第二章：分子基础
2.1 核酸的化学组成
核苷酸结构
核苷酸
（Nucleotide）是核酸的基本组成单位，由三部分组成：
| 组分 |
说明 |
代表 |
| 磷酸基团 |
连接核苷酸形成磷酸二酯键 |
—PO₄ |
| 五碳糖 |
DNA为脱氧核糖，RNA为核糖 |
C5H10O4 / C5H10O5 |
| 含氮碱基 |
携带遗传信息 |
A/T/G/C/U |
碱基配对规则
碱基互补配对
是核酸结构的分子基础：
-
腺嘌呤
（A）⇔ 胸腺嘧啶（T）：2个氢键
-
鸟嘌呤
（G）⇔ 胞嘧啶（C）：3个氢键
Chargaff法则：在DNA中，A=T，G=C，A+G=T+C
2.2 DNA的双螺旋结构
Watson-Crick模型
1953年，Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型：
结构特征：
- 两条反向平行的多核苷酸链
- 右手螺旋（B-DNA），每圈10个碱基对
- 碱基位于内侧，磷酸-糖骨架位于外侧
- 大沟（Major groove）和小沟（Minor groove）
DNA构象类型
| 类型 |
螺旋方向 |
碱基对/圈 |
特点 |
| B-DNA |
右手 |
10 |
生理条件下最常见 |
| A-DNA |
右手 |
11 |
脱水状态，较粗短 |
| Z-DNA |
左手 |
12 |
高盐或特定序列，调控功能 |
2.3 RNA的结构特点
RNA与DNA的差异
| 特征 |
DNA |
RNA |
| 糖 |
脱氧核糖 |
核糖 |
| 碱基 |
A/T/G/C |
A/U/G/C |
| 结构 |
双链 |
通常单链 |
| 稳定性 |
高（2’-脱氧） |
低（易被水解） |
| 功能 |
遗传信息存储 |
信息传递与催化 |
RNA二级结构
单链RNA通过分子内碱基配对形成局部双链：
- 茎环结构（Stem-loop）：最常见
- 发夹结构（Hairpin）：反向重复序列
- 假结（Pseudoknot）：复杂调控结构
2.4 蛋白质的结构基础
氨基酸
氨基酸
是蛋白质的基本单位，20种标准氨基酸：
| 分类 |
代表氨基酸 |
特点 |
| 非极性 |
丙氨酸、亮氨酸 |
疏水，位于蛋白质内部 |
| 极性不带电 |
丝氨酸、苏氨酸 |
亲水，可形成氢键 |
| 酸性 |
天冬氨酸、谷氨酸 |
带负电 |
| 碱性 |
赖氨酸、精氨酸 |
带正电 |
| 芳香族 |
苯丙氨酸、酪氨酸 |
特殊光学性质 |
蛋白质结构层次
蛋白质结构
分为四个层次：
- 一级结构：氨基酸序列（肽键连接）
- 二级结构：局部折叠（α-螺旋、β-折叠）
- 三级结构：整体三维构象
- 四级结构：多亚基组装
2.5 生物大分子相互作用
DNA-蛋白质相互作用
蛋白质识别DNA
的分子机制：
- 氢键：识别特定碱基序列
- 疏水作用：大沟中的碱基暴露
- 静电作用：带正电氨基酸与磷酸骨架
常见结合模体
| 模体 |
结构特征 |
功能 |
| 螺旋-转角-螺旋（HTH） |
两个α-螺旋 |
原核生物转录因子 |
| 锌指（Zinc finger） |
Zn²⁺稳定 |
真核生物DNA结合 |
| 亮氨酸拉链（Leucine zipper） |
二聚化结构 |
转录激活 |
| 螺旋-环-螺旋（HLH） |
二聚化+DNA结合 |
发育调控 |
本章小结
- 核苷酸由磷酸、五碳糖、碱基组成
- DNA双螺旋结构是遗传信息存储的分子基础
- RNA通常为单链，具有催化功能（核酶）
- 蛋白质结构决定功能，四级结构层次清晰
- 大分子相互作用依赖氢键、疏水作用、静电作用
思考题
- 为什么DNA使用脱氧核糖而RNA使用核糖？这对它们的功能有什么影响？
- G≡C碱基对比A=T更稳定，这对基因组有什么意义？
- 列举3种DNA结合蛋白的结构模体及其功能。