第二节 核酸的结构与功能
一、DNA的结构与功能
（一）DNA的一级结构
核酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸（或脱氧核苷酸）从5′-端到3′-端的排列顺序。其表示方法如图3-6（b）所示。在多核苷酸链中，磷酸戊糖部分是主链，碱基作为侧链，排列在主链一侧。虽然DNA只由4种碱基组成，但自然界中DNA分子的长度可达几十万个碱基，不同的碱基排列顺序蕴涵着特定的遗传信息。
★ 考点提示：DNA一级结构的概念
（二）DNA的空间结构
DNA的空间结构是指构成DNA所有原子在三维空间的相对位置关系，可分为二级结构和高级结构。
1. DNA的二级结构
J．Watson和F.Crick两位年轻的科学家在1953年提出了DNA分子二级结构的双螺旋结构（double helix）模型（图3-7）。这一发现揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子机制，它不仅解释了当时已知的DNA的一切理化性质，而且还将DNA的功能与结构联系起来，奠定了现代生命科学的基础。J.Watson和F.Crick提出的DNA双螺旋结构具有以下特征。
图3-7 DNA双螺旋结构和碱基配对示意图
（1）DNA是反向平行的双链结构 DNA由两条平行且方向相反的多聚核苷酸链围绕同一中心轴盘旋而成右手双螺旋结构。两条链的走向相反，一条为5′→3′，另一条是3′→5′。双螺旋表面形成大沟和小沟，这些沟状结构是蛋白质识别DNA碱基序列并发生相互作用的基础。
（2）双链结构严格遵循碱基互补配对原则 在DNA双螺旋结构中，磷酸戊糖构成的主链位于外侧，碱基位于内侧，碱基之间以氢键结合。在碱基配对中，总是A与T配对，形成两个氢键；G与C配对，形成三个氢键，这种配对规律称为碱基互补配对原则。通过碱基互补而结合的两条链彼此称为互补链。
（3）双螺旋的直径为2nm，螺距为3.4nm 每一螺旋含有10个碱基对，上下层碱基对之间的堆砌距离为0.34nm，并有36°的旋转夹角。
（4）维持DNA双螺旋结构稳定的作用力是氢键和碱基堆积力 其中上下层碱基之间的堆积力维系双螺旋纵向结构的稳定，互补碱基之间的氢键维系双螺旋横向结构的稳定。相对而言，碱基堆积力是维持双螺旋结构稳定的主要力量。
知识链接
DNA双螺旋结构的建立
20世纪40年代末至50年代初期，Erwin chargaff等利用层析和紫外吸收光谱等技术研究了DNA化学成分，提出了DNA分子的碱基组成的Chargaff规则：①腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等（A-T），鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等（G-C）；②不同生物种属的DNA碱基组成不同；③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。
此后，M.Wilkins和R.Franklin获得了高质量的DNA分子X线衍射照片。分析结果表明DNA是螺旋性分子，并且是以双链的形式存在。
综合前人的研究结果，J.Watson和F.Crick提出了DNA分子双螺旋结构的模型，亦称为Watson-Crick结构模型。这一结构模型揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子机制，揭开了现代分子生物学研究的序幕，为分子遗传学的发展奠定基础。
Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型是基于92%的相对湿度得到的DNA纤维的X线衍射图像的分析结果。这是DNA在水性环境下和生理条件下最稳定的结构。后来人们发现DNA的结构不是一成不变的，在改变溶液的离子强度或相对湿度后，DNA双螺旋结构中沟的深浅、螺距、旋转角度等都会发生变化。目前已知的DNA二级结构形式有3种类型：B-DNA（Watson-Crick模型）、A-DNA和Z-DNA。A-DNA和B-DNA均为右手螺旋结构，差别主要在于双螺旋的密度不同；Z-DNA为左手螺旋结构。综上所述，DNA的右手双螺旋结构不是自然界DNA的唯一存在方式。在生物体内，不同类型的DNA在功能上可能有所差异，与基因表达的调节和控制相适应。
2. DNA的高级结构
不同物种的DNA分子大小和复杂程度相差很大。一般来说，生物进化程度越高，其基因组DNA分子越庞大。
原核生物的DNA一般为环状双螺旋分子，在二级结构基础上，进一步盘绕形成麻花状超螺旋结构（图3-8）。在细胞中，超螺旋结构的盘绕方向与DNA双螺旋方向相同为正超螺旋；盘绕方向与DNA双螺旋方向相反则为负超螺旋。自然界的闭合双链DNA主要是以负超螺旋形式存在。
图3-8 原核生物环形DNA的超螺旋结构
真核生物DNA与蛋白质结合，以非常致密的形式存在于细胞核内。在细胞间期以染色质的形式出现，在细胞分裂期形成高度凝集的染色体。染色质的基本组成单位是核小体。核小体由5种组蛋白和DNA共同组成。组蛋白H2A、H2B、H3、H4各2分子共同构成八聚体的核心组蛋白，长度约150bp的DNA双链在组蛋白八聚体上盘绕1.75圈形成核小体的核心颗粒；组蛋白H1和约60bp的DNA构成连接区。核小体的核心颗粒与连接区连接起来形成串珠状染色质细丝。核小体又进一步旋转折叠形成中空螺旋管，进而卷曲折叠成超螺旋管纤维，再进一步压缩为染色单体，在核内组装成染色体。
（三）DNA的功能
DNA是遗传信息的载体。DNA的基本功能是作为生物遗传信息的携带者，是基因复制和转录的模板。基因（gene）就是DNA分子中的功能性片段。经过复制可将遗传信息传递给子代，经过转录和翻译可指导参与生命活动的各种蛋白质和与之相关的各种RNA的有序合成。一个生物体的全部基因序列称为基因组（genome）。
★ 考点提示：DNA双螺旋结构的特征及DNA的功能
二、RNA的结构与功能
RNA在生命活动中同样具有重要作用，它和蛋白质共同参与基因的表达和表达过程的调控。RNA分子比DNA分子小得多，小的仅含数十个核苷酸，大的由数千个核苷酸组成。RNA的种类、大小和结构都远比DNA多样化，其功能也各不相同（表3-2）。
表3-2 真核细胞内主要RNA的种类、结构特点与功能
（一）信使RNA
细胞核内DNA的遗传信息通过信使RNA（messenger RNA，mRNA）转移至细胞质，进而指导蛋白质的生物合成，将自身的核苷酸序列转变为多肽链中氨基酸的排列顺序。因此，mRNA是蛋白质生物合成的直接模板。mRNA占总RNA的2%～5%，但种类最多。
mRNA由编码区和非编码区组成。其编码序列上每3个相邻核苷酸为一组，决定相应多肽链中某一种氨基酸（或多肽链合成的起始或终止信号），被称为三联体密码或密码子。
真核生物成熟mRNA的5′-末端有一个7-甲基鸟苷三磷酸（m7GpppN）的帽子结构（图3-9），3′-末端有一段80～250个腺苷酸组成的多聚A（poly A）尾，二者均可增强mRNA的稳定性。帽子结构在蛋白质合成中还可促进核糖体与mRNA的结合，加速翻译的起始；poly A尾还参与mRNA从细胞核向细胞质的转位并参与调控蛋白质合成的速度。
图3-9 真核生物成熟mRNA帽子结构
原核生物的mRNA未发现5′端的帽子结构和3′端的poly A尾。
（二）转运RNA
转运RNA（transfer RNA，tRNA）的功能是作为各种氨基酸的转运工具，在蛋白质生物合成过程中起到活化与转运氨基酸的作用。一般由74～95个核苷酸组成，在三类RNA中分子量最小。tRNA分子中含有较多的稀有碱基，如二氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（Ψ）及甲基化碱基等，这些稀有碱基是tRNA合成后化学修饰的产物。
tRNA的二级结构呈三叶草形（图3-10）。其结构特点为：有四个局部螺旋区，包含三个环和一个附加叉（可变环）。tRNA的三个环分别被称为DHU环、TΨC环和反密码环。位于下方的反密码环上居中的3个核苷酸构成反密码子，可与mRNA上的密码子反向互补结合，将自身携带的氨基酸运送到正确位置。位于上方的茎环结构称为氨基酸臂，是结合氨基酸的部位。所有tRNA 3′-末端都是CCA-OH结构，氨基酸与CCA-OH脱水结合生成氨基酰-tRNA。
图3-10 tRNA的二级结构（a）和三级结构（b）
tRNA在二级结构基础上进一步折叠形成三级结构（图3-10）。tRNA的三级结构呈倒L型，L型的拐角处有DHU环和TΨC环，这是所有tRNA的共同结构特点。
（三）核糖体RNA
核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）与多种蛋白结合共同构成的核糖体（又称核蛋白体）是蛋白质生物合成的场所。rRNA是细胞内含量最多的一类RNA，占RNA总量的80%以上。
原核生物有三种rRNA，大小分别为5S、16S、23S，其中16S rRNA和20余种蛋白质构成核糖体的小亚基，大亚基则由5S和23S rRNA共同与30余种蛋白质结合构成。真核生物有四种rRNA，大小分别为5S、5.8S、18S、28S，其中18S rRNA和30余种蛋白质构成核糖体小亚基，5S、5.8S、28S三种rRNA和近50种蛋白质结合构成大亚基。
★ 考点提示：三种RNA的结构特点及功能
知识链接
三种RNA的发现
1958年Crick提出“转换器”假说，认为在蛋白质生物合成过程中信息由核酸到蛋白质必定有信号转换的中介物。当时已从细胞匀浆超速离心的上清液中提出一种可溶性RNA，不久就知道这类RNA就相当于Crick的转换器，其后又被称作tRNA。用差速离心的方法除去细胞碎片和各种细胞器，然后在105×g离心力作用下可将核糖体沉降下来。核糖体是直径为20nm的颗粒，含有大约40%的蛋白质和60%的RNA。1959年分离出rRNA。1961年F.Jacob和J.Monod提出信使RNA的假设，同时有几个实验室用放射性核素脉冲标记的方法从感染或未感染噬菌体的E.coli中分离出mRNA。
知识链接
短链非编码RNA
短链非编码RNA的长度一般<200nt，主要有以下几种类型：①核小RNA（small nuclear RNA，snRNA）：位于细胞核内，许多snRNA参与真核细胞hnRNA（mRNA前体）的加工剪接过程。②核仁小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）：定位于核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如rRNA中核糖C-2′的甲基化修饰。③胞质小RNA（small cytoplasmic RNA，scRNA）：存在于胞质中，参与形成蛋白质内质网定位合成的信号识别体。④催化性小RNA：又被称为核酶（ribozyme），是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定的RNA降解的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用。⑤小片段干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）：是生物宿主对外源侵入的基因表达的双链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，能与外源基因表达的mRNA相结合，并诱导这些mRNA的降解。