生化答案(8)

第十三章 核酸的结构

提要

核酸分两大类：DNA和RNA。所有生物细胞都含有这两类核酸。但病毒则不同，DNA病毒只含DNA；RNA病毒只含RNA。核酸的研究是生物化学与分子生物学研究的重要领域。

核酸是一种多聚核苷酸，其基本结构单位是核苷酸。DNA主要由四种脱氧核糖核苷酸组成。RNA主要由四种核糖核苷酸组成。核苷酸又由含氮碱基、戊糖（核糖或脱氧核糖）及磷酸组成。核酸中还有少量稀有碱基。

核酸的共价结构也就是核酸的一级结构，通常是指具核苷酸序列。利用磷酸二酯酶从RNA分子的两端逐个水解下核苷酸，得到3ˊ核苷酸和5ˊ核苷酸，证明RNA分子中核苷酸之间的连键为3ˊ，5ˊ-磷酸二酯键。DNA无2ˊOH基，它的核苷酸连键只能是3ˊ→5ˊ走向。原核生物基因序列是连续的，常组成操纵子，很少重复序列。真核生物基因序列是断裂的，不组成操纵子，含有较高比例的重复序列。RNA有各种类型，常含有修饰核苷，tRNA含有较多修饰碱基，rRNA含有较多甲基化的核糖，两者均含有假尿嘧啶核苷。真核生物mRNA 5ˊ端有甲基化鸟嘌呤核苷酸形成的帽子；3ˊ端有poly（A）尾巴。

DNA的空间结构模型是在1953年由Watson核Crick两人提出的。建立DNA空间结构模型的根据有三方面。一是一直核酸的化学结构。二是DNA碱基组成的分析资料，Chargaff首先发现A-T，G-C之间相等的规律。三是DNA纤维的X射线衍射分析资料，提示了双螺旋结构的可能性。按照Watson-Crick的模型，DNA是由两条反平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，碱基位于结构之内侧，磷酸与糖基在外侧，通过磷酸二酯键相连，形成双螺旋分子的骨架。碱基平面与轴垂直，糖环平面则与轴平行。两条链皆为右手螺旋。双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm，两核苷酸之间的夹角是36°，每一螺旋由10对碱基组成。碱基按A-T，G-C配对互补，彼此以 氢键相连系。维持DNA结构稳定的力量主要是氢键和碱基堆积力。双螺旋结构表面有两条螺形凹沟，一大一小。 Watson-Crick所阐明的是B型DNA。此外还有A型DNA及左旋DNA（Z-DNA）。它们在结构上有明显不同。应用核酸晶体的X射线衍射分析技术研究发现，Watson-Crick模型需要作某些补充才能反映DNA结构的真实情况。

DNA的二级结构主要是形成双螺旋。但在某些情况下也能形成三股螺旋。Hoogsteen最早发现寡聚嘌呤核苷酸-寡聚嘧啶核苷酸双螺旋的大沟可以结合第三条寡聚嘌呤或嘧啶核苷酸，形成Hoogsteen配对。H-DNA是通过分子内折叠形成的三股螺旋，它存在于基因调控区，因而有重要生物学意义。 细胞内很多DNA是双链环状分子（cccDNA），一条链断裂可以形成开环分子（oc DNA），两条链断裂就成为线型分子（linear DNA）。DNA分子的两端如是固定的，或是环状分子，增加或减少螺旋圈数，可引起超螺旋。拓扑学的公式L=T+W 可用以说明连环数（L）、扭转数（T）和缠绕数（W）之间的关系。比连环差（λ）=（L1-L0）/ L0表示超螺旋的强度。DNA超螺旋是DNA三级结构的一种形式。

DNA与蛋白质复合物的结构是其四级结构。病毒、细菌拟核核真核生物的染色体都存在DNA的组装核一定程度的压缩。核小体是真核生物染色质基本结构单位，它由8个组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）2核心核外绕1.8圈的DNA所组成。由核小体链形成纤丝，进而折叠、螺旋化，组装成不同层次结构的染色质核染色体。 不同类型RNA分子可自身回折形成局部双螺旋，并折叠产生三级结构，RNA与蛋白质复合物则是四级结构。TRNA的二级结构呈三叶草形，三级结构为倒L形。RRNA组装成核糖体，其结构已获得解析。已知有8种类型的核酶，它们的催化功能与空间结构有密切关系。信号识别颗粒中的4.5S RNA具有催化SRP的Ffh蛋白与SRP受体FtsY可逆结合的功能。 习题

1.比较DNA和RNA在化学结构上、大分子结构上和生物学功能上的特点。

答：DNA的一级结构中组成成分为脱氧核糖核苷酸，核苷酸残基的数目由几千至几千万个；而RNA的组成成分是核糖核苷酸，核苷酸数目仅有几十到几千个。另外在DNA分子中A=T，G=C,而在RNA分子中A≠U，G≠C。

二者的相同点在于：它们都是以单核苷酸作为基本组成单位，核苷酸残基之间都是由3，5-磷酸二酯键连接的。

二级结构：DNA是双链分子，2条链之间通过氢键和碱基完全配对（A-T，G-C）形成双螺旋的二级结构，一般是右手螺旋，也有左手螺旋。RNA是单链分子，分子

内部的不同部位（有的近距离，也有远距离）能够通过碱基发生配对（A-U，G-C和G-U），形成既有单链，又有双链的RNA二级结构，RNA二级结构元件有：烃环（发夹）结构、内部环结构、分支环结构和中心环结构等。

2.从已经揭示的人类基因组结构有何特点？

3.原核生物与真核生物mRNA有何特点？

答：原核生物以操纵子为转录单位，产生顺反子mRNA，即一条mRNA链上有多个编码区，5ˊ端和3ˊ端各有一段非翻译区（UTR）。原核生物mRNA，包括噬菌体RNA，都无修饰碱基。

真核生物的mRNA都是单顺反子，5ˊ端有帽子（cap）结构，然后依次是5ˊ非编码区、编码区、3ˊ非编码区、3ˊ端为聚腺苷酸（poly(A)）尾巴，其分子内有时还有极少甲基化的碱基。

4.DNA双螺旋结构类型有那些基本要点？这些特点能解释哪些基本的生命现象？ 答：DNA双螺旋结构模型的基本要点有：

（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。

（2）嘌呤与嘧啶位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过3’,5’-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架，碱基平面与纵轴垂直，糖环平面则与纵轴平行。多核苷酸链的方向取决于核苷酸间磷酸二酯键的走向，习惯上以C3’-C5’为正向。两条链配对偏向一侧，形成一条大购和一条小沟。 （3）双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱基对之间的高度，即碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36°，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转的高度（即螺距）为3.4nm。

（4）两条核苷酸依靠彼此碱基之间形成的氢键相联系而结合在一起。

（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则，当一条多核苷酸链的序列彼此确定后，即可决定另一互补的序列。

解释生命活动：双螺旋DNA是储存遗传信息的分子，通过半保留复制，储存遗传信息，通过转录和翻译表达出生命活动所需信息（蛋白质和酶）。

5．应用DNA晶体X射线衍射技术分析DNA对Watson-Crik模型有何修正？比较A-DNA、B-DNA、Z-DNA的主要特点。 答：（1）Watson-Crick模型认为每一螺周含有10个碱基对，所以两个核苷酸之间夹角是36°。但在Dickerson的十二聚体中，两个碱基间的夹角可由28°至42°不等，实际平均每一螺周含10.4个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变动。 （2）Dikerson所研究的十二聚体结构中，组成碱基对的两个碱基分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶片的样子，故称螺旋桨状扭曲，这种结构可提高碱基堆积力，使DNA结构更稳定。 A-DNA、B-DNA、Z-DNA的主要特点：

A型 B型 Z型

外形 粗短 适中 细长 螺旋方向 右手 右手 左手

螺旋直径 2.55nm 2.37 1.84nm 碱基轴升 0.23nm 0.34 0.38nm 碱基夹角 32.7° 34.6° 60°(1) 每圈碱基数 11 10.4 12 螺距 2.53nm 3.54nm 4.56

轴心与碱基对 不穿过碱基对 穿过碱基对 不穿过碱基对 碱基倾角 19° 1° 9°

糖环折叠 C3’内式 C2’内式 嘧啶C2’内式，嘌呤C3’内式 糖苷键构象 反式 反式 嘧啶反式，嘌呤顺式 大沟 很狭、很深 很宽、较深 平坦 小沟 很宽、浅 狭、深 较狭、很深

(1)注：Z-DNA的嘌呤河嘧啶核苷酸交替出现顺反式，故以二个核苷酸为单位，转角为60°

6.如果人体有1014个细胞，每以细胞DNA含量为6.4×109bp，试计算一下人体DNA的总长度为多少米？它相当于地球到太阳的距离（2.2×109 km）之几倍？[2.2×1014km，100倍] 解：6.4×109bp×0.34nm×1014个=2.2×1014m=2.2×1011km 2.2×1014÷2.2×109km=100倍。

7.何谓H-DNA？它有何生物学意义？

答：当DNA的一段多聚嘧啶核苷酸或多聚嘧啶核苷酸组成镜像重复时，可折回产生H-DNA。由于这种结构形成分子内三螺旋时

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