第十三章核酸的结构

核酸(DNA和RNA)核苷酸核苷磷酸戊糖碱基嘌呤嘧啶核糖脱氧核糖核酸组成核酸代表戊糖，对DNA而言为脱氧核糖，对RNA而言为核糖；

代表碱基

代表磷酸基核苷酸一、碱基二、核苷三、核苷酸第一节核苷酸一、碱基

为含氮杂环化合物，可接受H+，有碱性，故称为碱基。

构成DNA的碱基可以分为两类，嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）。嘌呤为双环结构，包括腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤(guanine)。而嘧啶为单环结构，包括胞嘧啶(cytosine)和胸腺嘧啶(thymine)，它们同样有着相同的基本结构。碱基都具有芳香环的结构特征。嘌呤环和嘧啶环均呈平面或接近于平面的结构。嘌呤碱和嘧啶碱分子中都含有共轭双键体系，在紫外区有吸收（260nm左右）

组成核酸的碱基的结构特征

嘌呤环

嘧啶环1.嘌呤碱(A)(G)2.嘧啶碱(uracil)(cytosine)(thymine)稀有碱基●在核酸分子中的5种碱基均可被化学修饰而成“稀有碱基”●稀有碱基在tRNA分子中比例最高，可达10％●稀有碱基种类很多，但在核酸分子中的比例很低●稀有碱基大多是正常碱基的甲基化产物HHHHRNADNA尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A

碱基嘌呤嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶存在于DNA和RNA中仅存在于RNA中仅存在于DNA中二、核苷核苷是由戊糖和碱基缩合形成的一种糖苷，糖和碱基之间以糖苷键相连接组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。糖苷键碱基上的原子以数字编号，核糖上的原子以加撇的数字编号。通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。碱基与糖环平面垂直。糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。戊糖（pentose）β-D-核糖β-D-2-脱氧核糖β-D-2-O-甲基核糖DNA和RNA的区别核糖

G、C、A、URNA脱氧核糖

G、C、A、TDNA碱基核糖核酸三、核苷酸核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结构单元的核苷酸分别是5′-磷酸-脱氧核糖核苷和5′-磷酸-核糖核苷。核苷酸依次以磷酸二酯键相连形成多核苷酸链，即一个核苷酸的脱氧核糖上的3’－羟基与另一核苷酸上的5’－磷酸基形成磷酸二酯键。核苷酸的一个末端有一个游离的5’基团，另一端的核苷酸有一游离的3’基团。人们习惯于从5’→3’方向书写核苷酸系列，即从左侧的5’端到右侧的3’端书写。2’，3’，5’一核糖核苷酸

5’-腺苷酸

3’-腺苷酸

2’-腺苷酸3’，5’一脱氧核糖核苷酸Deoxyadenosine3’-monphosphate

(3’-dAMP)Deoxyadenosine5’-monphosphate

(5’-dAMP)碱基连接（核苷键）酯键（对DNA为H）1`2`3`4`5`核苷酸的衍生物1、ATP(腺嘌呤核糖核苷三磷酸)ATP分子的最显著特点是含有两个高能磷酸键。ATP水解时,可以释放出大量自由能。ATP是生物体内最重要的能量转换中间体。多磷酸核苷酸2、cAMP和cGMPcAMP(3’,5’-环腺嘌呤核苷一磷酸)和cGMP(3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。环化核苷酸（cAMP）

（cGMP）一、核酸中核苷酸的连接方式二、DNA的一级结构三、RNA的一级结构第二节核酸的共价结构一、核酸中核苷酸的连接方式核苷酸依次以磷酸二酯键相连形成多核苷酸链，即一个核苷酸的脱氧核糖上的3’－羟基与另一核苷酸上的5’－磷酸基形成磷酸二酯键。核苷酸的一个末端有一个游离的5’基团，另一端的核苷酸有一游离的3’基团。人们习惯于从5’→3’方向书写核苷酸系列，即从左侧的5’端到右侧的3’端书写。核酸中核苷酸的连接方式5’3’3’、5’－磷酸二酯键核酸中核苷酸的连接方式5’3’核酸结构的简写式5’3’核酸的一级结构多聚核苷酸是由四种不同的核苷酸单元按特定的顺序组合而成的线性结构聚合物，因此，它具有一定的核苷酸顺序，即碱基顺序。核酸的碱基顺序是核酸的一级结构。碱基顺序代表核苷酸顺序。连接方式：3′，5′-磷酸二酯键，无分枝，方向：5′3′糖和磷酸是多核苷酸主链，碱基是侧链。DNA的碱基顺序就是遗传信息存储的分子形式。排列顺序中储藏了信息。二、DNA的一级结构

概念：构成DNA的脱氧核苷酸按照特定的排列顺序，通过3’,5’-磷酸二酯键相连形成的线形或环状结构。●DNA是分子量巨大的分子，达1×1011，可含108bp

或更大，可编码大量信息。●DNA通常为双链，线状或环状，少数为单链。DNA一级结构●DNA的碱基序列储存了生物体的遗传信息，不同的生物体其DNA的碱基序列不同，因而表现的遗传性状各不相同。●每种生物体的DNA都有许多不同的段落组成的，不同的段落代表不同的功能，DNA分子中最小的功能单位称为“基因”。●人类基因组：23对染色体的DNA上共含3.2×109bp●原核生物和细胞器DNA的基因是连续的，没有内含子，很少有重复序列和调控序列。●真核生物的基因是断裂的，含有内含子，有众多的重复序列和调控序列，重复序列有低重复、中等重复、高度重复序列。●人类基因组中编码蛋白质的基因约为31000个，酵母6000个，果蝇13000个，蠕虫18000个，植物26000。●已有超过一百种生物的DNA序列已经测定，包括人、水稻、玉米、酵母菌、线虫、病毒、大肠杆菌、拟南芥菜等。三、RNA的一级结构

RNA的一级结构是指组成RNA的核苷酸按特定序列通过3’,5’-磷酸二酯键连接的线性结构。

特点：RNA通常是由DNA片段转录而成，因此RNA分子比DNA分子小得多RNA的稀有碱基含量比DNA丰富，尤其在tRNA中最为突出，约占10%原核生物mRNA是多顺反子（多个基因转录到一个mRNA上），编码多个蛋白质真核生物的mRNA是单顺反子（一个基因转录到一个mRNA分子上），只编码一条肽链tRNA的5’

-末端总是磷酸化，而且常是pG；3’

-末端最后三个氨基酸顺序相同，总是CCAOH

；tRNA中含有较多的稀有碱基，最常见的是甲基化的碱基。tRNA的一级结构rRNA的一级结构大肠杆菌中的5SrRNA的3’-端为UOH

；第43～47位的核苷酸顺序为CGAAC（真核细胞此序列则出现在5.8SrRNA），这是rRNA与tRNA相互识别、相互作用的部位。原核细胞16SrRNA的3’-端总存在序列ACCUCCU，这是mRNA的识别位点。*rRNA的种类（根据沉降系数）真核生物5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA18SrRNA原核生物5SrRNA23SrRNA16SrRNAmRNA一级结构真核细胞mRNA与原核mRNA比较，在结构上具有明显的区别：真核细胞mRNA的3’-末端有一段可长达200个左右的聚腺

苷酸（polyA），称为“尾”结构；5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽”结构；分子中可能有修饰碱基,主要是甲基化；真核生物mRNA为单顺反子。即一条mRNA只含有一条肽

链的信息，指导一条肽链的形成分子中有编码区与非编码

区。非编码区(UTR)位于编码区的两端，即5’端和3’端。mRNA的代谢半衰期较长（几天）真核生物mRNA的一级结构可用下式表示:5´-帽子5´-非编码区编码区3´-非编码区polyA5´-cap的功能(1)防止mRNA被核酸外切酶降解。(2)为mRNA翻译活性所必需。(3)与蛋白质合成的正确起始有关,识别翻译起始

(1)保护mRNA，免受核酸外切酶的作用。(2)与翻译有关，没有polyA翻译活性降低。(3)与mRNA从细胞核转移到细胞质有关。polyA的功能原核生物mRNA：5’端无帽子结构、3’端无多聚A尾巴;一般没有修饰碱基，其分子链完全不被修饰。原核生物mRNA往往是多顺反子，即一个mRNA中常含有几

个蛋白质的信息，能指导几个蛋白质的合成。在编码区的序

列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位，

在5`端和3`端各有一段非翻译区（UTR）；mRNA代谢半衰期较短。一、

DNA碱基组成的Chargaff规则二、DNA的二级结构三、DNA的三级结构第三节DNA的高级结构一、DNA碱基组成的Chargaff规则

Chargaff等在20世纪40年代应用纸层析及紫外分光光度技术测定各种生物DNA的碱基组成，结果发现，DNA的碱基组成具有生物种的特异性。不同物种的DNA有其独特的碱基组成，而同一物种不同组织和器官的DNA碱基组成是一样的，不受生长发育、营养状况以及环境条件的影响。腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，即：A=T鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，即:G=C含氨基的碱基（腺嘌呤和胞嘧啶）总数等于含酮基的碱基（鸟嘌呤和胸腺嘧啶）总数，即A+C=G+T嘌呤碱基的总数等于嘧啶碱基的总数，即A+G=C+T。提示：A与T，G与C之间可能以互补的方式存在。

1953年，Watson和Crick提出了DNA分子的双螺旋模型，并因此和威尔金斯一起分享了1962年的诺贝尔医学或生理学奖。二、DNA的二级结构（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴缠绕，为右手螺旋。结构特征螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。（2）碱基位于双螺旋的内侧，磷酸和核糖在外侧，通过3’，5’－磷酸二酯键构成骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行。双螺旋DNA形成一条大沟，和一条小沟★碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行★两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起。★螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持配对碱基之间的氢键大部分DNA所具有的双螺旋结构，亦称为B型小沟大沟5`3`5`3`（3）主要参数双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角36°，每圈螺旋含10个核苷酸，螺距3.4nm。（4）两条核苷酸链依靠碱基间形成的氢键而结合。

A＝TG≡C（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则，一条核苷酸链序列可决定另一条互补链的序列。碱基的配对使得双螺旋DNA分子在复制时以半保留的形式进行。稳定双螺旋结构的因素碱基堆积力形成疏水环境（主要因素）两条DNA链之间形成的氢键；碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击；磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。DNA双螺旋分子结构的不同类型

Watson和Crick模型代表DNA钠盐在较高湿度下（92%）制得的纤维的结构，该结构称为B型，比较接近大部分DNA在细胞中的构象。DNA能以多种不同的构象存在，除B型外通常还有A型、C型、D型、E型，以及左手螺旋的Z型。DNA双螺旋的大小沟

在A－DNA中，碱基对倾角大，并偏向双螺旋的边缘，给出一个深且狭的大沟和一个宽且浅的小沟。而B－DNA中大沟比小沟宽，但深度相近。Z－DNA只有小沟，没有大沟。Z-DNA的结构特点：（1）糖磷骨架呈“之”字形走向。（2）左旋。（3）G的糖苷键呈顺式

，使G残基位于分子表面。（4）大沟消失，小沟窄而深。（5）每个螺旋有12bp。Z－DNAZ-DNA的生物学意义

(1)可能提供某些调节蛋白的识别位点。啮齿类动物病毒的复制起始部位有d（GC）有交替顺序的存在；在SV40的增强子中有三段8bp的Z-DNA存在。

(2)原生动物纤毛虫，有大、小两个核，大核有转录活性，小核与繁殖有关。Z-DNA抗体以萤光标记后，显示仅和大核DNA结合，而不和小核的DNA结合，说明大核DNA有Z-DNA的存在，可能和转录调控有关。

（3）DNA的甲基化与基因表达的调控有关，一定程度的甲基化可以促进Z-DNA的生成，说明Z-DNA与基因表达的调控有关。在DNA分子中，镜像重复序列可以回折，形成三螺旋结构。在某些病毒中，DNA分子以单链形式存在。DNA三股螺旋三股螺旋中的第三股可以来自分子间，也可以来自分子内。三、DNA的三级结构

DNA的三级结构是指双螺旋的DNA分子通过扭曲和折叠形成特定的构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用，以及DNA的拓扑特征。超螺旋是三级结构的一种主要形式。DNA超螺旋的产生

当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存在时，双螺旋处于能量最低状态，此为松弛态。如果使这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋中存在张力。当双螺旋分子的末端是开放的，这种张力可以通过链的转动而释放出来，DNA将恢复成正常的松弛态双螺旋。但如果DNA分子的两端是固定的，或者是环状分子，这种额外的张力就不能释放，DNA分子本身就会发生扭曲，用以抵消张力。这种扭曲称为超螺旋。

正螺旋和负螺旋负超螺旋

右旋正超螺旋

左旋

DNA双螺旋为右手螺旋。细胞中的环状DNA一般呈负超螺旋，即右手螺旋不足导致部分碱基不能形成配对，分子通过整体拓扑学上的右旋来补足右手螺旋的不足，，即分子整体右旋一圈来补双螺旋上的一圈不足。

正超螺旋为双螺旋旋转过度，通过分子整体的左旋来解开过度的螺旋。原核生物DNA的高级结构

现已知道绝大多数原核生物都是共价封闭环(covalentlyclosedcircle,CCC)分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构(superhelix或supercoil)。DNA的三种形式

从生物体中分离出的DNA有三种形式：线状DNA（linearDNA）共价闭合环DNA（cccDNA）开环DNA（ocDNA）

cccDNA常以超螺旋形式存在，ocDNA和linearDNA为松弛态。DNA的三种形式linearDNAcccDNAocDNA环形DNA一条链断裂：开环分子（ocDNA)两条链断裂：线型分子

(linearDNA)DNA的超螺旋形式

拓扑异构酶酶I（解旋酶）能使双链负超螺旋DNA转变成松驰形环状DNA。拓扑异构酶酶II（促旋酶）能使松驰环状DNA转变成负超螺旋形DNA。拓扑异构酶DNA在生物体中主要以核蛋白形式存在核酸通常与蛋白质复合在一起，

称核蛋白。病毒：核酸+蛋白外壳拟核：细菌DNA+蛋白质染色体：DNA+组蛋白四、DNA与蛋白质复合物的结构真核细胞染色体的组装

真核染色体的基本结构单位是核小体。核小体是由DNA和组蛋白组成的。

组蛋白有五种，H1、H2A、H2B、H3、H4，为碱性蛋白质。（H2A、H2B、H3、H4）2

一、

tRNA的高级结构二、rRNA的高级结构三、其他RNA的高级结构第四节RNA的高级结构RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构。RNA比DNA小的多。RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出多样性。RNA与DNA在结构上有明显的差异。除了核苷酸的组成不同外，更重要的是表现在二级结构上。RNA是单链分子，因此，在RNA分子中，并不遵守碱基种类的数量比例关系。

尽管RNA是单链分子，它依然可以形成局部双螺旋，这是因为RNA链频繁发生自身折叠，从而使链内的互补序列形成碱基配对区。除了A∶U配对和C∶G配对外，RNA还具有额外的非Watson-Crick碱基配对，如G∶U碱基对，这一特征使RNA更易于形成双螺旋结构。RNA分子自身折叠形成双螺旋时，不配对的序列以发卡（hairpin）、凸起（bulge）、内部环(interiorloop)等形式游离于双链区之外。RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成双螺旋的部分，则形成突环。这种结构可以形象地称为“发夹型”结构。A-U、G-C、G-U之间配对，G-U配对形成的氢键较弱。

RNA和DNA有三点不同之处。第一，RNA骨架含有核糖而不是2’－脱氧核糖，在核糖的2’－位置上带有一个羟基。第二，DNA中的胸腺嘧啶被RNA中的尿嘧啶取代，尿嘧啶有着和胸腺嘧啶相同的单环结构，但是缺少5’甲基基团。第三，RNA通常以单链形式存在。

RNA骨架上2’－OH的存在阻止RNA形成B－型螺旋。双螺旋RNA更类似于A型DNA。它的小沟宽且浅而易于接近；而大沟狭且深，与它相互作用的蛋白质的氨基酸侧链难以接近它。所以RNA不适合与蛋白质进行序列特异性的相互作用。由于没有形成长的规则螺旋的限制，因此RNA可以形成大量的三级结构。RNA一级结构

RNA分子中的核苷酸排列顺序。RNA二级结构单链核苷酸自身折叠由单链区、茎环构、内部环、双链结构等元件组成的平面结构。RNA三级结构在二级结构的基础上，核酸链再次折叠形成的高级结构。RNA的二级结构主要由核酸链不同区段碱基间的氢键维系。一、tRNA的高级结构

tRNA在蛋白质生物合成中具有转运氨基酸和识别密码子的作用，它携带特定的氨基酸通过反密码子与密码子的识别，按照遗传密码的规定合成肽链，将遗传信息从RNA传到蛋白质。细胞内的tRNA种类很多，每一种氨基酸都有对应的一种或几种tRNA。

单链RNA自行盘绕形成局部双螺旋的多“茎”多“环”结构，螺旋部分称为“茎”或“臂”，非螺旋部分称为“环”，在螺旋区，A与U配对，G与C配对，但不严格。tRNA三叶草形二级结构模型氨基酸臂二氢尿嘧啶环额外环TC环反密码环酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列反密码子反密码臂(1)氨基酸接受区

包含有tRNA的3’-末端和5’-末端，3’-末端的最后3个核苷酸残基都是CCA，A为核苷。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用。是tRNA识别、结合和活化氨基酸的部位。

(2)反密码区

与氨基酸接受区相对的一般含有7个核苷酸残基的区域，其中正中的3个核苷酸残基称为反密码。是tRNA识别mRNA氨基酸信息的核心部分tRNA的二级结构典型的tRNA具有三叶草形二级结构tRNA的反密码子环上有一个由三个核苷酸构成的反密码子(anticodon)。tRNA上的反密码子依照碱基互补的原则识别mRNA上的密码子。tRNA的反密码子识别mRNA的密码子3)二氢尿嘧啶区

该区含有二氢尿嘧啶。由8－12个核苷酸组成(4)TC区

该区与二氢尿嘧啶区相对，假尿嘧啶核苷—胸腺嘧啶核糖核苷环(TC)由7个核苷酸组成，通过由5对碱基组成的双螺旋区(TC臂)与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tBNA在此环中都含有TC。(5)可变区

位于反密码区与TC区之间，不同的tRNA该区变化较大。tRNA的3-末端都是以CCA结尾。3-末端的A与氨基酸共价连结，tRNA成为了氨基酸的载体。不同的tRNA可以结合不同的氨基酸。tRNA的3-末端连接氨基酸tRNA的三叶草型二级结构123叶子反密码子环

反密码子载运氨基酸臂稀有碱基D环TψC环额外环四环四臂tRNA的三级结构在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对，目前已知的tRNA的三级结构均为倒L型

所有的tRNA折叠后形成大小相似及三维构象相似的三级结构，这有利于携带的氨基酸的tRNA进入核糖体的特定部位。tRNA的三级结构tRNA的三级结构：倒“L”形四、RNA的高级结构

(一)tRNA的高级结构

tRNA三叶草形二级结构模型不同的tRNA由73~94个核苷酸组成氨基酸臂二氢U环（D

环）TψC环额外环（可变环）反密码子环反密码子tRNA的二级结构：四臂三环的三叶草结构酵母tRNAAla的结构二氢尿嘧啶核苷和假尿嘧啶核苷结构式二氢尿嘧啶核苷假尿嘧啶核苷DHUψtRNA的三级结构tRNA的三级结构反密码子环二氢U环（D环）TψC环氨基酸臂额外环（可变环）二、rRNA的高级结构核糖体RNA(ribosomalRNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。核糖体的组成原核生物（以大肠杆菌为例）真核生物（以小鼠肝为例）小亚基30S40SrRNA16S1542个核苷酸18S1874个核苷酸蛋白质21种占总重量的40%33种占总重量的50%大亚基50S60SrRNA23S5S2940个核苷酸120个核苷酸28S5.85S5S4718个核苷酸160个核苷酸120个核苷酸蛋白质31种占总重量的30%49种占总重量的35%16SrRNA和5SrRNA的二级结构(二)rRNA的高级结构

16SrRNA(二)rRNA的高级结构核糖体16SrRNA和5SrRNA的结构rRNA高级结构大肠杆菌的核蛋白体18SrRNA的二级