第二節　核酸的分子結構

一、DNA的分子結構

（一）DNA的一級結構

DNA是由4種脫氧核苷酸通過3'，5'-磷酸二酯鍵相連接，聚合形成多聚脫氧核苷酸鏈。DNA的一級結構就是指這些脫氧核苷酸在分子中的排列順序，也就是堿基排列順序。

核酸分子的大小常用堿基（base或kilobase）數目或堿基對（base pair，bp）數目來表示。原核生物DNA分子較小，最小的病毒DNA約為5000bp；真核生物的DNA分子很大，一般在106～1010bp。由于各種生物的遺傳信息均蘊藏于它們的堿基順序中，因此，DNA一級結構的分析對闡明DNA的結構和功能具有重要意義。于1990年啟動的舉世矚目的

人類基因組計劃，目的就是要完成人類單倍體基因組DNA 3×109bp全序列的測定，破譯決定人類個體生長發育、生老病死的全部遺傳信息。

（二）DNA的二級結構

1952年，E.Chargaff等采用色譜和紫外分析等技術，深入研究了DNA分子的堿基組成成分。他們發現DNA分子組成中具有如下規律：①腺嘌呤和胸腺嘧啶的物質的量總是相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的物質的量總是相等；②不同種屬生物的DNA堿基組分不同；③同一生物體的不同器官、不同組織中的DNA具有相同的堿基組成。

英國的R.Franklin和M.Wilkins于1952年獲得了高質量的DNA分子X射線衍射圖。他們分析認為DNA是螺旋性分子，且是以雙鏈形式存在的。綜合前人的研究成果，J.Watson和F.Crick于1953年提出了DNA的雙螺旋結構模型，闡明了DNA的二級結構。這一模型的提出為生物體內遺傳物質的傳代和表達等DNA的功能研究奠定了基礎，推動了現代分子生物學與生命科學的發展。DNA的雙螺旋結構模型要點如下。

① DNA分子由兩條反向平行（即一條鏈由3'→5'，另一條鏈由5'→3'）的脫氧核苷酸鏈構成雙螺旋結構。兩條鏈圍繞一中心軸形成右手螺旋。螺旋表面形成大溝（major groove）與小溝（minor groove）（圖2-11）。這些溝狀結構與蛋白質、DNA之間的相互識別有關。

② 在兩條鏈中，親水的磷酸與脫氧核糖通過3'，5'-磷酸二酯鍵相連而成的親水骨架位于螺旋的外側，疏水的嘌呤和嘧啶堿基平面層疊于螺旋的內側，堿基平面與戊糖環平面互相垂直。

③ 兩條鏈通過堿基對之間形成的氫鍵而穩定地維系在一起，并且總是A和T、G和C之間配對，A-T之間形成兩個氫鍵，G-C之間形成三個氫鍵（圖2-12）。這一規律稱為“堿基配對規律”或“堿基互補規律”。堿基對之間的氫鍵維持DNA雙螺旋結構橫向的穩定性。堿基互補配對原則是雙螺旋最重要的特性，其重要的生物學意義在于，它是DNA復制、轉錄以及逆轉錄的分子基礎。

④ 雙螺旋的直徑為2nm，在同一條鏈上相鄰兩個堿基平面之間的軸向距離為0.34nm，其旋轉的夾角為36°；每隔10個堿基對，脫氧多核苷酸鏈就繞一圈，螺距為3.4nm。軸向相鄰的堿基對之間呈板狀堆積，由此產生了具有疏水性的堿基堆積力，是維系DNA雙螺旋結構縱向穩定的主要作用力。

（三）DNA雙螺旋結構的多樣性

除了一些小分子噬菌體如M13噬菌體的DNA，以及一些DNA病毒的DNA是單鏈結構外，大多數天然DNA分子都是雙螺旋結構。前述Watson-Crick提出的雙螺旋模型是在低離子強度的溶液（生理鹽溶液）和染色體中存在的主要構象，稱為B型DNA。這種構型在水性環境和生理條件下最為穩定。自然界中還存在有A型DNA，其含水量少于B型。兩者在溝的深淺、螺距、旋轉角度、堿基平面距離、每一螺旋的堿基數目等參數上存在一定差異。1979年A.Rich等在研究人工合成的寡核苷酸CGCGCG的晶體結構時竟發現這種DNA為左手螺旋。后來證明這種結構在天然的DNA分子中同樣存在，人們稱之為Z-DNA（圖2-13）。生物體內的這些不同類型的DNA在功能上可能有所差異，是與基因的表達調控相適應的。

（四）DNA的三級結構

DNA雙螺旋進一步扭曲或再次螺旋所形成的空間構象，就是DNA的三級結構。雙鏈DNA多為線形分子，但某些病毒、真核生物的線粒體和葉綠體，以及某些細菌的染色體DNA為雙鏈環狀DNA（dcDNA）。在生物體內，絕大多數雙鏈環狀DNA可進一步扭曲或盤繞成超螺旋（supercoil）（圖2-14）。當盤繞方向與DNA雙螺旋方向相同時螺旋會變得更緊，這種超螺旋稱為正超螺旋；反之則稱為負超螺旋。正超螺旋DNA具有更為致密的結構，可以將很長的DNA分子壓縮在一個較小的體積內，且由于密度較大，在離心場中和凝膠電泳中的移動速度亦較快。

真核細胞核染色質DNA為很長的線形雙螺旋，DNA通常是與組蛋白和非組蛋白（呈酸性，故又稱酸性蛋白）相結合存在，DNA雙螺旋盤繞組蛋白形成核小體（nucleosome），核小體是染色質的基本結構單位。完整的核小體由兩部分組成，即核小體核心顆粒和連接區。許多核小體核心顆粒之間由連接區相連，形成念珠狀結構。組蛋白是一類富含賴氨酸和精氨酸的堿性蛋白，分為五種，分別用符號H1、H2A、H2B、H3、H4表示。核小體的核心由H2A～H4四種組蛋白組成，形成八聚體結構，DNA纏繞在它的表面，長度為140～145個堿基對。連接核小體核心顆粒的是核小體連接區，其DNA在不同種生物中長度不一，約為25～100個堿基對，H1組蛋白結合于該部位（圖2-15）。

由核小體構成的念珠狀結構進一步盤繞壓縮成更高層次的結構。據估算，人的DNA分子在染色質中反復折疊盤繞共壓縮8000～10000倍。

DNA是生物遺傳信息的載體，DNA的遺傳信息是以基因的形式存在的。基因是DNA分子中的功能片段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。基因的表達產物是蛋白質和與之相關的各種RNA。因此DNA的基本功能是作為生物遺傳信息的攜帶者，作為復制的模板將遺傳信息傳遞給子代；同時作為基因轉錄的模板，表達生命活動的執行者蛋白質，體現個體的生命現象。

二、RNA的分子結構

（一）RNA的類型

RNA在生命活動中的作用是與蛋白質共同負責基因的表達和表達過程的調控。RNA通常以單鏈形式存在，但也可以通過鏈內的堿基配對形成局部的雙螺旋二級結構或三級結構。RNA分子量比DNA小得多，由數十個至數千個核苷酸組成。但是它的種類、大小和結構都遠比DNA復雜，這是由它功能的多樣性決定的。參與蛋白質合成的RNA有三類：信使核糖核酸（messenger RNA，mRNA）、轉運核糖核酸（transfer RNA，tRNA）和核蛋白體核糖核酸（ribosomal RNA，rRNA）。此外，細胞內還有許多小分子非編碼RNA，它們主要參與基因表達過程中的調控（表2-2）。

1. mRNA

mRNA占細胞中RNA總量的2%～5%，是蛋白質合成的模板。mRNA是在細胞核內以DNA為模板合成的。在細胞核內合成的mRNA前體比成熟的mRNA要大得多，而且這種初級的RNA分子大小不一，故稱為核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）。hnRNA在細胞核內存在的時間極短，經過剪接加工成為成熟mRNA，并通過特殊的機制轉移至細胞質中作為蛋白質合成的模板。成熟的mRNA由氨基酸編碼區和非編碼區組成。真核生物成熟mRNA的結構特點是在其5'-端具有一個7-甲基鳥苷三磷酸帽子結構和在其3'-端含有一個多聚腺苷酸尾結構（圖2-16）。而原核生物mRNA沒有這種結構。5'-端帽子結構是由鳥苷酸轉移酶在轉錄后加工過程中添加上去的，與mRNA中其他核苷酸呈相反方向，形成了5'-5'連接，使得mRNA不再具有5'-末端的磷酸基團，同時與帽子結構相鄰的第一個核苷酸中戊糖的C2'通常也被甲基化（圖2-17）。成熟mRNA 3'-端多聚腺苷酸尾也是在轉錄完成后由poly（A）轉移酶催化加上去的。5'-端帽子結構和3'-端多聚腺苷酸尾結構對維系mRNA的穩定免受核酸酶的降解、從細胞核向細胞質轉運、與核蛋白體結合參與翻譯起始調控等均有重要作用。mRNA是三類RNA中最不穩定的，它代謝活躍，更新速度快。原核生物（如大腸桿菌）mRNA的半衰期只有幾分鐘，真核細胞中的mRNA壽命較長，可達幾小時以上。

mRNA的功能是把儲存在DNA中的遺傳信息（即堿基序列）抄錄下來并轉移到細胞質，決定著每一種蛋白質肽鏈中氨基酸的排列順序。在mRNA的編碼區，從5'-端第一個翻譯起始密碼AUG開始，每三個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一種氨基酸，這些三個一組的核苷酸順序稱為三聯體密碼（triplet code）或密碼子（codon）。

2. tRNA

tRNA約占細胞RNA總量的15%，通常以游離的狀態存在于細胞質中。tRNA是長度為74～95個核苷酸殘基的小分子，分子量在25000左右，在三類RNA中它的分子量最小。細胞內tRNA種類很多，目前已完成一級結構測序的tRNA共有100多種。每一種氨基酸都有特異轉運它的一種或幾種tRNA。

tRNA的功能是在蛋白質生物合成中攜帶活化了的氨基酸，并將其轉運到與核糖體結合的mRNA上用以合成蛋白質。

3. rRNA

rRNA是細胞中含量最多的一類RNA，約占細胞中RNA總量的80%以上，是細胞中核蛋白體（ribosome）的組成成分，rRNA與核蛋白體蛋白共同構成核蛋白體。核蛋白體或核糖體，是一種亞細胞結構，直徑為10～20nm的微小顆粒。rRNA約占核糖體的60%，其余40%為蛋白質。原核生物有三種rRNA，按其大小依次為23S rRNA、16S rRNA、5S rRNA（S是大分子物質在超速離心沉降中的沉降系數）。它們分別與不同的核蛋白體蛋白結合形成了核蛋白體的大亞基和小亞基。構成真核生物核蛋白體大小亞基的是28S rRNA、18S rRNA、5S rRNA和5.8S rRNA。

核蛋白體是細胞內蛋白質合成的場所，核蛋白體中的rRNA和核蛋白體蛋白共同為蛋白質生物合成所需要的mRNA、tRNA以及多種蛋白因子提供相互結合和相互作用的空間環境。

除了上述三種RNA外，細胞內還存在著許多其他種類的小分子非編碼RNA。有關小分子非編碼RNA的研究成為近年來的研究熱點，并由此產生了RNA組學的概念。小分子非編碼RNA主要包括核內小RNA（small nuclear RNA，snRNA）、核仁小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）、胞質小RNA（small cytoplasmic RNA，scRNA）、催化性小RNA（small catalytic RNA）、小干擾RNA（small interfering RNA，siRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）等。這些小分子非編碼RNA在hnRNA和rRNA的轉錄后加工、轉運以及基因表達調控等方面具有重要的生理作用。許多snRNA參與了真核細胞hnRNA的剪接加工過程，它們的作用是識別hnRNA上外顯子和內含子的接點，將內含子切除。snoRNA主要參與rRNA中核糖C2'的甲基化修飾。1982年T.Cech和S.Altman等在研究四膜蟲rRNA前體的加工中發現rRNA前體本身具有自我催化的作用。他們將這些催化性小RNA稱之為核酶（ribozyme）。現已發現多種具有酶催化活性的催化性小RNA。siRNA是生物宿主對于外源入侵的基因所表達的雙鏈RNA進行切割后所產生的具有特定長度（21～23bp）和特定序列的小片段RNA。這些siRNA可以與外源基因表達的mRNA相結合并誘發這些mRNA發生降解，或導致其翻譯受到抑制。利用這一機制發展起來的RNA干擾（RNA interference，RNAi）技術正被廣泛應用于研究基因功能、基因治療等領域。miRNA是一大類長度為21～25nt的小分子單鏈RNA。廣泛存在于真核生物中，由內源基因編碼，通過轉錄和加工后合成。這些單鏈的miRNA通過與siRNA相似的作用機制對靶mRNA實現基因沉默。miRNA在生物體的生長、發育、疾病發生中有著重要的調控作用。目前預測人類10%～30%的基因都有miRNA參與調控。

（二）RNA的一級結構

RNA的一級結構是指多核苷酸鏈中核苷酸的排列順序。RNA分子除在某些病毒中為雙鏈結構外，細胞RNA分子通常是單鏈結構。不同來源、不同種類RNA的核苷酸組成均不相同，堿基組成不像DNA那樣有規律。在有些RNA，特別是tRNA中，除四種基本堿基外，還有幾十種稀有堿基，如雙氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（Ψ）和甲基化的嘌呤（mG、mA）等。這些稀有成分可能與tRNA的生物學功能有一定的關系。

（三）RNA的二級結構

RNA的多核苷酸鏈雖然為單鏈結構，但在有著堿基互補配對關系的某些局部區域可以發生彎曲折疊，形成局部的雙螺旋區，此即RNA的二級結構（圖2-18）。

雙螺旋區的堿基也按一定規律配對，A-U之間形成氫鍵，G-C之間形成氫鍵，每一雙螺旋區至少有4～6對堿基對才能穩定。這些局部的螺旋區呈莖狀，而不能配對的部分則形成環狀結構，稱為莖環（stem-loop）結構或發夾（hairpin）結構。不同種類RNA分子中的雙螺旋區所占比例不同，rRNA的雙螺旋區約占40%，tRNA的雙螺旋區約占50%。

RNA二級結構研究得比較清楚的是tRNA。tRNA的線性核糖核酸鏈有幾個片段回折形成局部雙螺旋區，而非互補區形成環狀結構。絕大多數tRNA都有四個雙螺旋區、四個環及一個氨基酸接納臂，使其二級結構呈三葉草形（圖2-19）。

tRNA分子左側的環含有兩個二氫尿嘧啶，稱為二氫尿嘧啶環（DHU環）。右側的環含有核糖胸苷（T）—假尿苷（Ψ）—核糖胞苷（C）序列，稱為TΨC環，此環可能與結合核蛋白體有關。最令人注意的是位于分子底部的環，稱為反密碼子環，其頂端的三個核苷酸殘基組成三聯反密碼子，與mRNA分子上的三聯密碼子通過堿基互補的關系相互識別，不同的tRNA有不同的反密碼子。在蛋白質生物合成中，tRNA反密碼子依靠堿基互補的方式辨認mRNA的密碼子，將其所攜帶的氨基酸正確地運送到蛋白質合成的場所。此外，tRNA分子中還有一個額外環，此環所含的堿基數目是可變的，導致不同的tRNA分子其分子大小不同。

（四）RNA的三級結構

RNA的三級結構是指多聚核苷酸鏈中所有原子在三維空間中伸展所形成的相對空間排布位置。RNA三級結構研究得較清楚的也是tRNA。tRNA的二級結構在空間進一步伸展，形成倒“L”形的三維空間結構，即tRNA的三級結構（圖2-20）。在倒“L”形的一端為反密碼子環，另一端為氨基酸接納臂，拐角處則為TΨC環和DHU環。從這可看出，雖然TΨC環和DHU環在二級結構上各處一方，但在三級結構上相距很近。