核酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

第一章：核酸的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)核酸分為兩類：核糖核酸(ribonucleicacid,RNA)和脫氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)。前者是核甘酸的聚合物，后者是脫氧核甘酸的聚合物。第一節(jié)DNA的結(jié)構(gòu)一、DNA的化學(xué)組成DNA的組成單位是脫氧核甘酸(deoxynucleotide)。脫氧核甘酸有三個組成成分：一個磷酸基團(tuán)(phosphate)，一個2,-脫氧核糖(2'-deoxyribose)和一個堿S(base)o1、堿基構(gòu)成DNA的堿基可以分為兩類，嘌呤(purine)和喀啶(pyrimidine)。嘌吟為雙環(huán)結(jié)構(gòu)(Bicyclic)，包括腺嘌吟(adenine)和鳥嘌吟(guanine)，這兩種嘌吟有著相同的基本結(jié)構(gòu)，只是附著的基團(tuán)不同。而喀啶為單環(huán)結(jié)構(gòu)(monocyclic)，包括胞喀啶(cytosine)和胸腺喀啶(thymine)，它們同樣有著相同的基本結(jié)構(gòu)。2、脫氧核甘嘌吟的N9和喀啶的N1通過糖背鍵與脫氧核糖結(jié)合形成4種脫氧核甘(deoxynucleoside)，分別稱為2,一脫氧腺昔，2,一脫氧胸背，2,一脫氧鳥背和2,—脫氧胞甘。3、脫氧核甘酸脫氧核甘酸由脫氧核甘和磷酸組成。磷酸與脫氧核昔5,—碳原子上的羥基縮水成5,一脫氧核甘酸。脫氧核甘單磷酸依次以磷酸二酯鍵相連形成多核甘酸鏈(polynucleotide),即一個核甘酸的2,一脫氧核糖上的3,一羥基與另一核甘酸上的5,一磷酸基形成磷酸二酯鍵(phosphodiestergroup)。多核甘酸鏈以磷酸二酯鍵為基礎(chǔ)構(gòu)成了規(guī)則的不斷重復(fù)的糖一磷酸骨架，這是DNA結(jié)構(gòu)的一個特點(diǎn)。核背酸的一個末端有一個游離的5,基團(tuán)，另一端的核甘酸有一游離的3,基團(tuán)。人們習(xí)慣于從3'-5'方向書寫核甘酸系列，即從左側(cè)的5,端到右側(cè)的3,端書寫。二、DNA雙螺旋根據(jù)這一模型，雙螺旋的兩條反向平行的多核甘酸鏈繞同一中心軸相纏繞，形成右手螺旋，一條是5,-3,,另一條3,一5,。磷酸與脫氧核糖彼此通過3J5,-磷酸二酯鍵相連接，構(gòu)成DNA分子的骨架。磷酸與脫氧核糖在雙螺旋外側(cè)，嘌吟與喀啶堿位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)。堿基平面與縱軸垂直(perpendiculartothehelixaxis)，糖環(huán)平面與縱軸平行。兩條核甘酸鏈之間依靠堿基間的氫鏈結(jié)合在一起，形成堿基對。位于兩條DNA單鏈之間的堿基配對是高度特異的：腺嘌吟只與胸腺喀啶配對，而鳥嘌吟只與胞喀啶配對，結(jié)果是雙螺旋的兩條鏈的堿基序列有互補(bǔ)關(guān)系(complementary)，其中任何一條鏈的序列都嚴(yán)格決定了其對應(yīng)鏈的序列。堿基對雜環(huán)之間的相互作用稱為堿基堆積(basestacking)，可增加雙螺旋的穩(wěn)定性。氫鍵對于堿基配對的特異性也非常重要。設(shè)想我們試著使腺嘌吟和胞喀啶配對，這樣一個氫鍵受體(腺嘌吟的N1)對著另一氫鍵受體(胞喀啶的N3)。同樣，兩個氫鍵供體，腺嘌吟的C6和胞喀啶的C4上的氨基基團(tuán)也彼此相對，所以，A：C堿基配對是不穩(wěn)定的，堿基對無法形成氫鍵。每圈螺旋含10個核甘酸，堿基堆積距離0.34nm,螺距3.4nm,雙螺旋直徑2nm。DNA的兩條單鏈彼此纏繞時，沿著雙螺旋的走向形成兩個交替分布的凹槽，一個較寬較深的凹槽，稱為大溝(majorgroove),另一個較窄較淺的為小溝(minorgroove)o每個堿基對的邊緣都暴露于大溝、小溝中。在大溝中，每一堿基對邊緣的化學(xué)基團(tuán)都有自身獨(dú)特的分布模式。因此，蛋白質(zhì)可以根據(jù)大溝中的化學(xué)基團(tuán)的排列方式準(zhǔn)確地區(qū)分A：T堿基對、T：A堿基對、G：C堿基對與C：G堿基對。這種區(qū)分非常重要，使得蛋白質(zhì)無需解開雙螺旋就可以識別DNA序列。小溝的化學(xué)信息較少，對區(qū)分堿基對的作用不大。在小溝中，A：T堿基對與T：A堿基對，G：C堿基對與C：G堿基對看起來極其相似。另外由于體積較小，氨基酸的側(cè)鏈不大能夠進(jìn)入小溝之中。三、DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性1、A一型雙螺旋Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋。然而以后的研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動態(tài)的。在相對濕度較低時，DNA分子的X—射線衍射圖給出的是A構(gòu)象，A-DNA的直徑是2.6nm,每螺旋含11個堿基對，螺距3.2nm。A型DNA的大溝變窄、變深，小溝變寬、變淺。由于大溝、小溝是DNA行使功能時蛋白質(zhì)的識別位點(diǎn)，所以由B-DNA變?yōu)锳-DNA后，蛋白質(zhì)對DNA分子的識別也發(fā)生了相應(yīng)變化。RNA和DNA-RNA雜合體會形成A一型雙螺旋。2、Z-型雙螺旋除了A型DNA和B型DNA以外，還發(fā)現(xiàn)有一種Z型DNA。A.Rich在研究CGCGCG寡聚體的結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)了這類DNA。雖然，CGCGCG在晶體中也呈雙螺旋結(jié)構(gòu)，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋(lefthanded),所以這種DNA稱左旋DNA。目前仍然不清楚Z-DNA究竟具有何種生物學(xué)功能。但實(shí)驗(yàn)證明，天然B-DNA的局部區(qū)域可以出現(xiàn)Z-DNA的結(jié)構(gòu)，說明B-DNA與Z-DNA之間是可以互相轉(zhuǎn)變的，并處于某種平衡狀態(tài)，一旦破壞這種平衡，基因表達(dá)可能失控，所以推測Z-DNA可能和基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)。3.H-DNAH-DNA是一種三股螺旋。能夠形成三股螺旋的DNA序列呈鏡像對稱，并且一條鏈為多聚嘌吟鏈，另一條鏈為多聚喀啶鏈，例如(CT/AG)n。三、DNA雙螺旋的變性和復(fù)性1.DNA變性(denaturation)指DNA分子由穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)松解為無規(guī)則線性結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。變性時維持雙螺旋穩(wěn)定性的氫鍵斷裂，堿基間的堆積力遭到破壞，但不涉及到其一級結(jié)構(gòu)的改變。凡能破壞雙螺旋穩(wěn)定性的因素，如加熱、極端的pH、有機(jī)試劑(尿素及甲酰胺等)，均可引起核酸分子變性。2、復(fù)性(Renaturation)指變性DNA在適當(dāng)條件下，二條互補(bǔ)鏈全部或部分恢復(fù)到天然雙螺旋結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，它是變性的一種逆轉(zhuǎn)過程。熱變性DNA一般經(jīng)緩慢冷卻后即可復(fù)性，此過程稱之為退火(annealing)。不同來源的核酸變性后，合并在一處進(jìn)行復(fù)性，這時，只要這些核酸分子核甘酸序列含有可以形成堿基互補(bǔ)配對的片段，復(fù)性也會發(fā)生于不同來源的核酸鏈之間，形成所謂的雜化雙鏈(heteroduplex)，這個過程稱為雜交(hybridization)。雜交可以發(fā)生于DNA與DNA之間，也可以發(fā)生于RNA與RNA之間和DNA與RNA之間。核酸雜交技術(shù)是目前研究核酸結(jié)構(gòu)、功能常用手段之一。第二節(jié)DNA超螺旋(DNASupercoil)一、超螺旋DNA許多病毒DNA以及所有的細(xì)菌DNA都是環(huán)狀分子。環(huán)狀DNA也出現(xiàn)在真核生物的線粒體和葉綠體中。閉合環(huán)狀DNA分子沒有自由的末端。高溫和堿性pH會破壞氫鍵和其他穩(wěn)定DNA雙螺旋的因素。然而，在變性條件下，cccDNA(covalentlyclosedcircularDNA)分子的兩條鏈不會彼此分離，而是形成相互連環(huán)、纏結(jié)的單鏈DNA。分離出來的環(huán)狀DNA分子，例如SV40的環(huán)形DNA分子，如果在DNA鏈上沒有斷裂，呈超螺旋結(jié)構(gòu)(superhelix或supercoil)。超螺旋DNA是DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。超螺旋是有方向的，左旋的超螺旋稱為正超螺旋，右旋的超螺旋稱為負(fù)超螺旋。一個DNA分子的螺旋狀態(tài)可以用扭轉(zhuǎn)數(shù)、纏繞數(shù)和連環(huán)數(shù)來精確描述。扭轉(zhuǎn)數(shù)，即一條鏈完全纏繞另一條鏈的次數(shù)。右手螺旋的扭轉(zhuǎn)數(shù)被定義為正數(shù)。在三維空間里雙螺旋的長軸經(jīng)常在外力的作用下自我交叉，交叉的次數(shù)稱為纏繞數(shù)。扭轉(zhuǎn)數(shù)和纏繞數(shù)是可以相互轉(zhuǎn)換的。一個cccDNA分子容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，在不破壞任何共價(jià)鍵的情況下，部分扭轉(zhuǎn)數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槔p繞數(shù)或者部分纏繞數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榕まD(zhuǎn)數(shù)。唯一不變的是扭轉(zhuǎn)數(shù)和纏繞數(shù)的總和與連環(huán)數(shù)相等，即Lk=Tw^Wr超螺旋的程度可以用超螺旋密度(superhelicaldensity)來衡量，用。表示，定義為0=△Lk/Lko其中△Lk表示與松弛閉合環(huán)狀分子(Lko)相比，Lk發(fā)生的變化，用Lk-Lko表示。從細(xì)胞中分離出來的DNA分子通常是負(fù)超螺旋，。約為一0.06。細(xì)胞內(nèi)DNA分子形成超螺旋的意義是什么？負(fù)超螺旋含有自有能，可以為打開雙螺旋提供能量，使雙鏈的解離過程得以順利進(jìn)行。因而，有利于轉(zhuǎn)錄和復(fù)制。目前僅在生活在極端高溫環(huán)境(如溫泉)中的嗜熱微生物中發(fā)現(xiàn)了正超螺旋DNA。在這種情況下，正超螺旋提供能量，阻止DNA在高溫中發(fā)生變性。正超螺旋是過旋的，因而嗜熱微生物DNA雙鏈打開就比一般生物呈負(fù)超螺旋的DNA需要更多的能量。二、拓?fù)洚悩?gòu)酶拓?fù)洚悩?gòu)酶(topoisomerase)可以催化DNA產(chǎn)生瞬時單鏈或雙鏈斷裂而改變連環(huán)數(shù)(linkingnumber)o拓?fù)洚悩?gòu)酶有兩種基本類型，拓?fù)洚悩?gòu)酶I和拓?fù)洚悩?gòu)酶II。拓?fù)洚悩?gòu)酶II在DNA上產(chǎn)生一個瞬時的雙鏈缺口，并在缺口閉合以前使另一雙鏈DNA片段得以穿過，連環(huán)數(shù)每次改變±2。拓?fù)洚悩?gòu)酶II依靠ATP水解提供能量來催化這一反應(yīng)。I型拓?fù)洚悩?gòu)酶的作用是使DNA暫時產(chǎn)生單鏈切口，讓另一未被切割的單鏈在切口接合之前穿過這一缺口，連環(huán)數(shù)每次改變±1。與拓?fù)洚悩?gòu)酶II相比，拓?fù)洚悩?gòu)酶I的作用不需要ATP。原核生物和真核生物細(xì)胞內(nèi)都存在可以除去超螺旋的拓?fù)洚悩?gòu)酶I和拓?fù)洚悩?gòu)酶II。另外，原核生物中還擁有一種特異的拓?fù)洚悩?gòu)酶II,通稱為促旋酶(gyrase),它可以利用ATP水解提供的能量向DNA分子引入負(fù)超螺旋。這種負(fù)超螺旋可以促進(jìn)DNA雙螺旋的解旋，而這種解旋又會激發(fā)包括啟動DNA轉(zhuǎn)錄和復(fù)制在內(nèi)的許多反應(yīng)。環(huán)狀DNA分子一輪DNA復(fù)制完成以后，通常會產(chǎn)生兩個連接在一起的DNA分子，以便使它們在細(xì)胞分裂時分配到兩個子細(xì)胞中去。拓?fù)洚悩?gòu)酶II催化兩個子代DNA分子的一個產(chǎn)生瞬時的雙鏈斷裂并使另一個子代分子通過這個切口。三、嵌入劑澳化乙啶是一種帶正電的多環(huán)芳香族化合物。平面狀的澳化乙啶能嵌入到堿基對平面之間。在紫外光下，澳化乙啶會發(fā)熒光，嵌入DNA后熒光強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。因此，澳化乙啶通常用來作為燃料檢測DNA的存在。第三節(jié)RNA結(jié)構(gòu)RNA和DNA有三點(diǎn)不同之處。第一，RNA骨架含有核糖而不是2’一脫氧核糖，在核糖的2’一位置上帶有一個羥基。第二，DNA中的胸腺喀啶被RNA中的尿喘啶取代，尿喀啶有著和胸腺喀啶相同的單環(huán)結(jié)構(gòu)，但是缺少5'甲基基團(tuán)。第三，RNA通常以單鏈形式存在。細(xì)胞內(nèi)的RNA行使多種生物學(xué)功能。mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的模板，tRNA運(yùn)載氨基酸并識別mRNA的密碼子，rRNA是核糖體的組成部分。此外，snRNA參與mRNA的剪接，snoRNA參與rRNA成熟加工，gRNA參與RNA編輯、SRP-RNA參與蛋白質(zhì)的分泌、端粒酶RNA參與染色體端粒的合成。還有一些RNA是細(xì)胞中催化一些重要反應(yīng)的酶。盡管RNA是單鏈分子，它依然可以形成局部雙螺旋，這是因?yàn)镽NA鏈頻繁發(fā)生自身折疊，從而使鏈內(nèi)的互補(bǔ)序列形成堿基配對區(qū)。除了A：U配對和C：G配對外，RNA還具有額外的非Watson-Crick堿基配對，如G：U堿基對，這一特征使RNA更易于形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。RNA分子自身折疊形成雙螺旋時，不配對的序列以發(fā)卡（hairpin）、凸起（bulge）、內(nèi)部環(huán)等形式游離于雙鏈區(qū)之外。RNA骨架上2'一OH的存在阻止RNA形成B-型螺旋。雙螺旋RNA更類似于A型DNA。它的小溝寬且淺而易于接近；而大溝狹且深，與它相互作用的蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈難以接近它。所以RNA不適合與蛋白質(zhì)進(jìn)行序列特異性的相互作用。RNA分子中的核甘酸排列順序稱為核酸的一級結(jié)構(gòu)。單鏈核甘酸自身折疊由單鏈區(qū)、莖環(huán)構(gòu)、內(nèi)部環(huán)、雙鏈結(jié)構(gòu)等元件組成的平面結(jié)構(gòu)，稱為RNA的二級結(jié)構(gòu)。RNA的二級結(jié)構(gòu)主要由核酸鏈不同區(qū)段堿基間的氫鍵維系。在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，核酸鏈再次折疊形成的高級結(jié)構(gòu)稱為RNA的三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)。由于沒有形成長的規(guī)則螺旋的限制，因此RNA可以形成大量的三級結(jié)構(gòu)