核酸的结构 P478 核酸的基本结构单位是核苷酸，核苷酸由核苷和磷酸组成，核苷由戊糖和碱基组成。 碱基：在RNA中为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等四种；在DNA中，为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（代替尿嘧啶），也是四种。 核苷酸： 由所含戊糖不同分为（核糖）核苷酸和脱氧（核糖）核苷酸，所含戊糖分别为D-核糖和D-2-脱氧核糖。 碱基：携带遗传信息，5种基本碱基化学组成，见 P478 表13-1，结构式见 P479。 嘧啶碱： 胞嘧啶 2-氧-4-氨基嘧啶 Cyt C 尿嘧啶 2，4-二氧嘧啶 Ura U 胸腺嘧啶 5-甲基尿嘧啶 Thy T 嘌呤碱： 腺嘌呤 6-氨基嘌呤 Ade A 鸟嘌呤 2-氨基-6-氧嘌呤 Gua G 稀有碱基： 除以上5种基本碱基外，核酸中还有的一些含量甚少的碱基，大多数为甲基化碱基，tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10%。 P479 表13-2为核酸中一部分稀有碱基的名称，注意缩写： hm5 U 5-羟甲基尿嘧啶 m5 C 5-甲基胞嘧啶 DH U 5，6-二氢尿嘧啶 mo5 U 5-甲氧基尿嘧啶 m26 U N6，N 6-二甲基腺嘌呤 次黄嘌呤 6-氧嘌呤 Ⅰ 核苷：由核糖和碱基组成，糖环上编号右上角加一撇。糖与碱基间连键是N-C键，为β-糖苷键。 碱基与糖环平面互相垂直。 结构式见 P480，如 腺嘌呤核苷 A 胞嘧啶脱氧核苷 dc 另外还有C-C糖苷键的核苷，如假尿嘧啶核苷 Ψ， 结构式见 P481， 为尿嘧啶C5与核糖1‘-位碳相连。此外在tRNA中还含有碱基不是嘌呤环，而为鸟嘌呤衍生物的W(Y)和Q核苷，见P481。 常见的核苷 P480 表13-3 核（糖核）苷 腺（嘌呤核）苷 adenosine A 鸟（嘌呤核）苷 guanosine G 胞（嘧啶核）苷 Cytidine C 尿（嘧啶核）苷 Uridine U 脱氧核（糖核）苷 脱氧腺苷 deoxyadenosine dA 脱氧鸟苷 deoxyguanosine dG 脱氧胞苷 deoxycytidine dC 脱氧胸苷 deoxythymidine dT （3）核苷酸：核苷的磷酸酯： 核糖核苷糖环上有3个自由羟基，可生成三种核苷酸。 脱氧核糖糖环上有2个自由羟基，可生成二种核苷酸。 生物体内游离存在多为5‘-核苷酸。 常见核苷酸见 P481 表13-4，为核糖-5‘-一磷酸。 AMP GMP CMP UMP dAMP dGMP dTMP dCMP 若为核苷-3‘-磷酸或-2‘磷酸，应标出3‘或2‘，如3‘-AMP，2‘-AMP。 核糖-5‘-二磷酸：如ADP，核糖-5‘-三磷酸：如ATP。 环核苷酸一般为3‘，5‘-环化，如c-AMP。 核酸的共价结构 （1）核酸中核苷的连接方式： P482 核酸中核苷酸以3‘，5‘-磷酸二酯键彼此相连，走向为3‘→5‘。简写时从5‘→3‘,从左到右书写: 如 pACTG pG表示p在5‘位，Gp表示p在3‘位 5‘ 3’ 因此ACTG与GTCA不一样，一个5‘端为A，A上有游离的5‘-OH，一个5‘端为G，G上有游离的5‘-OH。 (2) DNA一级结构： DNA中D-核糖没有2‘-OH，所以只能形成3‘，5‘-磷酸二酯键，DNA无支链。 P483 图13-2表示DNA多核苷酸的一个小片段及竖线式缩写和文字式缩写。 DNA相对分子量非常大，分子量可超过108bp（碱基对），可编码信息量十分巨大。为阐明生物的遗传信息，首先要测定生物基因组的序列。 原核生物基因序列是连续的，常组成操纵子，很少重复序列；真核生物基因序列是断裂的, 有内含子，不组成操纵子，含有较高比例的重复序列，调控序列比占比例大。人类基因组大小为32亿碱基对，真正用于编码蛋白质的序列仅占基因组的1.1%到1.4%，编码蛋白质基因大约为3.1万个。 (3) RNA一级结构： 虽有2‘-OH，但仍为无分支线型多聚核糖核苷酸，组成RNA核苷酸仍为3‘，5‘-磷酸二酯键彼此连接。 1. tRNA：通常由73~93个核苷酸组成，沉降系数45。3‘端为CpCpAOH，5‘端多为pG，也有为pC的。 2. rRNA：含有较多甲基化的核糖。细菌的rRNA有5S、16S和23S三种，哺乳动物rRNA有5S、5.8S、16S和28S四种。rRNA除作为核糖体骨架外，还分别与mRNA和tRNA作用，催化肽键的形成，促使蛋白质合成的正确进行。 3. mRNA： 原核生物一条mRNA链上有多个编码区，5‘端和3‘端各有一段非翻译区；真核生物mRNA一级结构通式如P484 图13-4所示，5‘端有帽子，Ⅰ型帽子结构见P485，可记作m7G5’ppp5’NmpNp，（m在字母左，表示碱基被甲基化，右上角数字表示甲基化位置，m在字母右侧表示核糖被甲基化，G-鸟苷，N为任意核苷，p磷酸）。这种结构有抗5‘-核酸外切酶的降解作用，并有助于核糖体对mRNA的识别和结合，使翻译得以正确开始。3‘端大多有一尾巴，为20~250个A的聚腺苷酸poly(A)，与mRNA的半寿期有关。 （三）DNA的高级结构： 1953年Watson与Crick提出的DNA双螺旋结构模型，主要有三方面依据： 核酸化学结构和核苷酸键长和键角数据。 DNA X-射线衍射分析。 DNA碱基组成的Chargaff规则；同一物种不同组织和器官，DNA碱基组成 具有生物种特异性。且摩尔数为A=T， G=C， A+C=G+T。 DNA二级结构： W-C DNA分子双螺旋结构模型见P480 图13-5，要点如下： 两条反向平向的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。 碱基位于双螺旋内侧，核酸与核糖在外侧，彼此通过3‘，5‘-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子骨架。碱基平面与纵轴重直，糖环平面与纵轴平行。多核苷酸链方向3‘→5‘为正向（P487 图13-6），形成一条大沟和一条小沟。 双螺旋平均直径为2nm，两个相邻碱基对之间相距高度为0.34nm，两核苷酸之间夹角为360，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转的高度（螺距）为3.4nm。 两条链被碱基之间形成的氢键连成一体，互相匹配，A与T配对，形成两个氢键，G与C配对，形成三个氢键。 碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，一条链序列确定后则决定另一条互补链序列。遗传信息由碱基序列所携带。 DNA结构可受环境影响而改变，有A、B、C、D、E和Z型等不同构象存在。 B型是DNA基本构象，E型为左手双螺旋。 B型：为W-C双螺旋结构，DNA钠盐在较高湿度下（92%）制得的纤维结构。 A型：螺体较宽而短，RNA分子双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链具有与A-DNA相似结构。 P489 表13-6 A、B和Z型DNA的比较。 DNA二级结构主要是形成双螺旋，但在某些情况下也能形成三股螺旋，第三股的碱基可与W-C碱基对中嘌呤碱形成配对。P489 图13-10三股螺旋DNA碱基配对。 H-DNA是通过分子内折叠形成的三股螺旋（P490 图13-11 H-DNA结构），它存在于基因调控区，因而有重要生物学意义。 DNA三级结构： DNA三级结构指DNA分子（双螺旋），通过扭曲和折叠形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用，单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。 超螺旋是DNA三级结构的一种形式，是双螺旋的螺旋。 将环状DNA分子再额外多转几圈或少转几圈，都会使双螺旋中存在张力，为抵消张力，环状DNA分子的轴再曲绕而形成超螺旋，左旋为负，右旋为正。 DAN分子十分巨大，要组装到有限的空间，压缩比达1000-2000，组装成染色体则高达8000-10000（p492表13-7）。为此绝大多数DNA以超螺旋形式存在，把很长的DNA压缩成很小的体积内。如人类第一号染色体DNA长7.2cm，经弯曲缠绕后只有近10μm(压缩约7700倍)。 由于DNA双螺旋为右旋，负超螺旋（左旋）有利于双螺旋解旋，自然界存在的环状DNA几乎全是负超螺旋。 DNA复制、重组或转录时，必须解旋解链，暴露出DNA结合位点，使各种调控蛋白发挥作用，随后再形成超螺旋，存在拓扑学问题。生物过程需负超螺旋程度不同，可通过DNA拓扑异构来调节其功能。 环状DNA的一些重要拓扑学性质： (拓扑学是数学的一个分支，研究物体变形后仍保留下的结构特性。) 连环数L： 为一条链以右手螺旋绕另一条链缠绕次数，为一个整数。 L值不同，则为拓扑异构。 扭转数T： 指DNA分子中的Watson-Crick螺旋数。天然DNAT变化不大，变化时有张力。 超螺旋数W： 为超螺旋的超绕数，右旋为正，左旋为负。 L、T、W三者关系： L=T+W L为整数，T、W可带小数。 比连环差λ： 表示超螺旋程度 λ=L-L0/L0 L0为松弛环形DNA（无超螺旋）的L值。 P491 图13-12 环状DNA不同构象： A：线型DNA。 B：环状DNA，松弛型DNA，L=25，T=25，W=0。 C：解链环状：拧松两周后，可形成两种环状DNA，一种即为解链环状L=23，T=23，W=0 有张力；另一种为超螺旋DNA，为D。 D：负超螺旋：形成超螺旋（左旋）消除解链影响，在力能学上有利，为自发过程，L=23，T=25，W=-2。 DNA拓扑异构：除连环数不同外（如上述L=25，L=23），其他性质均相同的DNA分子。 双螺旋DNA在拓扑异构变化中T相同，是W不同导致L不同。 DNA拓扑异构现象：为DNA超螺旋状态与解旋状态之间的相互转换，不发生碱基组成或顺序（一级结构）的任何变化，是DNA复制、重组或转录时所必需的。 拓扑异构酶：引起DNA拓扑异构之间转变的酶，可改变DNA拓扑异构体的L值，有两类： Ⅰ类：使双链超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每一次催化作用可消除一个负超螺旋，L值增加1。 Ⅱ类：使松弛型环状DNA转变成负超螺旋型DNA，每次催化作用使L减少2，又称促旋酶。 两类酶含量严格控制，使细胞内DNA保持一定超螺旋水平。 DNA与蛋白质复合物的结构（四级结构） 病毒、细菌拟核和真核生物的染色体都存在DNA的组装和一定程度的压缩。核小体是真生物染色质的基本结构单位，由核小体链形成纤维，进而折叠螺旋化，组装成不同层次结构的染色质和染色体。 病毒：通常只有几个至几十个基因，主要由核酸和蛋白质组成，有时还含有脂质和糖类。病毒的侵染性由核酸决定。核酸位于内部，蛋白质包裹着核酸为衣壳，有的还有脂蛋白被膜。 由宿主不同，病毒分为噬菌体（宿主细菌与放线菌），植物病毒和动物病毒。动物病毒含DNA或含RNA，有的还有被膜，如流感病毒（冠状病毒），表面有许多突起，见P494图13-14，流感病毒为RNA病毒。 RNA的高级结构： RNA通常是单链线型分子，但可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构），除tRNA外，几乎全部细胞中的RNA都与蛋白质形成核蛋白复合物（四级结构）。RNA病毒是具有感染性的RNA复合物。 tRNA的高级结构： 二级结构都是呈三叶草形，P496 图13-18，双螺旋区构成叶柄，另外有几个突环区。 氨基酸臂：3‘-末端CCA，可接受活化的氨基酸。 二氢尿嘧啶环：有两个DHU。 反密码环：环中部为反密码子，由3个碱基组成，次黄嘌呤核苷酸常出现于反密码子中，反密码子可识别mRNA的密码子。 额外环：是tRNA分类重要指标。 TψC环：几乎所有tRNA在此环中都含有TψC，tRNA折叠形成三级结构，呈倒L型。 rRNA的高级结构： 核糖体是蛋白质合成的工厂，核糖体是一种核酶，催化肽键合成的是rRNA。 所有生物核糖体都是有大小不同两个亚基组成，大小亚基分别由几种rRNA和数十种蛋白质组成，见P498 表13-9。