè)堿基對(duì)，其螺距為3.4nm。

G和C之間形成三個(gè)氫鍵

A和T之間形成二個(gè)氫鍵

雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提供了DNA復(fù)制的機(jī)理，解釋了遺傳物質(zhì)自我復(fù)制的機(jī)制。模型是兩條鏈，而且堿基互補(bǔ)。復(fù)制之前，氫鍵斷裂，兩條鏈彼此分開(kāi)，每條鏈都作為一個(gè)模板復(fù)制出一條新的互補(bǔ)鏈，這樣就得到了兩對(duì)鏈，解決了一個(gè)基本的生物學(xué)問(wèn)題－遺傳復(fù)制中樣板的分子基礎(chǔ)。親本鏈子鏈子鏈

DNA雙螺旋存在幾種不同類型的構(gòu)象在Watson和Crick的DNA雙螺旋模型公布之后，通過(guò)對(duì)合成的已知序列的寡核苷酸的X-射線晶體衍射圖的研究發(fā)現(xiàn)，存在著B(niǎo)型、A型和Z型DNA。B-DNA和A-DNA都是右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，而Z-DNA是左手雙螺旋結(jié)構(gòu)。B-DNA、A-DNA和Z-DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)類型旋轉(zhuǎn)方向螺旋直徑（nm）螺距（nm)每轉(zhuǎn)堿基對(duì)數(shù)目堿基對(duì)間垂直距離（nm）堿基對(duì)與水平面傾角A－DNAB－DNAZ－DNA右右左2.02.31.82.83.44.51110120.2550.340.2720o0o7o

DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲，構(gòu)成三級(jí)結(jié)構(gòu).

用兩手分別捏住線性DNA分子的兩端，捻動(dòng)其中的一端或兩端同時(shí)向相反的方向捻動(dòng)。當(dāng)向右捻動(dòng)時(shí)（即沿右手螺旋方向捻動(dòng)），等于緊旋（所謂的“上勁”）。處于這樣狀態(tài)的DNA分子相對(duì)于它的松弛狀態(tài)是一種超過(guò)原有旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的狀態(tài)，所以稱為過(guò)旋。當(dāng)將處于松弛狀態(tài)（B構(gòu)型）的雙螺旋向左捻動(dòng)時(shí)，等于解旋（所謂的“卸勁”）。處于這樣狀態(tài)的DNA分子相對(duì)于它的松弛狀態(tài)是一種沒(méi)有達(dá)到原有旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的狀態(tài)，所以稱之欠旋。當(dāng)將線性過(guò)旋或欠旋的雙螺旋DNA連接形成一個(gè)環(huán)時(shí)，都會(huì)自動(dòng)形成額外的超螺旋來(lái)抵消過(guò)旋或欠旋造成的應(yīng)力，目的是維持B型構(gòu)象。過(guò)旋DNA會(huì)自動(dòng)形成額外左手螺旋，而欠旋形成額外右手螺旋，稱為負(fù)超螺旋。(三)DNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

向左捻向右捻松弛型正超螺旋負(fù)超螺旋

DNA拓?fù)鋵W(xué)特性

(1)連環(huán)數(shù):

在雙螺旋DNA中,一條鏈以右手螺旋繞另一條鏈纏繞的次數(shù),以字母L表示。在松弛環(huán)狀DNA中,L=25

在解鏈環(huán)狀DNA中及超螺旋分子中,L=23

這三種環(huán)狀DNA分子具有相同的結(jié)構(gòu),但L不同,為拓?fù)洚悩?gòu)體,拓?fù)洚悩?gòu)體酶可以催化拓?fù)洚悩?gòu)體之間的轉(zhuǎn)化。

(2)扭轉(zhuǎn)數(shù):指DNA分子中的Watson-Crick螺旋數(shù),以T表示.(3)超螺旋數(shù):(纏繞數(shù)),以W表示。

L,T,W三者之間的關(guān)系:L=T+W

（四）真核細(xì)胞核內(nèi)DNA和組蛋白形成染色質(zhì)

染色質(zhì)的主要蛋白質(zhì)成分通稱為組蛋白。大多數(shù)真核細(xì)胞中都含有H1、H2A、H2B、H3和H45種組蛋白。當(dāng)染色質(zhì)用低離子強(qiáng)度的溶液處理時(shí)，染色質(zhì)去折疊后電子顯微鏡照片象是一條線上穿了許多“珠”子一樣?！爸樽印笔荄NA-組蛋白的復(fù)合體，稱為核小體，而“線”是雙螺旋DNA。每個(gè)核小體是由各2分子的H2A、H2B、H3和H4的八聚體和大約200個(gè)DNA堿基對(duì)組成，DNA大約纏繞1.75圈，有146個(gè)DNA的堿基對(duì)處于與組蛋白復(fù)合體緊密結(jié)合的狀態(tài)，形成一個(gè)核小體核心顆粒。核心顆粒之間的“線”稱之連接DNA，大約有54個(gè)堿基對(duì)長(zhǎng)。第5個(gè)組蛋白H1既與連接DNA結(jié)合，又和核小體核心顆粒結(jié)合。H2A、H2B、H3和H4形成八聚體組蛋白和DNA形成核小體

與伸展開(kāi)的B-DNA長(zhǎng)度相比，DNA和組蛋白形成核小體后，長(zhǎng)度被壓縮了10倍。串珠狀的核小體核心顆粒本身可以卷曲成一個(gè)螺旋管狀，產(chǎn)生一種稱之30nm纖維結(jié)構(gòu)。纖維結(jié)構(gòu)可以形成大的環(huán)，在一個(gè)大的染色體上大約存在著多達(dá)2000個(gè)環(huán)。環(huán)可以附著在RNA-蛋白質(zhì)的支架上，象是被固定一樣，可以形成超螺旋。超螺旋還可形成附加的額外的超螺旋，使得DNA一步一步地被壓縮。

真核雙鏈線性DNA（dsDNA）

DNA雙鏈以左手螺旋纏繞在組蛋白形成的八聚體核心上即核小體念珠狀結(jié)構(gòu)核小體鏈進(jìn)一步盤繞、折疊形成染色質(zhì)絲組成突環(huán)玫瑰花結(jié)螺線圈由螺線圈組裝成染色單體。

真核生物的染色體的組裝過(guò)程染色體的結(jié)構(gòu)組裝過(guò)程

核小體（nucleosome）由146bpDNA圍繞8個(gè)組蛋白分子（H2A，H2B，H3，H4個(gè)2個(gè)），繞1?圈，H1結(jié)合在連接區(qū)，每個(gè)核小體大致包含200bpDNA。

總結(jié)：染色體的結(jié)構(gòu)組裝過(guò)程由6個(gè)核小體念珠繞成30nm纖維（fiber）。

總結(jié)：染色體的結(jié)構(gòu)組裝過(guò)程再扭曲成突環(huán)（loop），約75000bp?？偨Y(jié)：染色體的結(jié)構(gòu)組裝過(guò)程

形成（玫瑰）花結(jié)（rosette），每1花結(jié)包括6個(gè)突環(huán)。在此基礎(chǔ)上，由30個(gè)花結(jié)繞成螺管（coil），最后形成染色單體chromatid）。染色體總結(jié)：三.RNA的結(jié)構(gòu)與功能(一)RNA結(jié)構(gòu)特點(diǎn)堿基組成A、G、C、U（A＝U/G≡C）稀有堿基較多，穩(wěn)定性較差，易水解多為單鏈結(jié)構(gòu)，少數(shù)局部形成螺旋分子較小分類mRNAtRNArRNA少數(shù)RNA病毒(二)tRNA占RNA總量的15％一種氨基酸對(duì)應(yīng)最少一種tRNA分子量25000左右，大約由70－90個(gè)核苷酸組成，沉降系數(shù)為4S左右。分子中含有較多的修飾成分。3'-末端都具有CpCpAOH的結(jié)構(gòu)。tRNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)1、tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)大都呈“三葉草”形狀，在結(jié)構(gòu)上具有某些共同之處，一般可將其分為四臂四環(huán)：包括氨基酸接受臂、反密碼（環(huán)）臂、二氫尿嘧啶（環(huán)）臂、TC（環(huán)）臂和可變環(huán)。除了氨基酸接受區(qū)外，其余每個(gè)區(qū)均含有一個(gè)突環(huán)和一個(gè)臂。

(1)氨基酸接受區(qū)

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3個(gè)核苷酸殘基都是CCA，A為腺苷酸。氨基酸可與其成酯，該區(qū)在蛋白質(zhì)合成中起攜帶氨基酸的作用。

(2)反密碼區(qū)

與氨基酸接受區(qū)相對(duì)，一般環(huán)中含有7個(gè)核苷酸殘基，臂中含有5對(duì)堿基。其中環(huán)中正中的3個(gè)核苷酸殘基稱為反密碼子。（3)二氫尿嘧啶區(qū)

該區(qū)含有二氫尿嘧啶。環(huán)由8-12個(gè)核苷酸組成，臂由3-4對(duì)堿基組成。

(4)TC區(qū)

該區(qū)與二氫尿嘧啶區(qū)相對(duì)，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷環(huán)(TC)由7個(gè)核苷酸組成，通過(guò)由5對(duì)堿基組成的雙螺旋區(qū)(TC臂)與tRNA的其余部分相連。除個(gè)別例外，幾乎所有tBNA在此環(huán)中都含有TC。

(5)可變區(qū)

位于反密碼區(qū)與TC區(qū)之間，不同的tRNA該區(qū)變化較大，一般有3-18個(gè)核苷酸組成。假尿苷胸腺嘧啶核糖核苷稀有核苷（tRNA）2、tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)

在三葉草型二級(jí)