第二章 核酸的结构与功能
2.1 复习笔记
一、核酸的化学组成及其一级结构
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。
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
核苷酸之间通过磷酸二酯键连接形成的大分子链，即核酸。核酸的一级结构是指核苷酸的排列顺序，由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以又称碱基序列。
二、DNA的空间结构与功能
DNA的空间结构是指构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系，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的高级结构——超螺旋结构
DNA双链再盘绕形成超螺旋结构，又称三级结构。DNA以超螺旋形式存在不仅有助于DNA分子在细胞内的包装，也是DNA实现复制、转录、重组等功能所需要的。
（1）正超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方向相同。
（2）负超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。大部分原核生物DNA是环状的双螺旋分子，且以负超螺旋的形式存在。
真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构——染色体。
3DNA的生物学意义
DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供模版。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。
三、RNA的结构与功能
RNA通常为单链线型分子，可自身回折形成局部双螺旋进而折叠，除tRNA外几乎全部细胞中的RNA均与蛋白质形成核蛋白复合物。
表2-2 三种主要RNA的比较
1mRNA
（1）真核生物mRNA
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）。真核生物的mRNA5′-端有特殊帽结构（反式的7-甲基鸟嘌呤三磷酸核苷，m7Gppp），3′-端有多聚腺苷酸尾，去除帽、尾结构可导致mRNA迅速降解。原核生物的mRNA不具有5′帽和3′多聚A尾结构。
（2）mRNA的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列，mRNA是蛋白质合成中的模板。
图2-3 真核生物mRNA的结构示意图
2tRNA
tRNA在蛋白质生物合成中作为氨基酸的载体，转运氨基酸到蛋白质合成场所，它的结构特点是：
（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。
（2）tRNA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2-4a）。
图2-4a tRNA的二级结构
①二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；
②反密码环具有反密码子；
③TψC环通过TψC臂与tRNA的其余部分相连；
④氨基酸臂的3′末端为—CCA-OH结构，是携带氨基酸的位点。
（3）X线衍射图像分析表明，tRNA的三级结构是倒L形的空间结构（图2-4b）。
图2-4b tRNA的三级结构
3核糖体RNA（rRNA）
rRNA是细胞内含量最多的RNA，与核糖体蛋白共同构成核糖体（蛋白质合成的场所）。真核生物与原核生物核糖体的组成存在差异（表2-3）。
表2-3 真核生物与原核生物核糖体的组成比较
4其他非编码RNA参与基因表达的调控
除了上述三种RNA外，真核细胞中还存在着参与转录调控、RNA的剪切和修饰等细胞重要功能的非编码RNA（ncRNA）。这是一类不编码蛋白质但具有重要生物学功能的RNA分子。
（1）长链非编码RNA（lncRNA）：长度大于200nt的非编码RNA；
（2）短链非编码RNA（sncRNA）：长度小于200nt的非编码RNA，亦称为非编码小RNA（snmRNA）。snmRNA主要有以下几种类型：
①核内小RNA（snRNA）：位于细胞核内，参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪切。
②核仁小RNA（snoRNA）：位于核仁，参与rRNA的加工修饰。
③胞质小RNA（scRNA）：位于细胞质中，参与形成信号识别颗粒，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成。
④催化性小RNA：又称核酶，具有催化功能，能催化特定RNA降解，在RNA剪切修饰中起重要作用。
⑤小干扰RNA（siRNA）：可以以单链的形式与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导相应的mRNA降解。
⑥微RNA（miRNAs）：通过结合而选择性调控基因的表达。
四、核酸的理化性质
1核酸的紫外吸收
（1）含有共轭双键的嘌呤和嘧啶在紫外波段有较强的光吸收。
（2）在中性条件下，它们的最大吸收值在260nm附近。因此依据260nm处的吸光度（A260），可以确定出溶液中的DNA或RNA的含量。A260＝1.0相当于50μg/ml双链DNA，40μg/ml单链DNA或RNA，或20μg/ml寡核苷酸。
（3）利用A260/A280可以判断所提取的核酸样品的纯度。纯DNA样品A260/A280为1.8，RNA纯品的A260/A280为2.0。
2核酸的酸性和黏性
（1）核酸为多元酸。
（2）DNA和RNA都是线性高分子，因此它们溶液的黏滞度极大，且DNA溶液的黏滞度远大于RNA。
3DNA变性与复性
（1）DNA的变性
DNA变性是指某些理化因素（温度、pH、离子强度等）会导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，使DNA双链解离为单链的现象。DNA变性只破坏其空间结构，不改变DNA的核苷酸序列。
①DNA的增色效应
DNA的增色效应是指DNA变性后光吸收增加的现象。DNA的增色效应是监测DNA双链是否发生变性的一个最常用的指标。
②解链温度（Tm）
ΔA260达到最大变化值的一半时的温度，或者说解链过程中50%的DNA双链被打开时所对应的温度，称为解链温度（Tm）或融解温度。Tm值的大小与DNA长短、碱基的GC含量成正比。
（2）DNA的复性
①DNA的复性是指当变性条件缓慢除去后，两条解离的互补链重新互补配对恢复完整的双螺旋结构的过程。
②退火是指发生热变性的DNA缓慢冷却下来后可以复性的过程。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。
③核酸杂交是指同一溶液中的不同种类的DNA或RNA单链之间存在一定程度的碱基配对关系，可能发生配对而形成杂化双链的现象。
五、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。