第二節　核酸的結構與功能

一、DNA的結構與功能

（一）DNA的一級結構

核酸的一級結構是指核酸分子中核苷酸（或脫氧核苷酸）從5′-端到3′-端的排列順序。其表示方法如圖3-6（b）所示。在多核苷酸鏈中，磷酸戊糖部分是主鏈，堿基作為側鏈，排列在主鏈一側。雖然DNA只由4種堿基組成，但自然界中DNA分子的長度可達幾十萬個堿基，不同的堿基排列順序蘊涵著特定的遺傳信息。

★ 考點提示：DNA一級結構的概念

（二）DNA的空間結構

DNA的空間結構是指構成DNA所有原子在三維空間的相對位置關系，可分為二級結構和高級結構。

1. DNA的二級結構

J．Watson和F.Crick兩位年輕的科學家在1953年提出了DNA分子二級結構的雙螺旋結構（double helix）模型（圖3-7）。這一發現揭示了生物界遺傳性狀得以世代相傳的分子機制，它不僅解釋了當時已知的DNA的一切理化性質，而且還將DNA的功能與結構聯系起來，奠定了現代生命科學的基礎。J.Watson和F.Crick提出的DNA雙螺旋結構具有以下特征。

（1）DNA是反向平行的雙鏈結構　DNA由兩條平行且方向相反的多聚核苷酸鏈圍繞同一中心軸盤旋而成右手雙螺旋結構。兩條鏈的走向相反，一條為5′→3′，另一條是3′→5′。雙螺旋表面形成大溝和小溝，這些溝狀結構是蛋白質識別DNA堿基序列并發生相互作用的基礎。

（2）雙鏈結構嚴格遵循堿基互補配對原則　在DNA雙螺旋結構中，磷酸戊糖構成的主鏈位于外側，堿基位于內側，堿基之間以氫鍵結合。在堿基配對中，總是A與T配對，形成兩個氫鍵；G與C配對，形成三個氫鍵，這種配對規律稱為堿基互補配對原則。通過堿基互補而結合的兩條鏈彼此稱為互補鏈。

（3）雙螺旋的直徑為2nm，螺距為3.4nm　每一螺旋含有10個堿基對，上下層堿基對之間的堆砌距離為0.34nm，并有36°的旋轉夾角。

（4）維持DNA雙螺旋結構穩定的作用力是氫鍵和堿基堆積力　其中上下層堿基之間的堆積力維系雙螺旋縱向結構的穩定，互補堿基之間的氫鍵維系雙螺旋橫向結構的穩定。相對而言，堿基堆積力是維持雙螺旋結構穩定的主要力量。

Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型是基于92%的相對濕度得到的DNA纖維的X線衍射圖像的分析結果。這是DNA在水性環境下和生理條件下最穩定的結構。后來人們發現DNA的結構不是一成不變的，在改變溶液的離子強度或相對濕度后，DNA雙螺旋結構中溝的深淺、螺距、旋轉角度等都會發生變化。目前已知的DNA二級結構形式有3種類型：B-DNA（Watson-Crick模型）、A-DNA和Z-DNA。A-DNA和B-DNA均為右手螺旋結構，差別主要在于雙螺旋的密度不同；Z-DNA為左手螺旋結構。綜上所述，DNA的右手雙螺旋結構不是自然界DNA的唯一存在方式。在生物體內，不同類型的DNA在功能上可能有所差異，與基因表達的調節和控制相適應。

2. DNA的高級結構

不同物種的DNA分子大小和復雜程度相差很大。一般來說，生物進化程度越高，其基因組DNA分子越龐大。

原核生物的DNA一般為環狀雙螺旋分子，在二級結構基礎上，進一步盤繞形成麻花狀超螺旋結構（圖3-8）。在細胞中，超螺旋結構的盤繞方向與DNA雙螺旋方向相同為正超螺旋；盤繞方向與DNA雙螺旋方向相反則為負超螺旋。自然界的閉合雙鏈DNA主要是以負超螺旋形式存在。

真核生物DNA與蛋白質結合，以非常致密的形式存在于細胞核內。在細胞間期以染色質的形式出現，在細胞分裂期形成高度凝集的染色體。染色質的基本組成單位是核小體。核小體由5種組蛋白和DNA共同組成。組蛋白H2A、H2B、H3、H4各2分子共同構成八聚體的核心組蛋白，長度約150bp的DNA雙鏈在組蛋白八聚體上盤繞1.75圈形成核小體的核心顆粒；組蛋白H1和約60bp的DNA構成連接區。核小體的核心顆粒與連接區連接起來形成串珠狀染色質細絲。核小體又進一步旋轉折疊形成中空螺旋管，進而卷曲折疊成超螺旋管纖維，再進一步壓縮為染色單體，在核內組裝成染色體。

（三）DNA的功能

DNA是遺傳信息的載體。DNA的基本功能是作為生物遺傳信息的攜帶者，是基因復制和轉錄的模板?；颍╣ene）就是DNA分子中的功能性片段。經過復制可將遺傳信息傳遞給子代，經過轉錄和翻譯可指導參與生命活動的各種蛋白質和與之相關的各種RNA的有序合成。一個生物體的全部基因序列稱為基因組（genome）。

★ 考點提示：DNA雙螺旋結構的特征及DNA的功能

二、RNA的結構與功能

RNA在生命活動中同樣具有重要作用，它和蛋白質共同參與基因的表達和表達過程的調控。RNA分子比DNA分子小得多，小的僅含數十個核苷酸，大的由數千個核苷酸組成。RNA的種類、大小和結構都遠比DNA多樣化，其功能也各不相同（表3-2）。

（一）信使RNA

細胞核內DNA的遺傳信息通過信使RNA（messenger RNA，mRNA）轉移至細胞質，進而指導蛋白質的生物合成，將自身的核苷酸序列轉變為多肽鏈中氨基酸的排列順序。因此，mRNA是蛋白質生物合成的直接模板。mRNA占總RNA的2%～5%，但種類最多。

mRNA由編碼區和非編碼區組成。其編碼序列上每3個相鄰核苷酸為一組，決定相應多肽鏈中某一種氨基酸（或多肽鏈合成的起始或終止信號），被稱為三聯體密碼或密碼子。

真核生物成熟mRNA的5′-末端有一個7-甲基鳥苷三磷酸（m⁷GpppN）的帽子結構（圖3-9），3′-末端有一段80～250個腺苷酸組成的多聚A（poly A）尾，二者均可增強mRNA的穩定性。帽子結構在蛋白質合成中還可促進核糖體與mRNA的結合，加速翻譯的起始；poly A尾還參與mRNA從細胞核向細胞質的轉位并參與調控蛋白質合成的速度。

原核生物的mRNA未發現5′端的帽子結構和3′端的poly A尾。

（二）轉運RNA

轉運RNA（transfer RNA，tRNA）的功能是作為各種氨基酸的轉運工具，在蛋白質生物合成過程中起到活化與轉運氨基酸的作用。一般由74～95個核苷酸組成，在三類RNA中分子量最小。tRNA分子中含有較多的稀有堿基，如二氫尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（Ψ）及甲基化堿基等，這些稀有堿基是tRNA合成后化學修飾的產物。

tRNA的二級結構呈三葉草形（圖3-10）。其結構特點為：有四個局部螺旋區，包含三個環和一個附加叉（可變環）。tRNA的三個環分別被稱為DHU環、TΨC環和反密碼環。位于下方的反密碼環上居中的3個核苷酸構成反密碼子，可與mRNA上的密碼子反向互補結合，將自身攜帶的氨基酸運送到正確位置。位于上方的莖環結構稱為氨基酸臂，是結合氨基酸的部位。所有tRNA 3′-末端都是CCA-OH結構，氨基酸與CCA-OH脫水結合生成氨基酰-tRNA。

tRNA在二級結構基礎上進一步折疊形成三級結構（圖3-10）。tRNA的三級結構呈倒L型，L型的拐角處有DHU環和TΨC環，這是所有tRNA的共同結構特點。

（三）核糖體RNA

核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）與多種蛋白結合共同構成的核糖體（又稱核蛋白體）是蛋白質生物合成的場所。rRNA是細胞內含量最多的一類RNA，占RNA總量的80%以上。

原核生物有三種rRNA，大小分別為5S、16S、23S，其中16S rRNA和20余種蛋白質構成核糖體的小亞基，大亞基則由5S和23S rRNA共同與30余種蛋白質結合構成。真核生物有四種rRNA，大小分別為5S、5.8S、18S、28S，其中18S rRNA和30余種蛋白質構成核糖體小亞基，5S、5.8S、28S三種rRNA和近50種蛋白質結合構成大亞基。

★ 考點提示：三種RNA的結構特點及功能