任务二　核苷酸的组成与结构

核苷酸是组成核酸的基本结构单位，由磷酸、含氮碱基和戊糖组成。基因以脱氧核糖核酸（DNA）为化学形式存在于染色体上，是生物遗传的基础。

一、DNA的组成与结构

（一）DNA的分子组成

核酸是以核苷酸为基本结构单位的多聚化合物，连接方式为3，5-磷酸二酯键。DNA是遗传信息的主要载体。20世纪40～50年代，Chargaff发现了DNA分子中碱基组成的规律，称为Chargaff规则，该规则主要内容如下。

（1）DNA的组成碱基有A、T、G和C，在所有的生物体内，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）相等，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）相等。

（2）DNA具有多样性，即种属特异性。来自同一种属的DNA其碱基数量和比例基本相似，但来自不同种属的生物间存在较大的差异。

（3）DNA碱基无组织器官特异性。对于同一生物体，来自于不同组织和器官中的DNA碱基基本相同，且随着动植物和微生物的生长繁殖、营养状态及环境条件的改变，DNA碱基基本保持恒定。

（4）DNA分子是由4种碱基组成的双链结构，碱基基本单元为脱氧腺苷酸（dAMP）、脱氧胸苷酸（dTMP）、脱氧鸟苷酸（dGMP）和脱氧胞苷酸（dCMP）。

（二）DNA的一级结构

DNA一级结构是指DNA链上4种碱基的排列顺序。由3，5-磷酸二酯键相连形成的多聚核苷酸也称为DNA的碱基序列（DNA base sequence）。DNA碱基顺序是遗传信息多样性的基础。每条DNA链都有5'-末端和3'-末端，书写时，5'-末端常写在左侧，3'-末端在右侧，如5'-AGTCACCT-3'。RNA的书写方式与DNA相同。DNA一级结构见图4-9。

注：P和斜线代表3'，5'-磷酸二酯键，竖线表示核糖的碳链

由于核酸分子中相邻核苷酸之间通过3'，5'-磷酸二酯键连接，所以开链多核苷酸的戊糖3'-羟基指向的一端称为3'-末端，5'-羟基指向的末端称为5'-末端。

DNA的空间结构包括二级结构和三级结构。

（三）DNA的空间结构

1.DNA的二级结构

1953年，Waston和Crick研究得到DNA钠盐纤维的结构，这种DNA称为B-DNA，并提出DNA分子的右手双螺旋结构模型，确定了DNA的二级结构。DNA双螺旋结构的确立为现代分子生物学的奠基奠定了坚实的基础，是生物学发展史上的里程碑，为揭示生物遗传奥秘奠定了基础。DNA双螺旋结构见图4-10。

DNA双螺旋结构模型的特点主要如下。

（1）DNA由两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链组成，其中一条链的走向为5'→3'，另一链的走向为3'→5'。两条脱氧核苷酸链围绕中心轴通过右手螺旋方式形成双螺旋结构。以脱氧核糖-磷酸为骨架，螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间的结构。大沟位于相邻的双股之间，而小沟位于双螺旋的互补链之间，大沟宽1.2nm、深度为0.85nm，小沟宽0.6nm、深度为0.75nm，大小沟对于DNA与蛋白质互作非常重要。

（2）4种碱基位于螺旋内部，磷酸和核酸位于螺旋外侧，碱基垂直螺旋轴，与对侧碱基形成氢键配对（AT，）。在空间上可能的碱基配对只有腺嘌呤与胸腺嘧啶以及鸟嘌呤与胞嘧啶，所以两条链是互补的。一条链上的碱基次序由另一条链上的碱基次序来决定。这点对DNA复制具有重要作用。碱基平面与戊糖平面互相垂直，各碱基对的平面彼此平等，互相重叠，呈板状堆积。碱基对之间横向的氢键和碱基平面纵向的疏水性碱基堆积力是维持DNA双螺旋结构稳定性的重要化学键。

（3）相邻碱基平面距离0.34nm，两个核苷酸的夹角为36°，螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基。

Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构是以生理盐水溶液提取的DNA纤维在92％相对湿度条件下利用X射线衍射图谱数据推算出来的，是DNA在水性环境和生理环境条件下最稳定的结构，也是最常见的DNA结构。但值得注意的是，这并非是DNA唯一的二级结构。在相对湿度为75％时，DNA分子X射线衍射得到的DNA结构为A型构象，称A-DNA。该构象每个螺旋含有11个碱基对，大沟变窄而深，小沟变宽而浅。因此，DNA与蛋白质的识别就会发生改变。当采取乙醇来纯化DNA时，大部分DNA由B-DNA经过C-DNA，最终变为A-DNA。DNA转录状态下，其模板DNA与RNA形成的双链就是A-DNA，对基因表达有重要意义。B-DNA双链均被RNA链取代而得到两条RNA链组成的双螺旋也是A-DNA结构。此外，1979年，A.Rich在研究人工合成的寡核苷酸d（CGCGCG）的X射线衍射图谱时，发现有左手螺旋，比右手螺旋螺距要长（约4.5nm）且窄（约1.8nm），每个螺旋含有12个碱基对，结构中的磷原子呈锯齿排列，呈“Z”字形，故称Z-DNA。1981年，Rich在果蝇中发现了天然的Z-DNA。随后，在植物细胞核以及人类胎儿球蛋白基因中也陆续发现Z-DNA，约占到总DNA的5％。Z-DNA在原核生物中较少发现，主要存在于真核生物基因的5'-端基因表达调控序列中。可以推断，Z-DNA的出现与基因表达调控有重要关系，是DNA进化中出现的特殊构象。A-DNA、B-DNA和Z-DNA结构区别见表4-4。

2.DNA的三级结构

DNA双螺旋结构进一步扭曲和折叠形成的特定空间结构称为DNA的三级结构，为超螺旋结构，分正超螺旋和负超螺旋两种构象（图4-11）。

放松DNA双螺旋形成的超螺旋称为负超螺旋，而旋紧DNA双螺旋形成的超螺旋称为正超螺旋。自然界，主要以负超螺旋构象比较常见，这种形式有利于超螺旋DNA复制和转录过程的解链。在线粒体、病毒和细菌中发现的环状DNA全都以负超螺旋构象存在，真核生物染色体DNA在核小体结构中的扭曲也是负超螺旋。超螺旋对DNA具有特殊意义，生物体内的大多数DNA以超螺旋形式存在，有利于很长的DNA分子被高度压缩，从而有利于DNA的进一步包装。有些DNA分子超螺旋数可达20或30，典型的超螺旋是细菌染色体每1000个碱基就含有5个超螺旋，真核生物中超螺旋结构更为常见。在原核和真核生物中有能改变DNA超螺旋状态的酶，称为拓扑异构酶（topoisomerases）。拓扑异构酶Ⅰ能切断DNA的一条链减少负超螺旋，拓扑异构酶Ⅱ能催化双链DNA断裂。超螺旋构象的去除是自发过程，不需要外部能量驱动。

二、RNA的组成与结构

RNA分子与DNA分子一样，是由一个核苷酸的3’位和另一个核苷酸的5’位通过3，5-磷酸二酯连接的聚核苷酸分子，是DNA翻译成蛋白质的“中介”。按照中心法则，贮存于DNA分子中的遗传信息需转录成RNA后，才能翻译成蛋白质。因此，RNA分子在蛋白质的生物合成中和DNA遗传信息的表达过程中具有非常重要的作用。

（一）RNA分子的组成

RNA是另一类核酸生物大分子，其分子组成和结构与DNA有区别，主要体现在：

（1）RNA分子为单链分子，但很多区域可以自身进行碱基配对形成回折，而DNA常为双螺旋分子结构；

（2）RNA的核糖为D-戊糖，而DNA为D-2-脱氧戊糖；

（3）RNA的四种碱基为AUGC，而DNA为ATGC，在RNA中还含有多种经修饰的碱基和核苷；

（4）RNA由DNA转录生成，分子量比DNA要小，一般含有几十至几千个核苷酸，且RNA为多拷贝。

（二）RNA分子的结构

1.RNA分子的一级结构

RNA分子的一级结构是指组成RNA分子的核苷酸按特定序列连接而成的多聚核苷酸线性结构，即多聚核苷酸链中碱基的排列顺序。RNA分子组成的碱基有AUGC。组成RNA核苷酸的连接键为3'，5'-磷酸二酯键。用牛脾磷酸二酯酶水解天然RNA，其产物中只有3'-核苷酸，没有发现有2'-核苷酸，说明核苷酸结构中虽有C2'-OH，但不形成2'，5'-磷酸二酯键。在RNA的碱基中，还有部分稀有碱基，如tRNA中的5，6-二氢尿嘧啶（DHU）、次黄嘌呤、1-甲基鸟嘌呤m1G等。

2.RNA分子的空间结构

RNA分子通常以单链形式存在，但在某些阶段可通过回折形成局部的双螺旋结构，回折处以AU和配对，碱基之间形成氢键，不能配对的碱基膨出成环状，这种局部双螺旋与环状形成一种鼓槌形的发夹结构即RNA二级结构。tRNA二级结构含有3个发夹结构，呈三叶草形。双螺旋区成了叶柄，突出区好像三叶草的三片小叶片。由于双螺旋所占比例较高，tRNA二级结构十分稳定，由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和TψC环五部分组成。见图4-12。

RNA二级结构特点如下。

（1）氨基酸臂：由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为-CCA，接受活化的氨基酸。

（2）二氢尿嘧啶环：由8～12个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，通过3～4对碱基组成的双螺旋区与其余部分相连。

（3）额外环反密码环：由7个核苷酸组成，环中部为反密码子，由3个碱基组成，反密码环通过由5对碱基组成的双螺旋区与其余部分相连。

（4）额外环：由3～18个核苷酸组成，不同的tRNA具有不同大小的额外环，是tRNA分类的重要指标。

（5）假尿嘧啶-胸腺嘧啶核糖核苷环（TψC），由7个核苷酸组成，5对碱基组成的双螺旋区与其余部分相连。

1973～1975年，S.H.Kim等用高分辨率（0.3nm）X射线衍射技术分析tRNA晶体，测定了酵母苯丙氨酸tRNA（酵母tRNAphe）的三维空间结构，提出了tRNAphe分子的倒L形三级结构。随后，大肠杆菌起始tRNA、大肠杆菌精氨酸tRNA和酵母起始tRNA等的三级结构陆续被鉴定，进一步明晰了所有真核和原核生物tRNA三级结构都是倒L形（图4-13）。tRNA三级结构的特点如下。

（1）L端是3’端CCA，另一端是反密码子，两端之间的距离为7nm。

（2）分子中的碱基对之间有维系三级结构的氢键。碱基对中，除按Watson-Crick标准配对的外，还有许多非标准配对的氢键，例如碱基与核糖以及碱基与磷酸之间形成的氢键。

（3）tRNA的三级结构分子中，对称性结构约占分子的40％。

（4）tRNA的倒L形模型虽然为一切tRNA所共有，但也有几种tRNA分子的精细结构存在着差异。这包含分子中拐角的大小、CCA末端的伸展度、肽链折叠的松紧和反密码子臂的构象等。

mRNA是DNA遗传信息的传递中间体，能将DNA的遗传信息从细胞核转移到细胞质并作为蛋白质合成的模板。mRNA结构有如下几大特点：

（1）含量最少，约占细胞内RNA的2％～5％，但种类很多，约有105种，寿命短。

（2）大多数真核生物细胞mRNA的3'-末端有一段约200个polyA（多聚腺嘌呤）尾巴，可能与mRNA由细胞核向细胞质转移以及mRNA稳定性有关。原核生物细胞mRNA一般无3'polyA结构。

（3）真核生物细胞5'-末端有特殊的“帽子”结构，即7-甲基鸟苷三磷酸（m7GPPPN），可能于蛋白质合成起始有关。

rRNA是细胞中含量最多的一类RNA，约占细胞RNA总量的80％。所有rRNA分子均由一条多核苷链组成，是构成核糖体的骨架，与蛋白质结合形成核糖体作为蛋白质合成的场所。核糖体由大小两个亚基组成，原核生物含3种rRNA，其中23SrRNA和5SrRNA存在于核糖体的大亚基中，而16SrRNA则存在于小亚基中。真核细胞核糖体rRNA有四种，其中5SrRNA、5.8SrRNA、28S rRNA在核糖体的大亚基中，而18SrRNA存在于小亚基中。