第二节 核酸的结构和复制
核酸存在于一切活细胞或病毒中，核酸可分为DNA和RNA 2类。
一、核酸的分子组成
核酸（nucleic acid，NA）是一种高分子的化合物，组成核酸的基本单位是核苷酸（nucleotide，Nt），每个核苷酸包括3部分：五碳糖、磷酸和环状的含氮碱基；这种碱基包括双环结构的嘌呤（purine）和单环结构的嘧啶（pyrimidine）。两个核苷酸之间由3′和5′位的磷酸二酯键相连。核酸也可称为多聚核苷酸（polynucleotide）。核酸水解产生核苷酸，核苷酸水解产生核苷（nucleoside）和磷酸，核苷进一步水解成五碳糖和含氮碱基。核酸的分子组成如图3-4、5所示。
腺嘌呤和脱氧核糖结合成脱氧腺苷，核苷再与磷酸结合形成核苷酸，称为脱氧核苷-5′-磷酸或脱氧腺苷酸，简称腺苷酸。其他核苷酸的名称或来源都可依此类推。
4种碱基（A、G、C、T） 脱氧核糖 → 脱氧核苷 磷酸 → 4种脱氧核苷酸
→ n个脱氧核苷酸聚合→ 单链DNA → 互补成双链DNA
4种碱基（A、G、C、U） 核糖 → 核苷 磷酸 → 4种核苷酸 → n个核糖核苷酸聚合→RNA
图 3-4 核酸的分子组成
二、DNA的分子结构
DNA分子结构是J.D.Watson和F.H.C.Crick（1953）首先阐明的。他们是依据一些前人所得出的证据而提出的DNA双螺旋结构
1．提出DNA双螺旋证据
（1）DNA是一条许多脱氧核苷酸构成的长链：在Watson 和Crick 之前已经证实DNA的一级结构是由许多脱氧核苷酸构成的长链，自然界的DNA并不以单链存在，而是以2条或2条以上的链通过某种方式结合的形式存在。DNA分子是细长的，而且有一定的坚硬度，因此与水形成十分粘稠的溶液。
（2）Chargaff（1949~1951）研究不同生物的DNA得到以下实验结果：① 嘧啶核苷酸的总数（T C量）总是等于嘌呤核苷酸的总数（A G量）；② A量总是等于T量，G量总是等于C量，但A T的量不一定等于G C的量。
（3）根据R.Franklin等关于DNA晶体的X射线衍射分析表明，DNA是由许多亚单位叠合在一起构成的，每一层的间距是0.34nm，还表明DNA是一个长链高分子，在整个线状分子的长度上，分子的直径是衡定的。
2．DNA双螺旋的分子结构
根据以上试验证据，Watson和Crick提出了DNA双螺旋模型，这个模型的结构要点如下（图3-6）：
（1）DNA分子是两条成对的多核苷酸链，以双螺旋的方式按一定空间距离相互平行盘绕：其中每条多核苷酸链都是DNA双链分子的半分子。每条单链都由相互交替连接的脱氧核糖和磷酸根所构成，而碱基则是跟戊糖-磷酸链相垂直。一条链上的碱基与另一条链上的碱基以氢键相结合，因此，两条半分子长链从头至尾通过碱基对的氢键联系在一起。
（2）两条半分子多核苷酸链方向相反：从图3-6看出单链DNA的戊糖-磷酸骨架在脱氧核糖和磷酸根之间是通过3′-5′磷酸二酯键连接起来，前一个脱氧核糖3′ 位碳原子与后一个糖分子5′ 碳原子上的磷酸根相连，因此它们是不对称、有极性的。如果每一单链的起始端是5′ 位碳原子，那么末端必定是3′位碳原子。如果把一条单链称为5′→3′，另一条单链则为3′→5′。
（3）两条链的碱基以严格的互补关系配对：即腺嘌呤（A）一定与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）一定与胞嘧啶（C）配对，这称为碱基互补原则或Chargaff法则。在DNA分子中，A与T是以2个氢键相连，G与C是以3个氢键相连（图3-7）。所以，在含G-C碱基对多的片段，结构较牢固。根据碱基互补原则，若测知某条DNA分子的一种碱基的含量，即可求出其他3种碱基的含量。
如在某种生物的DNA分子中，经测知含15%的胞嘧啶，那么其他3种碱基的含量则为G=15%，A=35%，T=35%。
（4）在DNA双螺旋中，各种空间距离非常固定：螺旋的直径是2nm（1nm=10-9m），每旋转1圈的高度是3.4nm，相邻的两对核苷酸（或碱基）对间的距离是0.34nm，即螺旋一圈含有10对碱基。那么若已知某DNA的长度，就可求出该分子所含的核苷酸对数。
例：大肠杆菌（ E .coli）的染色体是由1100μm的DNA组成的，它包含多少对碱基？
解：由于已知两核苷酸对间的距离为0.34nm，
所以 E.coli含有的核苷酸（碱基）对数为：1100×103/ 0.34 =3.235×106 （对）
例：人类单倍体细胞中约有3×109对核苷酸，二倍体细胞中DNA的长度应为多少？
解：∵ 两碱基对间相距0.34nm
∴ 人的二倍体细胞中DNA总长度为：
3×109×0.34×10-9×2 = 2.04（米）。
（5）4种碱基在1条DNA单链上可随机排列：从A、G、C、T 4种碱基中任选2种在一条单链上作全排列的形式就有42 =16种，即AA、AT、AG、AC、GA、GT、GC、GG、CA、CG、CC、CT、TA、TG、TC、TT。
假设一条DNA单链含有100个核苷酸，按全排列方式推算，应有4100种不同的排列结构，可见数目是非常大的。现已知大多数生物体的基因约含1000对碱基，而基因数一般在千、万个以上，所以DNA分子内贮存的遗传信息是相当丰富的。
（6）不同物种DNA的4种碱基含量各不相同（表3-3）
表3-3 不同物种中DNA的碱基成分百分比
物 种 鸟嘌呤(G) 腺嘌呤(A) 胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T) A G/A C G C/A T
人 19.9 30.9 19.8 29.4 1.03 0.66
小麦 23.8 25.6 24.6 26.0 0.97 0.94
洋葱 18.4 31.8 18.2 31.3 1.01 0.58
菜豆 20.6 29.7 20.1 29.6 1.01 0.69
酵母 18.3 31.7 17.4 32.6 1.00 0.56
大肠杆菌 26.0 24.7 25.7 23.6 1.02 1.07
T2 噬菌体 18.2 32.5 16.8 32.5 1.02 0.54
3．DNA结构的变异类型
近年来发现DNA的构型并不是固定不变的，除主要以Crick和Watson提出的的右手双螺旋构型存在外，还有许多变型。所以现在一般将Crick和Watson提出的双螺旋构型称为B-DNA。这种B-DNA是DNA正常生理状态下的构型。活细胞中绝大多数DNA是B-DNA。
但当外界环境条件发生变化时，DNA的构型也会发生变化。当DNA在高盐浓度下时，则以A-DNA 形式存在。A-DNA是DNA的脱水构型，它也是右手螺旋，但每螺旋一圈含有11个核苷酸对。A-DNA比较短和密，其平均直径为2.3nm。大沟深而窄，小沟宽而浅。在活体内DNA并不以A构型存在，但细胞内DNA-RNA或RNA-RNA双螺旋结构，却与A-DNA非常相似。
现在还发现，某些DNA序列可以以左手螺旋的形式存在，称为Z-DNA（图3-8）。某些DNA序列富含G-C，并且在嘌呤和嘧啶交替出现时，可形成Z-DNA。Z-DNA除左手螺旋外，每螺旋含有12对碱基，分子直径为1.8nm，只有一个深沟。
表 3-4 3 种DNA结构的差异
双螺旋 碱基倾角(°) 碱基间距/nm 碱基直径/nm 每轮碱基数 螺旋方向
A-DNA 20 0.26 2.3 11 右
B-DNA 6 0.34 2.0 10 右
Z-DNA 7 0.37 1.8 12 左
DNA结构除上述构型变化外，在体内还以正超螺旋的形式存在。从病毒到高等生物，DNA在生物体内均表现为负超螺旋（negative supercoil）形式。负超螺旋是DNA复制过程中，在拓扑异构酶（topoisomerase）和溴乙锭的存在下形成的。现在已有很多证据表明，这种负超螺旋结构与DNA复制、重组以及基因的表达和调控有关。而正、负超螺旋的变化反映了DNA在不同环境条件的变化。
三、RNA的分子结构
至于RNA的分子结构，就其化学组成上看，也是由4种核苷酸组成的多聚体。它与DNA不同，首先在于以U代替了T，其次是用核糖代替了脱氧核糖，再次是绝大部分RNA以单链形式存在，但可以折叠起来形成若干双链区域。在这些区域内，凡互补的碱基对间可以形成氢键（图3-9）。有一些以RNA为遗传物质的动物病毒含有双链RNA。
RNA分子结构的研究比DNA晚，这是因为细胞中的DNA比RNA较稳定。现已知RNA大致分为3类，即mRNA、tRNA、rRNA，但它们的结构却干差万别，长度也不一样。它们的结构特点主要有以下几方面：
（1）RNA一般是单链结构，骨架是由核糖和磷酸分子间隔排列构成的，碱基与核糖相连。
（2）有些RNA常以碱基配对的形式卷曲起来，形成多种空间结构。例如tRNA可形成三叶草结构，rRNA也可拆叠，但mRNA多以线状形式存在。
（3）4种碱基在RNA分子中的排列依DNA的碱基顺序而定，由于它是以DNA为模板转录来的，所以也可蕴藏着丰富的遗传信息。
四、两种核酸的区别
经过分析，DNA和RNA既有相同处，又有不同处。其共同点是：都是由核苷酸组成的多聚体，且是长链大分子；4种碱基在一条单链上可随机排列，可形成4n 种排列方式，也能贮存大量的遗传信息。然而，2种核酸也存在着多方面的差异。主要表现在：
1．组成核酸的糖分子不同
DNA是脱氧核糖；而RNA是核糖。
2．构成核酸的碱基不同
DNA含有A、G、C、T 4种碱基；RNA中除主要含有A、G、C、U 4种碱基外，还含有少量的稀有碱基，如甲基化的碱基和假尿嘧啶等。
3．多聚核苷酸链的结构不同
DNA通常是双链，以双螺旋的方式形成主体结构，只在少数病毒中有单链DNA；而RNA通常是单链结构，tRNA可在多点上进行折叠，但在极少数病毒中，也有双链RNA。
4．产生的途径不同
DNA常由半保留复制方式产生，只在极少数病毒中，由一种反转录酶，以RNA为模板，反转录出单链DNA，继而再互补成双链DNA（cDNA）；而RNA常是以DNA为模板转录产生的，但在极少数病毒中也可以通过复制而产生。
5．在真核生物细胞内存在的部位不同
DNA多位于细胞核内，只有很少一部分存在于细胞质中，而且主要分布在叶绿体和线粒体内。RNA多存在于细胞质中，如rRNA与蛋白质结合成核糖体，tRNA 存在于细胞质基质内，可携带氨基酸，仅有少部分留在细胞核内，成为染色体的组成成分及形成核仁等。
6．行使的功能不同
DNA通过复制可把遗传信息贮存并传递给子代，通过转录将信息传递给RNA；而mRNA可作为蛋白质合成的模板，rRNA与蛋白质结合成核糖体，是蛋白质合成的场所，tRNA可携带氨基酸，并将氨基酸安放在mRNA的特定位置上，它们共同作用将核酸的信息转译成蛋白质。
