核酸的分子结构

(一)一级结构

核酸分子中,前一个核苷酸的3′-OH与下一个核苷酸的5′-磷酸脱水缩合形成3′,5′-磷酸二酯键。多个核苷酸通过磷酸二酯键连接成多核苷酸链。多核苷酸链是核酸的一级结构(图2-2-5),其两个末端分别称为5′-末端和3′-末端,因此核酸具有方向性。习惯书写方式是从5′-末端到3′-末端。

图2-2-5　核酸的一级结构

多核苷酸链书写时常用最简式表示,就是按核苷酸顺序书写每一核苷酸所包含的含氮碱基,如5′-G-A-C-C-U-A-G-G-……-G-C-A-C-A-U-3′。

核酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸分子之间只存在碱基的差异,因此可用碱基的排列顺序代替。核酸是遗传的物质基础,遗传信息的携带、传递和表达就是通过多核苷酸链上碱基的排列顺序体现。碱基顺序一旦发生改变,就会引起生物遗传性状有害的变异。

(二)空间结构

核酸的空间结构分为两个层次。分别是二级结构与三级结构。

1.DNA的空间结构　1953年,英国剑桥大学的两位青年学者沃森(Watson)和克里克(Crick)根据当时的科研成果,提出了著名的DNA双螺旋结构模型(图2-2-6),确立了DNA的二级结构,这也标志着现代分子生物学的开始。该模型的要点如下。

图2-2-6　DNA的二级结构

(1)DNA分子是由两条多脱氧核苷酸链围绕同一中心轴形成双螺旋结构。两条脱氧核苷酸链反向平行,一条链5′→3′走向,另一条链3′→5′走向。

(2)在DNA分子的两条链中,亲水的脱氧核糖和磷酸构成双链的骨架位于螺旋的外侧,而碱基位于内侧。

(3)两条链之间的碱基按照严格的碱基互补原则进行配对,通过氢键形成碱基对,即C与G配对,其间形成三个氢键;A与T配对,其间形成两个氢键。配对的碱基称为互补碱基;DNA双链彼此称为互补链。

(4)碱基对之间的氢键及碱基平面之间的碱基堆积力是维持双螺旋结构稳定的主要作用力。

DNA也像蛋白质一样在二级结构的基础上形成三级结构,即双螺旋进一步卷曲形成的超螺旋结构。

2.RNA的空间结构　RNA分子比DNA分子小很多,一般是由几十至几千个核苷酸构成的一条多核苷酸单链结构。

tRNA分子的链状结构会在某些节段回折形成局部的双螺旋,回折处碱基是A与U配对,G与C配对;无法配对的碱基膨出成环状。局部形成的双链与膨出的环状形成发夹样结构,这就是tRNA的二级结构。tRNA的二级结构中含3个发夹结构,呈三叶草形。三叶草形结构的顶端称为反密码环,3个连续的核苷酸构成反密码子,在蛋白质生物合成时,反密码环中部的三个连续的碱基可与mRNA的三联体密码进行碱基互补配对来识别相应的密码。另一端是氨基酸臂,是氨基酸结合的部位,在蛋白质生物合成时,起携带和转运相应氨基酸的作用。

RNA分子在二级结构的基础上进一步折叠卷曲形成三级结构,tRNA的三级结构呈倒L形(图2-2-7)。

图2-2-7　tRNA的二级、三级结构

重点提示

1.核酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序。

2.DNA的二级结构是双螺旋结构,其结构的稳定横向靠互补碱基的氢键维系,纵向靠碱基堆积力维系。三级结构是超螺旋结构。

3.RNA可分为三类:mRNA、tRNA、rRNA。其中tRNA的二级结构为三叶草形,三级结构为倒L型。