第三章 核酸的结构与功能

3.1 DNA的二级结构

不规则：具反向重复序列，形成十字架结构 A型螺旋 双链DNA的二级结构 右手螺旋

DNA二级结构 规则 B型螺旋：Watson crick模型 左手螺旋：Z型螺旋

单链DNA的二级结构：分子内（发夹结构）或分子间双螺旋区域

1. DNA的二级结构：是指两条多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。其基本特点是：是由两条反向平行的脱氧核苷酸链盘绕所形成的；DNA分子中的脱氧核糖与磷酸交替连接并排列在外侧，构成基本骨架，碱基排列在内侧；两条链上的碱基之间通过氢键结合形成碱基对，它们之间的规律是嘌呤与嘌呤配对，嘧啶与嘧啶配对。

2. 反向重复序列：又称回文序列，指在双链DNA序列中按确定的方向阅读双链中的每一

条链的序列都是相同的（例如：对互补的两条链都从5’到3’的方向进行阅读，得到的序列顺序完全相同，若此时，两条链分开，每条链上的互补序列都有机会进行碱基的配对而形成一个发夹结构，但是两个相对的发夹结构互补形成了一个十字架结构）。 3. DNA二级结构的其他形式：右手螺旋：DNA的水溶液通常为B-DNA，另外 A-T丰富

的DNA片段常呈现B-DNA；DNA的双链中一条被相应RNA链所替换，就会形成A-DNA，如，在杂交分子或DNA处于转录状态时。左手螺旋：B型 DNA中的多聚G-C区易形成左手螺旋DNA，即Z型DNA 。

4. Watson & Crick 模型：B型右手双螺旋；碱基配对为A与T，G与C；螺旋参数，碱基

堆积距离0.34nm，夹角36?，旋转一周3.4nm，含有10nt，平均直径2nm，大沟宽2.2nm，小沟宽1.2nm；维持稳定性，氢键，碱基堆积力，正负电荷的作用，其它作用因素。 5. 发夹结构：单链核酸分子中，一段碱基序列附近紧跟着一段它的互补序列时，核酸链有

可能自身回折配对产生一个反平行的双螺旋结构，因该结构类似发夹，称作发夹结构。 6. 三种主要DNA螺旋类型的形态特征及螺旋参数的比较 特征 螺旋方向 每圈碱基数 构象 A 右 11 B 右 10 Z 左 12 特征 大沟 小沟 构象 A 深、窄 浅、宽 B 宽 窄 Z 平坦 窄、深 3.2 DNA分子的高级结构 1. 三股螺旋DNA

1) 分类

分子内的DNA三螺旋结构

分类 一般

分子间的DNA三螺旋结构

特例：平行的DNA三螺旋结构

分子内的DNA三螺旋结构：由一条自身回折的寡嘧啶核苷酸与寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合了第三股寡核苷酸。

分子间的DNA三螺旋机构：由两条分子进行嵌合组成的三螺旋结构。特例，三螺旋结构中第三条序列与DNA第一条链的序列相同，方向也相同，这种结构与基因的重组有关，故称为R-DNA，即平行的DNA三螺旋结构

2) 连接键：Watson bonding，A＝T，G≡C；Hoogsteen bonding，G＝C+，A＝A，A

＝T，G＝G，（注：Hoogsteen bonding中位于右侧的碱基为第三条链上的碱基）。 3) 三股螺旋DNA形成的条件及结构特点：第三条单链DNA分子位于B-DNA大沟内；

与B-DNA以Hoogsteen键连接；在 Py · Pu * Py 结构中，要求A＝T与G＝C配对，同时C要质子化，有镜像序列；在 Py · Pu * Pu结构中，有多种配对方式，不一定需要序列的镜向结构；无论何种形式的三螺旋 DNA，第二股中间链必须是嘌呤链，第三股链至少长于8dNt；真核生物基因组内, 约1%左右的序列为大于100bp的homologous cluster (重复序列与调控序列)，T. S. DNA多存在于其中。 4) 三股螺旋可能的功能：可阻止调节蛋白与 DNA结合，关闭基因转录过程；与基因

重组交换有关；加入第三条S. S. DNA 作为分子剪刀，定点切割DNA分子；加入反义的第三条链终止基因的表达。

2. 四股螺旋DNA——结构单元为鸟嘌呤四联体

? 存在部位：端粒、免疫球蛋白、H-RNA、x染色体脆性区、核小体DNA

? 可能的功能：稳定真核生物染色体结构；保证DNA末端准确复制；DNA分子组

装；染色体减数与有丝、减数分裂有关。

3. DNA超螺旋结构的拓扑学性质

天然DNA（B-DNA）一般都是以负超螺旋形式存在的；拓扑异构酶可以催化拓扑异构体之间相互转换：

TOP II????紧缩的B型DNA（负超螺旋状态）松弛的B型DNA??? ?TOP I注：TOPI表示DNA拓扑异构酶I；TOPII表示DNA拓扑异构酶II。

离心场，超螺旋DNA移动速度最快；电泳场中，超螺旋DNA最快，其次线性DNA，

最后为开环DNA。

3.3 真核生物染色体及其组装

1. 组蛋白

1) 种类：H1、H2A、H2B、H3和H4；其中H1起到封口作用，后四者构成核小体核心

蛋白；H1在鸟类、鱼类、两栖类中变异很大，在这些生物体内时，又被称作H5；H4最为保守。

2) 特性：进化上极端保守，H3、H4高度保守，H2A、H2B变化较大；无组织特异性，

鸟、鱼不含H1，含有H5；肽链上氨基酸分布的不对称性；组蛋白的化学修饰；在构成核小体时起连接作用，并赋予染色质以极性。

2. 核小体的结构特点

由200个左右碱基对的DNA和四种组蛋白结合而成；其中四种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2分子组成八聚体的小圆盘，是核小体的核心结构；146个碱基对的DNA绕在小圆盘外面1.75圈。每一分子的H1与DNA结合, 起稳定核小体结构的作用；两相邻核小体之间以连接DNA（linker DNA）相连, 长度为0～80bp不等。

3.4 RNA的结构与功能（成熟的RNA主要分布在细胞质中）

1. RNA的功能（了解）

作为细胞内蛋白质生物合成的主要参与者，参与在蛋白质合成中核蛋白复合物的结构组成和功能发挥；具有生物催化剂的功能，作用于初始转录产物的剪接加工；与生物体的生长发育密切相关参与基因表达的调控；与生物体进化有很大关系 2. RNA与DNA的区别（了解）

碱基组成不同；RNA分子中有许多稀有碱基；RNA分子中的戊糖是D-核糖，而DNA不是；RNA分子是多聚核苷酸单链；RNA分子中的碱基不严格遵守Chargaff法则；RNA分子在碱性溶液中敏感，易水解；RNA分子内只有部分双链区域；RNA分子是遗传信息的传递体；某些RNA病毒，是以RNA分子作为遗传信息的载体；核酶RNA分子具有催化功能。

3. RNA的分类及各类的功能

1) mRNA，真核细胞中是单顺反子，原核细胞中是多顺反子。功能：在蛋白质合成中，

起着关键作用。 2) tRNA，有着三叶草型的二级结构，含有稀有碱基最多的一种RNA，3’端有一个CCA

序列，是接受氨基酰化的部位。功能：蛋白质合成中，特异性的运载氨基酸，氨基酰-tRNA是氨基酸的活化形式；tRNA在逆转录过程中，还可充当引物。 23S

50S

3) rRNA：细胞中含量最多、结构最复杂的RNA，5S

细菌 占总量的80%以上；核糖体由RNA和蛋白质组

30S：16S

成，真核细胞中两者的比例是1：1，原核细胞中28S 为2：1；RNA的结构见右图，其中5SrRNA的一60S 5.8S 级结构序列比其他各类rRNA保守性都要高，故5S 哺乳动物 可用于进化学的研究。功能：与多种蛋白分子结

40S：18S

合形成核糖体，在蛋白质的合成过程中，起着重要的作用。

4) snRNA：真核细胞内特有的一种RNA，主要存在于细胞核中，在基因转录初始产

物的加工过程中起重要作用；snRNA多富含U，故又称作U族snRNA。功能：它们多与各种蛋白构成核蛋白体（snRNP）复合物发挥作用。

5) snoRNA：又称作核仁小分子RNA，广泛分布于真核细胞的核仁区；哺乳动物

snoRNA以U命名，按顺序编号；酵母的以snR命名。snoRNA的重要功能：是作为rRNA前体加工复合体的重要成分，参与rRNA前体的加工。

6) 非编码mRNA：一类不编码蛋白质的mRNA，但是参与许多生理过程的调节，又

被称作“调控RNA”。

3.5 核酸的变性、复性与分子杂交

一、核酸变性

1. 引起DNA变性的主要因素：

加温；极端的pH值（pH=12，碱基的酮式→烯醇式；pH=2-3，碱基上的氨基发生质子化，主要影响氢键的形成）；有机溶剂、尿素、酰胺等，它们与DNA分子的碱基形成氢键，使DNA保持单链状态。

2. DNA变性过程有以下变化：S.S. DNA-溶液的粘度降低；S.S.DNA 沉降速度加快；S.S.DNA分子的A260值上升。

3. 影响Tm大小的因素：DNA的均一性；G-C碱基对的含量；介质中的离子强度。

4. 增色效应及增色效应的跳跃现象：DNA在260nm处有最大吸收值的特征是含有碱基组成的缘故，在DNA双螺旋结构模型中碱基藏于内侧，变性时双螺旋解开而使碱基外露，260nm紫外吸收值因而增加，这一现象称为增色效应；高分子量的DNA分子在热变性过程中，富含AT区域首先发生变性，然后逐步扩展，表现增色效应的跳跃现象，使变形过程加快。

二、核酸复性

1. DNA复性的两个必要条件

一定的离子强度，用以削弱两条链中磷酸基团之间的排斥力；较高的温度，用以避免随机形成的无规则氢键，但温度亦不能太高。 2. X、K2、C0t1/2之间的关系

C0t1/2 = 1/K2∝X；左式中，可以看出，K2（反应速度常数）与C0t1/2成反比，K2也与X（DNA分子序列复杂度）成反比。