核酸的空间结构

二、核酸的空间结构

（一）DNA的空间结构与功能

1.DNA的碱基组成特点　在20世纪50年代初，经Chargaff等人的分析研究表明，DNA的碱基组成有下列一些特点：

（1）各种生物的DNA分子中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。因此，嘌呤碱的总数等于嘧啶碱的总数，即A＋G＝C＋T。

（2）DNA的碱基组成具有种属特异性，即不同生物种属的DNA具有各自特异的碱基组成，如人、牛和大肠杆菌的DNA碱基组成比例是不一样的。

（3）DNA的碱基组成没有组织器官特异性，即同一生物体的各种不同器官或组织DNA的碱基组成相似。比如牛的肝、胰、脾、肾和胸腺等器官的DNA的碱基组成十分相近而无明显差别。

（4）生物体内的碱基组成一般不受年龄、生长状况、营养状况和环境等条件的影响。这就是说，每种生物的DNA具有各自特异的碱基组成，与生物的遗传特性有关。

2.DNA的二级结构——双螺旋结构模型　DNA双螺旋结构模型是1953年由美国的Watson和英国的Crick两位科学家共同提出。X射线衍射数据说明DNA含有两条具有螺旋结构的多核苷酸链。其要点如下：

（1）DNA分子是两条反向平行的互补双链结构，一条链是5′→3′，另一条链是3′→5′。两条反向平行的多核苷酸链以右手螺旋方式围绕同一中心轴盘曲而形成双螺旋结构。

（2）两条链的主链由戊糖—磷酸相间排列组成，在螺旋外侧；碱基在螺旋内侧。碱基中A与T配对形成两个氢键，C与G配对形成三个氢键。成对碱基大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直，见图2－9。

图2－9　双螺旋结构截面图（一）

图2－9　双螺旋结构截面图（二）

（3）DNA双链所形成的螺旋直径为2nm；螺旋每旋转一周包含了10对碱基，每个碱基的旋转角度为36°；螺距为3.4nm，每个碱基平面之间的距离为0.34nm。从外观上，DNA螺旋分子表面存在一个大沟和一个小沟，目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。

（4）维系DNA双螺旋结构稳定是氢键和疏水力，DNA双链结构的稳定横向依靠两条链互补碱基间的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，相对来说，碱基堆积力对于双螺旋的稳定性更为重要。碱基对平面、DNA双螺旋结构如图2－10所示。

图2－10　碱基对平面与DNA双螺旋结构

Watson和Crick提出的DNA模型是在相对湿度92%的条件下，从生理盐水溶液中提取的DNA纤维的构象，称B型构象。天然DNA的结构易受溶液的离子强度和相对湿度影响，DNA螺旋结构沟的深浅、螺距、旋转都会发生改变。当相对湿度是72%时为A型构象，两者的一些结构参数有很大差别。1979年Alexander Rich等人在研究人工合成的CGCGCG的晶体结构时，意外发现这种合成的DNA是左手螺旋。后来证明这种结构天然也有存在，人们称为Z－DNA。在生物体内，不同构象的DNA在功能上可能有所差别，与基因表达的调节和控制相适应。

DNA双螺旋结构的发现是生物学发展的重要里程碑，是20世纪最伟大的科学成就。

【知识链接】

DNA双螺旋结构的发现

对DNA双螺旋结构发现作出重大贡献的科学家有英国剑桥大学的克里克和沃森，英国皇家科学院的富兰克林（Franklin）和威尔金斯（Wilkins）。其中富兰克林的工作为DNA双螺旋结构模型的提出奠定了基础。富兰克林不仅首先拍摄了一张可清楚显示出双螺旋结构的晶体X光衍射图，还指出了克里克和沃森早期提出的DNA结构是一个三螺旋结构模型的错误。后来克里克和沃森看到了这张X射线衍射图，在1953年提出了DNA双螺旋结构模型，并通过此结构解释了遗传的分子机制和基因自发突变的可能性。克里克和沃森因最先提出DNA双螺旋结构获得了1962年的生物和医学诺贝尔奖。

DNA双螺旋结构的发现是生物学发展重要里程碑，正因为有了DNA双螺旋结构的发现，才会有今天的遗传工程和众多基因工程药物，如人重组胰岛素、白细胞介素、干扰素、人重组乙型肝炎疫苗等。

3.DNA的超级结构 生物界的DNA是十分巨大的高分子，DNA的长度要求其必须形成紧密折叠扭转的方式才能够存在于很小的细胞核内，而且生物进化程度越高，其DNA的分子越大，所以细胞内的DNA在双螺旋式结构基础上，进一步折叠为超级结构。

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。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，如图2－11所示。

在原核生物中，线粒体和叶绿体中的DNA是共价闭合的环状双螺旋，这种环状双螺旋结构还需再螺旋化形成超螺旋。

图2－11　DNA超螺旋结构

真核生物染色体DNA是线性双螺旋结构，染色质的基本组成单位被称为核小体，由DNA和五种组蛋白共同构成。核小体中组蛋白分别称为H₁、H2A、H2B、H₃和H4。H2 A、H2B、H₃和H₄各两分子构成八聚体的核心组蛋白，DNA双螺旋链缠绕在这一核心上形成核小体的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间再由DNA和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样结构，许多核小体形成的串珠样线性结构再进一步盘曲成直径为30 nm的纤维结构，后者再经几次卷曲，形成染色体结构。核小体，染色质及染色体如图2－12所示。

图2－12　染色体的结构

4.DNA的功能 DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板，它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。

基因是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。DNA利用四种碱基的不同排列，可以对生物体所有遗传信息进行编码，经过复制遗传给子代，并通过转录和翻译保证维持生命活动的各种RNA和蛋白质在细胞内有序合成。DNA的结构特点是具有高度的复杂性和稳定性，可以满足遗传多样性和稳定性的需要。

（二）RNA的结构与功能

RNA在生命活动中同样具有重要作用，RNA分子比DNA分子小得多，RNA通常以单链形式存在，但也有复杂的局部二级结构或三级结构，以完成一些特殊功能。RNA可分为多种类型，除信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）、转运RNA（tRNA）外，还有真核结构基因转录产生的mRNA前体分子，核内不均一RNA（hnRNA）、核内小RNA（snRNA）、反义RNA（asRNA）等。不同种类的RNA结构和功能各不相同。

1.信使RNA　DNA主要存在于细胞核内，而蛋白质的合成是在细胞质进行的。DNA的遗传信息是通过特殊的RNA转移到细胞质，并在那里作为蛋白质合成的模板，决定其合成的蛋白质中氨基酸顺序。传递DNA遗传信息的RNA称为信使RNA。

真核生物的mRNA结构特点是含有特殊5′－末端的帽子和3′－末端的多聚A尾结构。原核生物mRNA未发现类似结构。

（1）mRNA的3′－末端有一段含30～200个核苷酸残基组成的多聚腺苷酸（polyA）。此段polyA不是直接从DNA转录而来，而是转录后逐个添加上去的。有人把polyA称为mRNA的“靴”。原核生物一般无polyA的结构。此结构与mRNA由胞核转运到胞质及维持mRNA的结构稳定有关，它的长度决定mRNA的半衰期。

（2）mRNA的5′－末端有一个7－甲基鸟嘌呤核苷三磷酸的“帽”式结构。此结构在蛋白质的生物合成过程中可促进核蛋白体与mRNA的结合，加速翻译起始速度，并增强mRNA的稳定性，防止mRNA从头水解。

mRNA的功能是把核内DNA的碱基顺序按照碱基互补原则，抄录并转移到细胞质，决定蛋白质合成过程中的氨基酸排列顺序。

2.转运RNA　tRNA含70～100个核苷酸残基，是相对分子质量最小的RNA，占RNA总量的16%，现已发现有100多种。tRNA的主要生物学功能是转运活化了的氨基酸，参与蛋白质的生物合成。

各种tRNA的一级结构互不相同，但它们的二级结构都呈三叶草形。这种三叶草形结构的主要特征是，含有四个螺旋区、三个环和一个附加叉。四个螺旋区构成四个臂，其中含有3′末端的螺旋区称为氨基酸臂，因为此臂的3′－末端都是C－C－A－OH序列，可与氨基酸连接。三个环分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示。环Ⅰ含有5，6二氢尿嘧啶，称为二氢尿嘧啶环（DHU环）。环Ⅱ顶端含有由三个碱基组成的反密码子，称为反密码环；反密码子可识别mRNA分子上的密码子，在蛋白质生物合成中起重要的翻译作用。环Ⅲ含有胸苷（T）、假尿苷（ψ）、胞苷（C），称为TψC环；此环可能与结合核糖体有关（图2－13）。

tRNA分子中稀有碱基的数量是所有核酸分子中比例最高的，这些稀有碱基的来源是转录之后经过加工修饰形成的。

tRNA在二级结构的基础上进一步折叠成为倒“L”字母形的三级结构，一端为反密码环，另一端为氨基酸臂，DHU环和TψC环在拐角处。此种结构与tRNA和核蛋白质及rRNA的相互作用相关。tRNA的二级结构和三级结构如图2－13所示。

3.核糖体RNA　rRNA是细胞中含量最多的RNA，约占RNA总量的82%。rRNA单独存在时不执行其功能，它与多种蛋白质结合成核糖体，作为蛋白质生物合成的“装配机”。

rRNA的相对分子质量较大，结构相当复杂，目前虽已测出不少rRNA分子的一级结构，但对其二级、三级结构及其功能的研究还需进一步的深入。原核生物的rRNA分三类：5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA。真核生物的rRNA分四类：5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。S为大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位，可间接反映相对分子质量的大小。原核生物和真核生物的核糖体均由大、小两种亚基组成。以大肠杆菌和小鼠肝为例，各亚基所含rRNA、蛋白质的种类和数目见表2－6。

图2－13　tRNA的二级结构和三级结构

表2－6　核糖体中包含的rRNA和蛋白质

（三）核酶

1982年Thomas Cech在研究四膜虫rRNA前体加工时发现，rRNA前体本身具有自我催化作用，开创了RNA具有酶功能的先河。提出了核酶的二级结构呈锤头状，即锤头核酶。

1994年Breaker发现人工合成DNA的某些片段具有酶的活性而称为脱氧核酶。由于DNA较RNA稳定且成本低廉，脱氧核酶的应用已成为新药开发的热门课题。