第三章  核酸的结构与功能

    核酸（nucleic acid）是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。天然存在的核酸有两类，一类为脱氧核糖核酸（ deoxyribonucleic acid，DNA），另一类为核糖核酸（ ribonucleic acid，RNA）。DNA存在于细胞核和线粒体内，携带遗传信息，决定细胞和个体的基因型(genotype)。RNA存在于细胞质和细胞核内，参与细胞内DNA遗传信息的表达。病毒中，RNA也可作为遗传信息的载体。

    早在 1868年，瑞士外科医生 Fridrich Miescher就从脓细胞核中分离到了核酸样物质，但是对其功能一直未能认识。1944年，Oswald Avery 用致病肺炎球菌中提取的 DNA使另一种非致病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变而成为致病菌，才证实了DNA是遗传的物质基础。核酸和蛋白质一样，都是生命活动中的生物信息大分子，具有复杂的结构和重要的功能。

                第一节核酸的化学组成

    核酸在核酸酶的作用下水解为核苷酸，核苷酸完全水解可释放出等摩尔量的含氮碱基。戊糖和磷酸。因此，核酸的基本组成单位是核苷酸（nucleotide），而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。

                      一、核苷酸中的碱基成分

    构成核苷酸的碱基（base）主要有五种（图3—1），分属于嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）两类含氮杂环化合物。嘌呤类化合物包括腺瞟吟（adenine，A）和鸟瞟吟（guanine，G）两种，它们既存在于DNA也存在于RNA分子中。嘧啶类化合物有三种，DNA和RNA分子中均含有胞嘧啶（cytosine，C），胸腺嘧啶（thymine，T）仅出现于DNA分子中，而尿嘧啶（Uracil，U）仅出现于RNA分子中。

    构成核酸的五种碱基成分中的酮基或氨基均位于杂环上氮原子的邻位，受介质pH的影响，可形成酮式或烯醇式两种互变异构体和氨基或亚氨基的互变异构体（图3－2）。

    嘌呤和嘧啶环中均含有共轭双键，因此对波长260nm左右的紫外光有较强吸收（图3—3）。这一重要的理化性质被用于对核酸、核苷酸、核苷及碱基进行定性定量分析。

                          二、戊糖与核苷

戊糖是核苷酸的另一重要成分。构成DNA分子的核苷酸的戊糖是β—D－2一脱氧核糖，构成RNA分子的核苷酸的戊糖为β—D一核糖。为区别于碱基中的碳原子编号，核糖或脱氧核糖中的碳原子标以  C－l’，C－2’（图 3—4）等。

碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键（glycosidic bond）缩合形成核苷或脱氧核苷，连接位置是C－1’。DNA和RNA中的核苷组成见表3－l，表中核苷和核苷酸名称均采用缩写，如腺苷代表腺膘吟核苷、鸟苷代表鸟嘌呤核苷等。

三、核苷酸的结构与命名

    核苷（脱氧核苷）与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸（脱氧核苷酸）。尽管核糖环上所有的游离羟基（核糖的C—2’、C—3’、C—5’及脱氧核糖的C—3’、C—5’）均能与磷酸发生酯化反应。生物体内多数核苷酸却都是5’核苷酸，即磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C—5’上。含有一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（ nucleoside  monophosphate， NMP），含有两个磷酸基团的核苷酸称为核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，NDP），含有三个磷酸基团的核苷酸称为核苷三磷酸（nucleotide triphosphate，NTP），再加上碱基名称就构成了各种核苷酸的命名。图3－5是几个代表性核苷酸的结构示意图，其他的核苷酸或脱氧核苷酸均可以此类推。

    核苷酸在体内除构成核酸外，还参加各种物质代谢的调控和多种蛋白质功能的调节。例如 ATP和 UTP在能量代谢中均为重要的底物或中间产物，环腺苷酸（cyclic AMP，cAMP）和环鸟苷酸（cGMP）则在细胞信号转导过程具有重要调控作用。

                  第二节核酸的一级结构

DNA和RNA的一级结构是指其中核苷着酸的排列顺序，称为核苷酸序列。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，因此也称为碱基序列。四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序以磷酸二酯键（ phosphodiester linkage）相连形成的多聚脱氧核青酸链（polydeoxynuckeotide）称为DNA。这些脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，由前一核苷酸的3’－OH与下一位核苷酸的5’位磷酸间形成3’，5’磷酸二酯键，从而构成一个没有分支的线性大分子。它们的两个末端分别称为5’末端（游离磷酸基）和3’末端（游离羟基）。DNA单链的结构及表示方式从繁到简如图3－6所示。需要强调的是按照规则，DNA的书写应从5’到3’。

RNA是另一类重要的核酸分子，它与DNA的差别是：①组成它的核苷酸的戊糖成分不是脱氧核糖而是核糖；②RNA中的嘧啶成分为胞嘧啶和尿嘧啶而不含有胸腺嘧啶，所以构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP，其中U代替了DNA中的T。

    核酸分子中的核糖（脱氧核糖）和磷酸共同构成其骨架结构，但是不参与信息的贮存和表达。DNA和RNA对遗传信息的携带和传递是依靠核苷酸中的碱基排列顺序变化而实现的。自然界基因的长度在几十至几万个碱基之间，由于碱基排列方式不同而提供的DNA的编码能力几乎是无限的。

              第三节DNA的空间结构与功能

  1953年，核酸研究取得了历史性突破。 James Watson和Francis Crick两人提出了著名的DNA双螺旋（double helix）结构模型。这一模型的提出可以认为是生物学发展的里程碑，是现代分子生物学的开始。这一结构模型揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子奥秘。