第二节
核酸的分子结构

在细胞中，核酸的相对分子量非常大，其分子内或分子间有较强的相互作用，也可与蛋白质结合，形成结构复杂的核蛋白复合物，其结构可分为四级结构：一级结构（primary structure）、二级结构（secondary structure）、三级结构（tertiary structure）和染色体结构（Chromosome structure）。

一、核酸的一级结构

核酸的一级结构是指核酸链中核苷酸的排列顺序，由于核苷酸之间磷酸、戊糖相同，仅有碱基不同，故核酸的一级结构也指碱基的排列顺序（base sequence）。虽然组成DNA的碱基只有4种，配对方式仅2种，然而DNA长链中的碱基序列则千变万化，形成了DNA分子的多样性。对于某一特定生物的DNA，确定的碱基序列构成了DNA分子的特异性。因此，DNA分子作为生物体的遗传物质，其多样性和特异性奠定了地球上物种多样性和特异性的基础。

（一）核酸中核苷酸的连接方式

核酸中的核苷酸以3＇，5＇-磷酸二酯键相连，即上一核苷酸中戊糖的3＇羟基（-OH）与下一核苷酸中戊糖C-5＇的磷酸基（-P）之间酯化脱水形成3＇，5＇-磷酸二酯键，最终构成线性或环形的核酸分子。由于核苷酸上戊糖的C-5＇连接磷酸基（-P），而C-3＇连接羟基（-OH），所以由核苷酸聚合而成的核酸链有5＇和3＇两个不同的末端。为与核酸合成的方向（5＇→3＇）一致，把含有游离磷酸基的5＇端作为核酸的起始端，把含有游离羟基的3＇端作为结束端（图3-1）。

单链核酸的大小通常用碱基数目（base，kilobase）表示，而双链核酸则用碱基对数目（base pair，bp或kilobase pair，kb）表示。通常把小于50bp的核酸称为寡聚核苷酸。

（二）核酸链的几种表示方式

核酸一级结构通常用图3-1所示的几种方法表示。

二、核酸的空间结构与功能

核酸的空间结构是指其所有原子在三维空间的相对位置，包括核酸的二级结构、三级结构和染色体结构。DNA和RNA分布在细胞中的不同区域，其存在状态不同，结构差异明显，在生命活动中的功能也各不相同。

（一）DNA的二级结构与功能

DNA二级结构除了典型的右手双螺旋结构外，还可在不同条件下发生多态性变化，形成多链螺旋结构等。

1．Chargaff法则 20世纪40年代，美国科学家Chargaff等人利用紫外分光光度法和纸层析等技术研究多种生物DNA的化学组成，提出了关于DNA碱基组成的Chargaff法则：

（1）DNA碱基组成具有物种特异性，不同物种的DNA具有其独特的碱基组成（表3-4）。

（2）同一个体的不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。

（3）同一个体的DNA碱基组成终生不变，不受年龄、营养状况和环境等因素的影响。

（4）几乎所有物种的DNA碱基组成都有下列关系：A=T，G=C，A+G=T+C。

2．DNA的二级结构 1953年，J.Watson和F.Crick提出了DNA的二级结构——双螺旋结构模型，不仅解释了DNA理化性质的物理基础，还揭示了DNA分子的遗传机制，首次把生物性状遗传与DNA分子结构联系起来，为分子生物学的发展奠定了基础。

（1）B-DNA双螺旋模型结构的要点

①DNA分子是反向平行的右手双螺旋结构。DNA分子是双链结构，由磷酸基团和脱氧核糖构成亲水性的两条多核苷酸主链（backbone）位于螺旋外侧，疏水性的碱基位于内侧。两条链反向平行（anti-parallel），围绕同一长轴盘绕，构成右手双螺旋（right-handed double helix）结构（图3-2）。双螺旋上有一条大沟（major groove）和一条小沟（minor groove）。

②两条链之间的碱基互补配对。碱基平面与长轴（戊糖平面）垂直，碱基之间A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键，这样的碱基配对关系称为碱基互补配对（complementary base pair），因此，DNA的两条链称为互补链（complementary strand）。

③双螺旋的直径为2nm，每旋转一周包含10.5bp，两个相邻碱基平面之间的垂直距离为0.34nm（图3-2）。

④碱基堆积力和氢键维持螺旋结构的稳定性。相邻的两个碱基对平面在旋进中相互重叠，因此产生具有疏水性的碱基堆积力，维持螺旋的纵向稳定，是保持DNA双螺旋稳定的主要作用力。互补链之间碱基对的氢键维持DNA双螺旋的横向稳定。磷酸基团的负电荷与组蛋白、介质中阳离子的正电荷之间相互作用，减少了DNA分子间的静电斥力，对DNA双螺旋结构的稳定有一定作用。

（2）DNA二级结构的多态性

①A型DNA和Z型DNA。Watson和Crick提出的双螺旋结构称为B型DNA或B-DNA（图3-3），是在水环境或生理条件下DNA最稳定的构象。但在不同的离子强度和相对湿度下，DNA双螺旋结构的沟槽、螺距和旋转角等都会发生变化（表3-5）。在脱水或DNA-RNA杂交时，DNA右手双螺旋结构称为A型DNA或A-DNA（图3-3）。富含GC重复序列的DNA分子会出现左手双螺旋结构，称为Z型DNA或Z-DNA（图3-3）。因此，在生物体内，DNA的双螺旋结构所处环境不同，其功能也发生相应的变化，与基因的表达调控相适应。

②DNA的多链螺旋结构。1963年，K.Hoogsteen提出在酸性条件下，胞嘧啶N-3原子与鸟嘌呤N-7原子形成氢键，胞嘧啶C-4的氮原子所连的氢原子与鸟嘌呤的C-6连接的氧原子形成氢键，称为Hoogsteen氢键。DNA分子通过Hoogsteen氢键形成C + GC的三螺旋DNA结构（triplex DNA），如图3-4A所示。此外，在真核生物DNA分子3＇末端常存在富含GT的重复序列，通过Hoogsteen键形成四链结构，如图3-4B所示。

（3）DNA双螺旋结构的生物学意义　DNA双螺旋结构模型阐明了生物遗传信息的构成和传递方式，开启了分子生物学时代，为人类从分子水平研究生命的发生、发育、遗传、衰老和死亡等现象，以及疾病的发病机制、预防、诊断和治疗等奠定了坚实的基础。

（二）DNA的三级及以上结构

DNA的三级结构是指DNA在二级结构基础上进一步盘绕和折叠所形成的超螺旋结构（supercoil），如图3-5所示。

1．超螺旋结构 细菌、某些病毒和噬菌体等原核生物以及真核生物的线粒体和叶绿体的DNA都是闭环结构，可进一步扭转、盘绕成超螺旋结构。超螺旋有2种：正超螺旋（positive supercoil）和负超螺旋（negative supercoil）。形成超螺旋一方面可以降低DNA分子的张力，使DNA分子更加稳定，另一方面可以压缩DNA分子，使其结构更加紧凑，可将很长的DNA分子局限在细胞内一个很小的区域中。与DNA双螺旋的旋转方向一致的扭转，称为正超螺旋；与DNA双螺旋的旋转方向相反的扭转，称为负超螺旋。在细胞间期，DNA处于负超螺旋状态，此时DNA双链易于解链，有利于基因表达。细菌的DNA可形成多个相互独立的超螺旋区，且各区之间的螺旋程度不同。

案例1　分析讨论

该病初步诊断：脆性X染色体综合征。该患者具有下颌大、突耳和大睾丸等典型的脆性X染色体综合征表型；遗传分析发现，患者的男性亲属具有典型智力障碍家族史，表现为伴性遗传，综合上述可做初步诊断。进一步确诊需进行X染色体脆点确认（即X染色体长臂末端的随体），或RFLP连锁分析、DNA杂交分析、PCR扩增等方法来检出致病基因。

脆性X染色体是由脆性X染色体智力低下基因1（fragile X mental retardation 1 gene，FM R-1）5＇端CGG重复序列突变，导致该基因失去功能引起的。临床表现为面容瘦长，前额突出；面中部发育不全，下颌大而前突；约80%的男性患者睾丸增大，性腺发育不良，且伴有中度或重度智障等。

2．染色体结构 真核细胞的DNA以极其有序的方式组装在细胞核内，在细胞分裂间期形成染色质结构，而在细胞分裂期则形成高度致密的染色体结构。两者主要区别在于染色体的压缩程度比染色质高。

染色体由DNA、组蛋白、少量RNA和非组蛋白构成，其中DNA和组蛋白的比例接近于1∶1。

（1）组蛋白（histone）　属碱性蛋白质，是真核生物染色体的基本组分，包括H1、H2A、H2B、H3和H4等五种蛋白质。它们富含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸，在生理条件下带正电荷。在一级结构上，H1与其余四种组蛋白的差异较大，有明显种属差异性，而H2A、H2B、H3和H4则高度保守，无明显种属差异性。组蛋白参与维持染色体的结构并调节染色体功能。

（2）核小体（nucleosome）　是染色体的基本结构单位，由DNA和组蛋白构成。组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子组成八聚体的组蛋白核心，长约150bp的DNA以左手螺旋盘绕组蛋白核心1.75圈，形成核小体的核心颗粒。核小体的核心颗粒之间再由组蛋白H1与大约50bp的连接DNA连接起来形成串珠状的染色质细丝，这是DNA在核内形成致密结构的第一层次折叠，使DNA长度压缩了约7倍；每6个核小体进一步卷曲形成直径约30nm的中空状纤维螺线管，使DNA长度压缩了约100倍（图3-6）；30nm纤维螺线管进一步盘绕折叠为直径300nm的超螺旋管，即染色质纤维，后者再进一步压缩成染色单体，最终在核内组装成染色体。在细胞分裂期，DNA被压缩了约8400倍。真核细胞染色体DNA的折叠和组装的整个过程都受到精确调控（图3-7），染色体结构变异则导致严重疾病。

3．DNA三级及以上结构的意义

（1）DNA超螺旋状态有利于基因调控　生物体DNA结构处于动态稳定中，在细胞间期，超螺旋结构的变化可以协调DNA的局部解链，影响复制、转录。

（2）DNA被高度压缩有利于稳定传递遗传信息　真核生物基因组比原核生物大很多，如大肠杆菌的DNA约为4.7×10 6 bp，而人的基因组DNA约为3×10 9 bp。真核生物DNA作为遗传信息载体，在细胞分裂期被高度压缩成染色体并组装于核内，有利于遗传信息的稳定传递。

案例1　分析讨论

染色体是基因的载体。真核生物的基因分布在细胞核内一组形态不同的染色体上。染色体结构变异，致使其携带基因的数量和排列顺序异常，导致性状的变异，多数染色体变异对生物体是不利的，甚至是致命的。

FMR-1基因定位于Xq27，包含17个外显子，大小38kb，对应mRNA 4.4kb，编码序列长19kb。在FMR-1的5＇端非翻译区，即距离第1外显子启始转录点69bp处有一段三核苷酸重复序列（CGG） n ，当CGG重复超过200时，FMR-1基因启动子（Cp G岛）常发生甲基化，导致FMR-1转录受抑制或减弱，FMR蛋白表达受阻，最终导致脆性X染色体综合征。

（三）RNA的空间结构与功能

多数生物遗传信息的载体是DNA，少数病毒的遗传物质是RNA。遗传信息通过指导合成蛋白质而发挥作用，但DNA并不直接指导蛋白质合成，而是先转录合成RNA。RNA在核糖体上作为蛋白质合成的模板，决定肽链的氨基酸排列顺序。因此，RNA是细胞内蛋白质合成的中间物质。下面主要介绍RNA的结构特点，其加工修饰详见第十三章。

RNA通常是线性单链结构，有时可自身回折形成局部双链、茎环或发夹等二级结构，再进一步折叠形成三级结构；与DNA相比，RNA种类较多，分子量较小，结构比较复杂，功能也相对多样。现今已知的RNA大多参与蛋白质的相互作用、遗传信息的表达及其调控。参与蛋白质合成的RNA主要有三类：信使RNA（messenger RNA，mRNA）、转运RNA（transfer RNA，tRNA）和核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）。

1．信使RNA（mRNA） 指在蛋白质合成过程中直接作为模板指导蛋白质合成的RNA。mRNA的特点有：①差异大。不同的mRNA长短不一，分子量差别非常大。②含量少。占细胞RNA总量的2%～5%。③代谢快。在所有RNA中，mRNA寿命最短。不同的mRNA的半衰期各不同，一般约为几分钟或几个小时，指导合成不同的蛋白质后即被降解。

（1）原核生物mRNA结构特点　原核生物mRNA一般5＇端有一段非编码区（NCR），称前导序列，3＇端有一段非编码区，中间是蛋白质的编码区，一般编码多个多肽链。

（2）真核生物mRNA结构特点　①mRNA 5＇末端帽子结构。多数真核生物mRNA的5＇端以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷（m7GpppN）为帽子结构（cap sequence）（图3-8）。原核生物没有这种特殊结构。5＇末端的帽子结构可以保护mRNA免遭核酸酶的降解，也是翻译起始因子识别、结合的一种标志。②mRNA 3＇末端多聚A（poly A）结构。真核生物mRNA前体hnRNA转录合成后，由poly A转移酶催化形成poly A结构，称为多聚A尾，长100～200个腺苷酸。Poly A尾可引导mRNA由细胞核向细胞质转运，增加mRNA稳定性及参与翻译起始的调控（图3-9）。

2．转运RNA（tRNA） 为在蛋白质合成过程中负责搬运氨基酸并解读mRNA密码子的RNA。tRNA占细胞中总RNA的15%，tRNA至少有60多种，虽然各有其独特的碱基组成和空间结构，但均具有如下结构特征：

（1）tRNA一级结构特点　①为小分子单链RNA，由73～95个核苷酸构成。②稀有碱基多。tRNA所含的稀有碱基占其碱基总数的10%～20%，如二氢尿嘧啶核苷酸（D）假尿嘧啶核苷酸（ φ ）等。tRNA中的稀有碱基都是转录后修饰加工而成。③5＇端核苷酸多是鸟苷酸。④3＇端为CCA-OH序列，是氨基酸结合位点。该序列多是转录后在核苷酸转移酶作用下连接到tRNA 3＇末端的。

（2）tRNA二级结构　tRNA二级结构呈三叶草形（图3-10），包含四臂四环结构：氨基酸臂（amino acid arm）、反密码子臂（anticodon arm）及反密码子环、TΨC臂（TΨC arm）及TΨC环、DHU臂（DHU arm）及DHU环、额外环（extra loop）。反密码子环的第3、4、5位核苷酸组成反密码子。反密码子可通过碱基互补的关系识别mRNA上的密码子。

（3）tRNA三级结构　tRNA三级结构均为倒“L”形（图3-11），氨基酸臂和反密码子臂分别位于倒“L”的两端，TΨC臂和DHU环虽在三叶草结构中位于两侧，但在三级结构中相邻（图3-10）。在翻译过程中，tRNA这样的结构有利于将特定活化的氨基酸带入核糖体，并通过mRNA的密码子与tRNA的反密码子相互识别，将mRNA的碱基序列解读成蛋白质中氨基酸的排列顺序。

3．核糖体RNA（rRNA） rRNA常与核糖体蛋白结合构成核糖体（ribosome），为蛋白质合成提供场所。核糖体在所有细胞中均由大小2个亚基构成。核糖体及其组分的大小常用沉降系数表示。

核糖体RNA特点：①含量多。rRNA是细胞内含量最丰富的RNA，占RNA总量的80%～85%。②寿命相对长。③种类少。原核生物核糖体由3种rRNA构成，分别是5S、16S和23S；真核生物核糖体由4种rRNA构成，分别是5S、5.8S、18S和28S。原核生物和真核生物的核糖体大、小亚基组成成分如表3-6所示。

各种rRNA的碱基序列已经确定，据此可预测它们的二级结构和其他空间结构，了解其作用机制。

4．非编码RNA 除上述3种RNA外，近年在细胞内发现一些大小不超过300个核苷酸的小分子RNA，它们被称为非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）或非信使小RNA（small nonmessenger RNA，snmRNA）。这是近年来发现的一类能转录但不编码蛋白质，且具有特定功能的RNA小分子。ncRNA可以根据分子大小、结构特征、亚细胞定位及功能等进行分类与命名，包括催化性小RNA（small catalytic RNA）、核内小RNA（small nuclear RNA，snRNA）、核仁小RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）、细胞质小RNA（small cytoplasmic RNA，scRNA）及小干扰RNA（small interfering RNA，siRNA）、微小RNA（microRNA，miRNA）等，其中催化性小RNA亦被称为核酶（ribozyme，参见第五章），是一类细胞内具有催化作用的小分子RNA，可催化特定RNA降解，其在RNA的剪接修饰中起重要作用。ncRNA主要功能见表3-7。目前发现ncRNA的功能愈来愈多，几乎涉及细胞的各种生理过程，且不同的ncRNA在这些生理过程中发挥的作用也不尽相同，如参与对生长发育、染色质结构、转录、mRNA的稳定性、翻译等调控，参与RNA加工和修饰，以及应对环境刺激等。