编码氨基酸的是碱基还是核苷酸

核酸的结构与功能_生物化学

第二节　核酸的结构与功能

核酸是生物体内重要的生物大分子化合物，参与遗传信息的储存、转录和表达。这些生物学功能都与其复杂的化学结构密切相关。

核酸是核苷酸的多聚化合物。一个核苷酸C3′上的羟基与另一个核苷酸C5′上的磷酸缩合脱水形成3′，5′－磷酸二酯键，多个核苷酸经3′，5′－磷酸二酯键构成一条没有分支的线性大分子，称为多聚核苷酸链，3′，5′－磷酸二酯键是核酸的主键。

由核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸通过3′，5′－磷酸二酯键相连组成的多聚核苷酸链是所有RNA或DNA的共同结构。这一连接方式决定了多聚核苷酸链具有方向性，每条多聚核苷酸链上具有两个不同末端，戊糖5′磷酸基指向的一端称为5′末端，戊糖3′羟基指向的一端称为3′末端。习惯上将5′端写在左边，将3′端写在右边，即按5′→3′书写。

5′……ACTACGGUA……3′

一、DNA的结构

（一）DNA的一级结构

多数DNA分子是由两条多聚脱氧核苷酸链构成的双链分子，两条链中脱氧核苷酸可按一定的顺序通过磷酸二酯键相连而成，从而形成了每一种DNA分子特定的核苷酸序列。DNA分子的核苷酸排列顺序，称为DNA的一级结构。

DNA分子的序列特征代表其一级结构特征，同时记录有相应的遗传信息。分析DNA分子的一级结构对阐明DNA结构与功能的关系具有重要的意义。

（二）DNA的二级结构

1953年，Watson和Crick根据DNA的X线衍射分析数据和碱基分析数据，提出了DNA的双螺旋结构模型（图3－2），确定了DNA的二级结构形式，大大推动了生物学的发展。

图3－2　DNA的双螺旋结构的三种结构模型

知识链接

DNA分子双螺旋结构模型的诞生

20世纪50年代初，英国科学家威尔金斯（Wilkins）等用X线衍射技术对DNA结构研究了3年，意识到DNA是一种螺旋结构；另一方面，女物理学家富兰克林拍到一张十分清晰的DNA的X线衍射照片。1952年5月，威尔金斯向克里克（Crick）介绍了这张照片。当时克里克正与美国青年生物学家沃森（Watson）在卡文迪许实验室研究DNA结构。美国的查尔加夫（Chargaff）在脱氧核糖核酸的研究中，发现A（%）＝T（%）、G（%）＝C（%）的事实，克里克立即意识到，嘌呤碱和嘧啶碱的数目相等意味着只有一种可能，那就是他们之间互相以配对的形式存在，于是他提出了DNA中嘌呤碱与嘧啶碱的碱基配对的假设。1953年4月25日，克里克与沃森在《自然》杂志上发表了一篇短文，宣告DNA分子双螺旋结构模型的诞生。1962年，沃森、克里克和威尔金斯三人同时获得了诺贝尔生理和医学奖。

DNA双螺旋结构模型的要点如下。

（1）两条平行的多聚核苷酸链，以相反的方向（即一条由5′→3′，另一条由3′→5′）围绕着同一个（想象的）中心轴，以右手旋转方式构成双螺旋结构。

（2）疏水的嘌呤碱基和嘧啶碱基平面层叠于螺旋的内侧，亲水的磷酸基和脱氧核糖以磷酸二酯键相连形成的骨架位于螺旋的外侧。

（3）内侧碱基呈平面状，碱基平面与中心轴垂直，脱氧核糖的平面与碱基平面几乎成直角。每个平面上有两个碱基（每条链各一个）形成碱基对。相邻碱基平面在螺旋轴之间的距离为0．34nm（1nm＝10）。旋转夹角为36°，每10．5对核苷酸绕中心轴旋转一圈，故螺旋的螺距为3．4nm。

（4）双螺旋的直径为2nm。沿螺旋的中心轴形成的大沟（major groove）和小沟（minor groove）交替出现。DNA双螺旋之间形成的沟称为大沟，而两条DNA链之间形成的沟称为小沟。

（5）两条链被碱基对之间形成的氢键稳定地维系在一起。在双螺旋中，碱基总是腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，用A＝T表示；鸟嘌呤与胞嘧啶配对，用G≡C表示（图3－3）。这种碱基配对也称为碱基互补。因此，严格按照碱基互补的原则，当一条多核苷酸链的碱基顺序确定以后，即可推知另一条互补链的碱基顺序。碱基互补原则是DNA双螺旋结构最重要的特性，其重要的生物学意义在于，它是DNA的复制、转录以及反转录的分子基础。

图3－3　碱基通过氢键互补配对

（三）DNA的高级结构

在细胞内，DNA分子在双螺旋结构基础上进一步扭曲螺旋，形成DNA的三级结构。

细菌质粒、某些病毒及线粒体的环状DNA分子，多扭曲成所谓“麻花”状的超螺旋结构，即DNA的三级结构（图3－4）。

在真核细胞中，线状的双螺旋DNA分子先围绕组蛋白核心盘绕形成核小体结构，核小体中的DNA呈现超螺旋状态，许多核小体由DNA相连构成串珠状结构，串珠状结构进一步盘绕压缩成染色质结构。染色质是DNA的载体，其结构和状态的改变会引起DNA功能、活性状态和稳定性的改变。

图3－4　环状DNA的三级结构示意图

二、RNA的结构与功能

RNA依不同的功能和性质，主要分为三类：信使RNA（messenger RNA，mRNA）、核糖体RNA（ribosome RNA，rRNA）和转移RNA（transfer RNA，tRNA）。它们都参与蛋白质的生物合成。

1．tRNA

tRNA约占RNA总量的15%，通常以游离的状态存在于细胞质中。tRNA由75～90个核苷酸组成，相对分子量在25000左右，在三类RNA中它的相对分子量最小。它的功能主要是携带活化了的氨基酸，并将其转运到与核糖体结合的mRNA上用以合成蛋白质。细胞内tRNA种类很多，每一种氨基酸都有特异转运它的一种或几种tRNA。

2．rRNA

rRNA是细胞中含量最多的一类RNA，占细胞中RNA总量的80%左右，是细胞中核糖体的组成部分。核糖体（ribosome）或称核蛋白体，是一种亚细胞结构，由直径为10～20nm的微小颗粒构成。rRNA约占核糖体的60%，其余40%为蛋白质。核糖体是蛋白质合成的场所。无论细菌，还是真核细胞的核糖体都是由大小不等的两个亚基组成，如大肠杆菌的核糖体中两个亚基所含的rRNA分别为23SrRNA和16S rRNA。

3．mRNA

mRNA占细胞中RNA总量的3%～5%，相对分子量极不均一，一般为0．5×10⁶～2．0×10⁶。mRNA是合成蛋白质的模板，传递着DNA的遗传信息，决定着每一种蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序，所以细胞内mRNA的种类很多。mRNA是三类RNA中最不稳定的，它代谢活跃、更新迅速，原核生物（如大肠杆菌）mRNA的半衰期只有几分钟，真核细胞中的mRNA寿命较长，可达几小时以上。

（一）转运核糖核酸（tRNA）的分子结构与功能

（1）tRNA的有些区段经过自身回折形成双螺旋区，具有相似的二级结构：三叶草形结构（图3－5）。其中的双螺旋区称为臂，不能配对的部分称为环，大多数tRNA由4个臂和4个环组成。

①氨基酸臂：含有5～7个碱基对，3′－末端均为－CCA—OH结构，其中腺苷酸的C3′—OH为结合氨基酸的位点。

图3－5　tRNA的二级结构

②反密码子环：与氨基酸臂相对的环，由7个核苷酸组成，环中部由3个核苷酸组成反密码子。在与蛋白质生物合成时，tRNA通过反密码子环辨认识别mRNA上相应的密码子，使其携带的氨基酸“对号入座”，参与蛋白质的装配。

二级结构进一步折叠形成三级结构。所有tRNA的三级结构均呈倒“L”形，其反密码子环和氨基酸臂分别位于倒“L”的两端（图3－6）。

图3－6　tRNA的三级结构

（2）tRNA是携带转运氨基酸的工具，一般由74～95个核苷酸构成。一种氨基酸可有一种或一种以上的tRNA转运，但是每一种tRNA只能运载一种氨基酸。不同氨基酸的tRNA的简写符号是在tRNA的右上角标注3个字母的氨基酸英文简称，如tRNAMet、tRNATyr分别是转运甲硫氨酸和酪氨酸的tRNA。

（二）核糖体核糖核酸（rRNA）的分子结构与功能

原核生物有三种rRNA，分别为5S、16S、23S的rRNA。真核生物有四种rRNA，分别为5S、5．8S、18S、28S的rRNA。不同rRNA的碱基比例和碱基序列各不同，分子结构基本上都是由部分双螺旋和部分单链突环相间排列而成。图3－7显示的是大肠埃希菌5SrRNA的结构。细胞中的rRNA含量丰富，与蛋白质一起构成核糖体（又称核蛋白体），核糖体是蛋白质合成的场所。

图3－7　大肠埃希菌5SrRNA的结构示意图

（三）信使核糖核酸（mRNA）的分子结构与功能

（1）mRNA是活化基因转录形成的产物，是蛋白质合成的模板。真核细胞成熟的mRNA的结构有如下特征（图3－8）。

图3－8　真核细胞mRNA结构示意图

①3′－末端有80～250个腺苷酸残基连接成的多聚腺苷酸［poly（A）］的结构，称为poly（A）尾结构。

②5′－末端有一个特殊的5′－帽结构：m⁷Gppp。

研究认为，mRNA的帽和尾的结构与mRNA从细胞核到细胞质的转移及mRNA的稳定性和调控翻译的起始有关。

（2）一个完整的mRNA包括5′非翻译区、编码区和3′非翻译区。mRNA的编码区从5′端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，以决定肽链上的一个氨基酸，称为三联体密码或密码子。AUG是起始密码子，由AUG及其后面连续的三联体密码组成的核苷酸序列称为开放阅读框（open reading frame，ORF），ORF是多肽链的编码序列，ORF终止于终止密码子（如UAG）。

（3）在细胞内，mRNA含量很低，但种类非常多。不同组织细胞及细胞在发育的不同时期活化基因的种类不一样，转录形成的mRNA种类也就不一样。