第2章 核酸的结构与功能
2.1 复习笔记
一、核酸的化学组成及一级结构
DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸，RNA的基本组成单位是核苷酸。
1核酸的化学组成
核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类，RNA中又分mRNA、tRNA和rRNA三种。核酸化学组成如图2-1，表2-1。
图2-1 核酸的化学组成
表2-1 两类核酸的基本化学组成
2核苷酸
核苷酸为核酸的基本组成单位，由磷酸、戊糖和含氮碱基3种成分组成。图2-2所示为脱氧核糖核苷酸的化学结构。
图2-2 脱氧核糖核苷酸的化学结构
（1）碱基
碱基可分为嘌呤和嘧啶；常见的嘌呤包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G），嘧啶包括尿嘧啶（U）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）。
（2）核苷的形成
核苷是戊糖和碱基通过糖苷键连接形成的产物。
（3）核苷酸
①核苷酸的形成和分类
核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）。根据连接的磷酸基团的数目不同，核苷酸可分为核苷一磷酸NMP、核苷二磷酸NDP、核苷三磷酸NTP。构成RNA的核苷酸包括：AMP、GMP、CMP、UMP；构成DNA的脱氧核苷酸包括：dAMP、dGMP、dTMP、dCMP。
②核苷酸的衍生物
核苷酸还会以其他衍生物的形式参与调节生命活动，如环腺苷酸（cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）是细胞信号转导过程中的第二信使，能够调控基因的表达。
3核酸的一级结构和大小
（1）核苷酸之间通过磷酸二酯键连接形成的大分子链，即核酸，核酸的一级结构是核苷酸序列。
（2）核酸分子的大小常用碱基数目或碱基对数目来表示。
二、DNA的空间结构与功能
空间结构是指构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系，包括二级结构和高级结构。
1DNA的二级结构（双螺旋结构）
（1）DNA双螺旋结构的特点
①DNA由两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链组成，为右手螺旋，螺旋直径为2.37nm，螺距为3.54nm；
②由脱氧核糖和磷酸基团构成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧；
③DNA双链之间形成了互补碱基对，A与T相配对，形成两2个氢键；G与C相配对，形成3个氢键；
④每一个螺旋平均有10.5个碱基对，每两个碱基对之间的相对旋转角度为36°，相邻碱基平面距离为0.34nm；
⑤碱基对的疏水作用力（碱基堆积力）和氢键共同维系DNA双螺旋结构的稳定，前者的作用更重要。
（2）DNA双螺旋结构的多样性
①B型DNA：又称为B-DNA，即双螺旋结构，为DNA的经典结构。
②A型DNA：当环境的相对湿度降低后，DNA仍然为右手双螺旋结构，但空间结构参数发生变化。
③Z型-DNA：为左手螺旋的结构特征的DNA。
（3）DNA的多链结构
①Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成C＋GC的三链结构；同理形成T＋AT的三链结构。
②真核生物DNA中的鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构。
2DNA的三级结构（超螺旋结构）
（1）超螺旋结构
①原核生物：环状超螺旋结构，且以负超螺旋（盘绕方向与DNA双螺旋方向相反）的形式存在。
②真核生物：高度有序和高度致密的结构——染色体。
a．核心颗粒结构
150bp长的双链DNA盘绕在由组蛋白H2A，H2B，H3和H4构成的八聚体上。
b．DNA折叠过程
第一层次折叠，150bp长的双链DNA在组蛋白八聚体上盘绕1.75圈形成核小体的核心颗粒。核心颗粒之间再由DNA（约60bp）和组蛋白H1构成的连接区连接起来构成了串珠状的染色质细丝。这一折叠使DNA压缩了6～7倍。
第二层次折叠，染色质细丝盘绕形成中空状螺线管，使DNA压缩了6倍。
第三层次折叠，染色质纤维空管进一步卷曲和折叠形成超螺线管，压缩了40倍。
第四层次折叠，染色质纤维进一步压缩成染色单体，在核内组装成染色体。
3DNA的生物学意义
（1）DNA是遗传的物质基础。
（2）DNA是生物遗传信息载体，并为基因复制和转录提供了模板。
三、RNA的结构与功能
表2-2 三种主要RNA的比较
1mRNA
功能是为蛋白质的生物合成提供模板。
（1）真核生物的mRNA前体为不均一核RNA（hnRNA），有编码区和非编码区（图2-3）。真核生物mRNA含有特殊的5′-末端的帽（m7GpppN）结构和3′-末端的多聚A尾结构。原核生物mRNA没有这种结构。
图2-3 真核生物mRNA的结构示意图
（2）在所有的RNA中，mRNA的寿命最短。
2tRNA
（1）功能
在蛋白质生物合成中作为氨基酸的载体。
（2）结构特点
①含有多种稀有碱基，包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶核苷（ψ）和甲基化的嘌呤（m7G，m7A）等。tRNA分子中的稀有碱基均是转录后修饰而成的。
②tRNA二级结构：茎环结构又称发夹结构，酷似三叶草的形状，从5′→3′依次为：DHU环＋反密码子环＋TψC环＋CCA结构（图2-4）。
图2-4 tRNA的二级结构
a．二氢尿嘧啶环具有二氢尿嘧啶（DHU），通过双螺旋区与tRNA的其余部分相连；
b．反密码环具有反密码子，能够识别mRNA的密码子，将其所携带的氨基酸正确地运送到蛋白质合成的场所；
c．TψC环通过TψC臂与tRNA的其余部分相连；
d．氨基酸臂的3′末端为—CCA-OH结构，是携带氨基酸的位点。
③三级结构呈倒置的L形。
一个tRNA只能携带一种氨基酸，不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。
3rRNA
（1）功能
rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体。rRNA是细胞内含量最多的RNA。
（2）种类
表2-3 真核生物与原核生物核糖体的组成比较
（3）原核生物核糖体的三个重要的部位
①A位：结合氨基酰-tRNA的氨基酰位。
②P位：结合肽酰tRNA的肽酰位。
③E位：排出卸载了氨基酸的tRNA的排出位。
4非mRNA小RNA（snmRNA）
（1）功能
①调控作用
调节hnRNA和rRNA的转录后加工、转运以及基因表达过程。
②催化作用
某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。这类RNA亦被称为核酶或催化性RNA。
③防御作用
siRNA是生物宿主对于外源侵入的基因所表达的双链RNA进行切割所产生的具有特定长度（21～23bp）和特定序列的小片段RNA。这些siRNA可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。
（2）种类
核内小RNA（snRNA）、核仁小RNA（snoRNA）、胞质小RNA（scRNA）、催化性小RNA（small catalytic RNA）、小片段干扰RNA（siRNA）、催化性小RNA、微RNA（miRNAs）等。
5真核细胞内主要RNA的种类和功能总结
表2-4 真核细胞内主要RNA的种类和功能
四、真核细胞和原核细胞基因表达的时空特异性
1原核细胞中，RNA的合成和蛋白质的合成均在同一个空间内同时完成。
2真核细胞中，由于核膜的存在，RNA合成和蛋白质合成将在不同的空间内完成，并具有时间上的差异。
五、核酸的理化性质
1核酸分子具有强烈的紫外吸收的性质。
（1）嘌呤和嘧啶都含有共轭双键，因此碱基、核苷、核苷酸、核酸都具有紫外吸收特性，最大吸收值在260nm附近。
（2）A260＝1.0相当于50μg/ml双链DNA,40μg/ml单链或RNA以及20μg/ml寡核苷酸。
（3）利用A260/A280可以判断核酸样品的纯度，纯DNA样品A260/A280为1.8，纯RNA为2.0。
2DNA变性
（1）定义
DNA变性指会导致DNA双链互补碱基对之间的氢键在某些理化因素（温度、pH、离子强度等）作用下发生断裂，使双链DNA解离为单链的现象。
（2）融解温度（Tm）
①Tm指在解链过程中，50%的DNA双链被打开时所对应的温度，也称DNA的解链温度。
②DNA的Tm值与其DNA长短以及碱基的GC含量相关。GC的含量越高，Tm值越高；离子强度越高，Tm值也越高。
3DNA的增色效应
在DNA解链过程中，由于有更多的共轭双键得以暴露，DNA在260nm处的吸光度随之增加的现象。是监测DNA双链是否发生变性的最常用的指标。
4变性的核酸可以复性或形成杂交双链
（1）复性或退火
①复性指两条解离的互补链在变性条件缓慢地除去后可重新配对，恢复原来的双螺旋结构的现象。
②将热变性的DNA迅速冷却至4℃以下，DNA不可能发生复性。这一特性被用来保持DNA的变性状态。
（2）核酸分子杂交
在DNA的复性过程中，不同种类的DNA单链或RNA之间存在着一定程度的碱基配对关系而发生配对的现象称为核酸分子杂交。
六、核酸酶
1分类
（1）依据核酸酶底物分类
①DNA酶（DNase）：能够专一性地催化水解脱氧核糖核酸。
②RNA酶（RNase）：能够专一性地催化水解核糖核酸。
（2）依据对底物的作用方式分类
①核酸外切酶：仅能水解位于核酸分子链末端的磷酸二酯键。
②核酸内切酶：只可以在DNA或RNA分子内部切断磷酸二酯键，此外，有些内切酶要求酶切位点具有特定的核酸序列，这类内切酶称为限制性核酸内切酶。
2作用
（1）参与DNA的合成与修复及RNA合成后的剪接等重要的基因复制和表达的过程；
（2）清除多余的、结构和功能异常的核酸，同时也可以清除侵入细胞的外源性核酸；
（3）分泌到细胞外，如人体消化液中的核酸酶可以降解食物中的核酸以利用吸收；
（4）限制性核酸内切酶是分子生物学中的重要工具酶，能够特异性地识别酶切位点。