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核酸结构与功能
第八章 核酸及其代谢BACK
（NucleicAcidandNucleotideMetabolism）
第一节核酸的结构与功能2
一、 核酸的化学组成2
（一）元素组成2
（二）化学组成与基本单位3
二、 DNA的一级结构与功能7
（一）DNA的一级结构7
（二）基因组DNA8
三、 DNA的二级结构与功能9
（一）DNA的二级结构双螺旋结构模型（doublehelixmodel）9
（二）DNA结构的多态性11
（三）DNA结构的不均一性（heterogeneity）14
（四）DNA的变性、复性与分子杂交15
四、 DNA的三级结构与功能20
（一）DNA超螺旋20
（二）染色质和核小体21
五、 RNA的结构与功能23
（一）信使RNA（mRNA）与不均一核RNA（hnRNA）24
（二）转运RNA（tRNA）26
（三）核蛋白体RNA（rRNA）28
（四）其它RNA分子29
第二节核苷酸代谢30
一、 核苷酸的化学结构30
二、 嘌呤核苷酸的合成代谢31
（一）嘌呤核苷酸的合成31
三、 嘧啶核苷酸的合成代谢38
（一）嘧啶核苷酸的从头合成38
四、 脱氧核糖核苷酸的生成43
（一）脱氧核糖的生成：
43
（二）脱氧核糖核苷酸合成的调节44
五、 核苷酸的分解代谢46
（一）、嘌呤的分解代谢46
（二）、嘧啶核苷酸的分解代谢48
第一节核酸的结构与功能
1868年，瑞士的内科医生FriedrichMiescher从外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核质（nuclein）；后来他又从鲭鱼精子中分离出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的，此酸性物质即是现在所知的核酸（nucleicacid）。
1944年OswaldAvery,ColinMacleod和MaclynMcCarty发现，一种有夹膜、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸桪NA（deoxyribonucleicacid,脱氧核糖核酸），可使另一种无夹膜，不具致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变，转变为有夹膜，具致病性的肺炎球菌，且转化率与DNA纯度呈正相关，若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。
该项实验彻底纠正了蛋白质携带遗传信息这一错误认识，确立了核酸是遗传物质的重要地位；DNA遗传作用的进一步肯定来自AlfredHershey和MarthaChase对一个感染大肠杆菌的病毒的研究。
即用放谢性同位素32P标记噬菌体DNA，35S标记其蛋白质外壳，再用标记的噬菌体去感染培养的大肠杆菌，结果发现进入细菌体内，使细菌生长、繁殖发生变化的是32P标记的DNA，而不是35S标记的蛋白质，并且新繁殖生成的噬菌体不含35S，只含32P。
1953年Watson和Crick创立的DNA双螺旋结构模型，不仅阐明了DNA分子的结构特征，而且提出了DNA作为执行生物遗传功能的分子，从亲代到子代的DNA复制（replication）过程中，遗传信息的传递方式及高度保真性，为遗传学进入分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学发展史上最为辉煌的里程碑。
后来的研究又发现了另一类核酸桼NA（ribonucleicacid,核糖核酸），RNA在遗传信息的传递中起着重要的作用。
从此，核酸研究的进展日新月异，如今，由核酸研究而产生的分子生物学及其基因工程技术已渗透到医药学、农业、化工等领域的各个学科，人类对生命本质的认识进入了一个崭新的天地。
一、 核酸的化学组成
核酸是生物体内的高分子化合物，包括DNA和RNA两大类。
（一）元素组成
组成核酸的元素有C、H、O、N、P等，与蛋白质比较，其组成上有两个特点：
一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量较多并且恒定，约占9～10%。
因此，核酸定量测定的经典方法，是以测定P含量来代表核酸量。
（二）化学组成与基本单位
核酸经水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本单位。
核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。
核苷酸可被水解产生核苷和磷酸，核苷还可再
进一步水解，产生戊糖和含氮碱基（图8－1）
图8－1 核酸的基本组成
核苷酸中的碱基均为含氮杂环化合物，它们分别属于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。
核苷酸中的嘌呤碱（purine）主要是鸟嘌呤（guanine,G）和腺嘌呤（adenine,A），嘧啶碱（pyrimidine）主要是胞嘧啶（cytosine,C）、尿嘧啶（uracil,U）和胸腺嘧啶（thymine,T）。
DNA和RNA都含有鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）；胸腺嘧啶（T）一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶（U）只存在于RNA中，不存在于DNA中。
核酸中五种碱基中的酮基和氨基，均位于碱基环中氮原子的邻位，可以发生酮式一烯醇式或氨基亚氨基之间的结构互变。
这种互变异构在基因的突变和生物的进化中具有重要作用。
有些核酸中还含有修饰碱基（modifiedcomponent），（或稀有碱基，unusualcomponent），这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化（methylation）或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。
一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。
DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，如5-甲基胞嘧啶（m5C），5-羟甲基胞嘧啶hm5C；RNA中以tRNA含修饰碱基最多，如1-甲基腺嘌呤（m1A），2，2一二甲基鸟嘌呤（m22G）和5，6-二氢尿嘧啶（DHU）等。
嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，对260nm左右波长的紫外光有较强的吸收。
碱基的这一特性常被用来对碱基、核苷、核苷酸和核酸进行定性和定量分析。
核酸中的戊糖有核糖（ribose）和脱氧核糖（deoxyribose）两种，分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。
为了与碱基标号相区别，通常将戊糖的C原子编号都加上“′”，如C1′表示糖的第一位碳原子。
戊糖与嘧啶或嘌呤碱以糖苷键连接就称为核苷，通常是戊糖的C1′与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9相连接。
核苷中戊糖的羟基与磷酸以磷酸酯键连接而成为核苷酸。
生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的C5′上羟基被磷酸酯化，形成5′核苷酸。
核苷酸在5′进一步磷酸化即生成二磷酸核苷和三磷酸核苷。
以核糖腺苷酸为例，除AMP外，还有二磷酸腺苷（ADP，adenosine5′－diphosphate）和三磷酸腺苷（ATP，adenosine5′-triphosphate）两种形式。
核苷酸的二磷酸酯和三磷酸酯多为核苷酸有关代谢的中间产物或者酶活性和代谢的调节物质，以及作为核苷酸有关代谢的中间产物或者酶活性和代谢的调节物质，以及作为生理储能和供能的重要形式。
核苷酸还有环化的形式。
它们主要是3′，5′－环化腺苷酸（cAMP,adenosine3′,5′－cyclicmonophosphate）和3′，5′－环化鸟苷酸（cGMP,guanosine3′，5′－cyclicmonophosphate），化学结构如下。
环化核苷酸在细胞内代谢的调节和跨细胞膜信号中起着十分重要的作用。
表8－1 核苷酸及相应的核苷、碱基名称中英文对照表
核苷酸
核苷
碱基
腺苷酸（AMP）
腺苷
腺嘌呤（A）
adenosinemonophosphate
adenosine
Adenine
脱氧腺苷酸（dAMP）
脱氧腺苷
deoxydenosinemonophosphate
deoxyadenosine
鸟苷酸（GMP）
鸟苷
鸟嘌呤（G）
guanosinemonophosphate
guanosine
Guanine
脱氧鸟苷酸（dGMP）
脱氧鸟苷
deoxyguanosinemonophosphate
deoxyguanosine
胞苷酸（CMP）
胞苷
胞嘧啶（C）
cytidinemonophosphate
cytidine
cytosine
胞氧胞苷酸（dCMP）
脱氧胞苷
deoxycytidinemonophosphate
deoxycytidine
胸苷酸（TMP/dTMP）
胸苷
胸腺嘧啶（T）
thymidinemonophate
thymidine
thymine
尿苷酸（UMP）
尿苷
尿嘧啶（U）
uridinemonophosphate
uridine
uracil
二、 DNA的一级结构与功能
（一）DNA的一级结构
核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸（polynucleotide），DNA的一级结构即是指四种核苷酸（dAMP、dCMP、dGMP、dTMP）按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基顺序。
核苷酸之间的连接方式是：
一个核苷酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。
核酸是有方向性的分子，即核苷酸的戊糖基的5′位不再与其它核苷酸相连的5′末端，以及核苷酸的戊糖基3′位不再连有其它核苷酸的3′末端，两个末端并不相同，生物学特性也有差异。
寡核苷酸（oligonucleotide）是指二至十个甚至更多个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。
目前多由仪器自动合成而用作DNA合成的引物（Primer）、基因探针（probe）等，在现代分子生物学研究中具有广泛的用途。
表示一个核酸分子结构的方法由繁至简有许多种（图15-2）。
由于核酸分子结构除了两端和碱基排列顺序不同外，其它的均相同。
因此，在核酸分子结构的简式表示方法中，仅须注明一个核酸分子的哪一端是5′末端，哪一端是3′末端，末端有无磷酸基，以及核酸分子中的碱基顺序即可。
如未特别注明5′和3′末端，一般约定，碱基序列的书写是由左向右书写，左侧是5′末端，右侧为3′末端。
图8－2 核酸分子结构的表示方式
（二）基因组DNA
自然界绝大多数生物体的遗传信息贮存在DNA的核苷酸排列顺序中。
DNA是巨大的生物高分子，一般将细胞内遗传信息的携带者棗染色体所包含的DNA总体称为基因组（genome）。
同一物种的基因组DNA含量总是恒定的，不同物种间基因组大小和复杂程度则差异极大，一般讲，进化程度越高的生物体其基因组构成越大、越复杂（表8-2）。
表8-2 某些有代表性的生物体内DNA大小
分子量
碱基对（bp）
千碱基对（kb）
最简单的微生物
SV40病毒
3×106
5×103
5
λ噬菌体
3.4×107
5×104
50
细菌
大肠杆菌
2.2×109
4.6×106
4600
哺乳动物
小鼠
1.5×1012
2.3×109
230万
人
1.8×1012
2.8×109
280万
DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定的功能单位，即基因（gene）。
基因的功能取决于DNA的一级结构。
一个DNA分子能携带多少基因呢?
如果以1000～1500bp编码一个基因计算，猿猴病毒SV40基因组DNA有5000碱基对（basepair,bp），可编码5种基因，人类基因组含3×109bpDNA，理论上可编码200万以上的基因，然而，由于哺乳动物的基因含有内含子（intorn），因而每个基因可长达5000～8000bp，少数可达20，000bp。
按这样大小的基因进行推算，人类基因组相当于40～60万个基因。
这可能吗?
虽然现在还不知道确切数字，但利用核酸杂交已测得哺乳类细胞含50，000～100，000种mRNA，由此推论整个基因组所含基因不会超过10万个，只占全部基因组的6%，另外5～10%为rRNA等重复基因，其余80～90%属于非编码区，没有直接的遗传学功能。
DNA的复性动力学研究发现这些非编码区往往都是一些大量的重复序列，这些重复序列或集中成簇，或分散在基因之间，可能在DNA复制、调控中具有重要意义，并与生物进化、种族特异性有关。
可见原核细胞由于DNA分子较小，必须充分利用有限的核苷酸序列，这是真核基因组与原核基因组显然不同之处。
三、 DNA的二级结构与功能
（一）DNA的二级结构双螺旋结构模型（doublehelixmodel）
1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的双螺旋结构模型，揭示了遗传信息是如何储存在DNA分子中，以及遗传性状何以在世代间得以保持。
这是生物学发展的重大里程碑。
在DNA双螺旋结构模型建立之前，早在1868年，Miescher已经从脓细胞提取到核酸与蛋白质的复合物，当时称为核素（nuclein）。
但核酸在生命活动中的重要地位，却迟至本世纪50年代才被认识。
本世纪20年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；40年代末，Avery,Hershey和Chase的实验严密地证实了DNA就是遗传物质；50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律（表8－3）。
表8-3 不同生物来源的DNA四种碱基比例关系
DNA来源
腺嘌呤（A）
胸腺嘧啶（T）
鸟嘌呤（G）
胞嘧啶（C）
（A+T）/（G+C）
大肠杆菌
25.4
24.8
24.1
25.7
1.01
小麦
26.8
28.0
23.2
22.7
1.21
鼠
29.7
25.6
21.9
22.8
1.21
猪：
肝
29.4
29.7
20.5
20.5
1.43
胸腺
30.0
28.9
20.4
20.7
脾
29.6
29.2
20.4
20.8
酵母
31.3
32.9
18.7
17.5
1.079
（1）同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；
（2）一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；
（3）几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同（A］=［T），鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同（G］=［C），总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同（［A＋G］=［C]＋［T）。
（4）不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同；
这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。
Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和Franklin的DNAX射线衍射分析结果加以研究，提出了DNA结构的双螺旋模式，其主要内容如下：
图8－3 DNA的双螺旋结构模式
A.正面观：
长方框内有详细说明，S代表脱氧核糖。
B.俯视：
涂黑的是碱基，此处全部碱基都是嘧啶，只看到糖的侧面略呈三角形，最外围是磷酸及其酯键。
（1）在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构，双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm。
（图8--3,A，B）。
（2）链的骨架（backbone）由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。
（3）碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近于平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。
一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称为碱基互补配对或碱基配对（basepairing），碱基对层间的距离为0.34nm。
碱基互补配对总是出现于腺嘌呤与胸腺嘧啶之间（A=T），形成两个氢键；或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间（G=C），形成三个氢键（图8--4）。
图8－4 A－T，G－C间的氢键形成
（4）DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是5′→3′走向，另一股链是3′→5′走向。
两股链之间在空间上形成一条大沟（majorgroove）和一条小沟（minorgroove），这是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。
DNA双螺旋的稳定由互补碱基对之间的氢键和碱基对层间的堆积力（basestackingforce）维系。
DNA双螺旋中两股链中碱基互补的特点，逻辑地预示了DNA复制过程是先将DNA分子中的两股链分离开，然后以每一股链为模板（亲本），通过碱基互补原则合成相应的互补链（复本），形成两个完全相同的DNA分子。
因为复制得到的每对链中只有一条是亲链，即保留了一半亲链，将这种复制方式称为DNA的半保留复制（semiconservativereplication）。
后来证明，半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。
DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式。
双螺旋结构理论支配了近代核酸结构功能的研究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献。
（二）DNA结构的多态性
Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。
然而以后的研究表明DNA的结构是动态的。
在以钾或绝作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成A－DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。
由于大沟、小沟是DNA行使功能时蛋白质的识别位点，所以由B－DNA变为A－DNA后，蛋白质对DNA分子的识别也发生了相应变化。
一般说来，A－T丰富的DNA片段常呈B－DNA。
采用乙醇沉淀法纯化DNA时，整个过程中，大部分DNA由B－DNA经过C－DNA，最终变构为A－DNA。
若DNA双链中一条链被相应的RNA链所替换，会变构成A－DNA。
当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A－DNA。
由此可见A－DNA构象对基因表达有重要意义。
此外，B－DNA双链都被RNA链所取代而得到由两条RNA链组成的双螺旋结构也是A－DNA。
除A－DNA、B－DNA螺旋外，还存在B′－DNA、C－DNA、D－DNA等（表15－4）。
表8-4 不同右手双螺旋DNA的结构参数
双螺旋
碱基倾
碱基夹
碱基间距
螺距
每轮碱
小沟宽／nm×
大沟宽nm×
角／（°）
角（°）
/nm
／nm
基数
小沟宽nm
大沟宽nm
B-DNA
0
36.0
0.337
3.4
10
0.57×0.75
1.17×0.85
C-DNA
6
38.0
0.331
3.1
9.3
0.48×0.79
1.05×0.75
D-DNA
45.0
0.303
0.13×0.67
0.89×0.58
A-DAN
20
32.7
0.256
2.8
11
1.10×0.28
0.27×1.35
总之，DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡中，DNA分子构象的变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。
1979年，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG单晶的X-射线衍射图谱时出人意料地发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同。
它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长（4.5nm左右），直径变窄（1.8nm），每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象（英文字Zigzag的第一个字母）。
还有，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且ZDNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在（图15-7）。
进一步的分析还证明，Z－DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。
比如CGCGCGCG或者CACACACA。
图8－5 Z－DNA和B－DNA
Z－DNA有什么生物学意义呢?
应当指出Z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。
因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产生静电排斥。
但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。
DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构与基因调节有关。
比如SV40增强子区中就有此结构，又如鼠类微小病毒DNS复制区起始点附近有GC交替排列序列。
此外，DNA螺旋上沟的特征在其信息表达过程中起关键作用。
调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原子供体或受体相互作用，形成氢键从而识别DNA上的遗传信息的。
大沟所带的遗传信息比小沟多。
沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。
ZDNA中大沟消失，小沟狭而深，使调控蛋白识别方式也发生变化。
这些都暗示ZDNA的存在不仅仅是由于DNA中出现嘌呤一啶嘧交替排列之结果，也一定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与结构不断调整与筛选的结果，有其内在而深刻的含意，只是人们还未充分认识而已。
DNA构象的可变性，或者说DNA二级结构的多态性的发现拓宽了人们的视野。
原来，生物体中最为稳定的遗传物质也可以采用不同的姿态来实现其丰富多采的生物学功能。
多年来，DNA结构的研究手段主要是X射线衍射技术，其结果是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平均值而获得的。
同时，这项技术的样品分析条件使被测DNA分子与天然状态相差甚远。
因此，在反映DNA结构真实性方面这种方法存在着缺陷。
1989年，应用扫描隧道显微镜（scanningtummelingmicroscopy,STM）研究DNA结构克服了上述技术的缺陷。
这种先进的显微技术，不仅可将被测物放大500万倍，且能直接观测接近天然条件下单个DNA分子的结构细节。
STM技术的应用是DNA结构研究中的重要进展，可望在探索DNA结构的某些未知点上展示巨大潜力。
（三）DNA结构的不均一性（heterogeneity）
在DNA的一级结构中，四种碱基A，T，C，G远非均匀分布，尽管双螺旋的构型大体相同，但沿着DNA链各处的物理结构不完全相同，各处双螺旋的稳定性也就显示出差别，充分体现了DNA一级结构决定高级结构的原理。
其不均一性主要有：
1.反向重复序列（invertedrepeats）
又称回文序列（palindrome），它能在DNA或RNA中形成发夹结构。
这种回文结构通常是作为一种特别信号，如限制性核酸内切酸（restrictionencl闩迥onuclease）及调节蛋白的识别位点，转录终止信号等。
2.富含A/T的序列
在高等生物中，A+T与G＋C的含量差不多相等，然而在它们的染色体某一区域，A·T含量可能相当高。
如在很多有重要调节功能的DNA区段都富含A·T，特别是在复制起点和启动子的Pribnow框（真核生物为TATA框）的序列中，其对于复制和起始十分重要。
因为A－T对只有二条氢键，此处的双链较G－C对处易于解开，有利于起始复合物的形成。
3.嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响。
人们考察了十种相邻的二核苷酸对（nearestneighbordoublets），发现一个非常有趣的现象，那就是碱基组成相同，但嘌呤和嘧啶的排列顺序不同，双螺旋的稳定性具有显著的差异。
例如5′GC3′ 3′G5′和5′GC3′ 3′G
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