核酸的结构与功能

这是一个关于核酸的结构与功能的思维导图，核酸是以核首酸为基本组成单位的生物大分子，携带并传递遗传信息等。

核酸的结构与功能

• 核酸的化学组成以及一级结构
  • 核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带并传递遗传信息，
    • DNA存在于细胞核和线粒体内，携带遗传信息，并通过复制的方式将遗传信息进行传代
    • RNA存在于细胞质，细胞核和线粒体内
    • 核苷酸完全水解后可释放出等摩尔的碱基戊糖和磷酸
  • 核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
    • 碱基是构成核苷酸的基本组分之一，碱基是含氮的杂环化合物
    • 腺嘌呤，鸟嘌呤和胞嘧啶是DNA和RNA共有的。胸腺嘧啶是DNA特有的，尿嘧啶是RNA特有的
    • 核糖是构成核苷酸的另一个基本组分，核糖存在于RNA中，而脱氧核糖存在于DNA中，脱氧核糖的化学稳定性优于核糖
    • 核苷酸碱基与核糖的缩合反应的产物，核糖的C–1＇原子和嘌呤的N–9原子或者嘧啶的N–1原子通过缩合反应形成了β–N糖苷键
    • 核苷酸以其他衍生物的形式存在，并参与各种物质代谢的调控和蛋白质功能的调节
      • 环腺苷酸，环鸟苷酸他们都是信号转导过程中的第二信使，具有调控基因表达的作用
      • 辅酶I(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)，辅酶II(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)，黄素腺嘌呤核苷酸。它们是生物氧化体系的重要成分，在传递电子或质子的过程中发挥重要作用
      • 6–巯基嘌呤，阿糖胞苷和5–氟尿嘧啶都是碱基的衍生物，可以通过干扰肿瘤细胞的核苷酸代谢，抑制核酸合成来发挥抗肿瘤作用
  • DNA是脱氧核糖核苷酸通过3＇，5＇-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
    • DNA是多个脱氧核糖核苷酸聚合而成的线性大分子，脱氧核糖核苷酸之间是通过3＇，5＇–磷酸二酯键共价连接
    • 骨架:交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架
    • 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子
      • 多聚脱氧核苷酸链只能从它的3＇–端得以延长
  • RNA是核糖核苷酸通过3＇，5＇-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
    • RNA是多个核苷酸分子在RNA聚合酶催化下通过3＇，5＇-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，并且也具有5＇—3＇的方向性
    • DNA与RNA的差别
      • 1RNA的戊糖还是核糖，而不是脱氧核糖
      • 2RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶
  • 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
    • 一级结构:RNA的核苷酸和DNA的脱氧核苷酸成5＇-端至3＇-端的排列顺序定义为核酸的一级结构
      • 核苷酸之间的差异仅在于碱基的不同，因此核酸的一级结构就是它的碱基序列
    • 核酸分子的大小常用核苷酸数目或碱基对数目来表示
      • 长度短于50个核苷酸的核酸的片段常被称为寡核苷酸
• DNA的空间结构与功能
  • DNA链上的功能团可以产生特殊的氢键，离子作用力，疏水作用力以及空间位阻效应等，从而使得DNA分子的各个原子在三维空间里具有了确定的相对位置关系，这称为DNA的空间结构
  • DNA的二级结构是双螺旋结构
    • DNA双螺旋结构的实验基础
      • DNA中四种碱基的Chargaff规则
        • 1不同生物个体的DNA其碱基组成不同
        • 2同一个体的不同器官或不同组织的DNA具有相同的碱基组成
        • 3对于一个特定组织的DNA及碱基组分不随其年龄，营养状态和环境而变化
        • 4对于一个特定的生物体，腺嘌呤的摩尔数与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤的摩尔数与胞嘧啶的摩尔是相等
      • DNA双螺旋结构发现的意义
        • 1诠释了生物界遗传性状得以世代相传的分子机制，奠定了现代生命科学的基础
        • 2揭示了DNA作为遗传信息载体的物质本质
        • 3为DNA作为复制模板和基因转录模板提供了结构基础
        • 4奠定了分子生物学和现代基因工程的实验基础
    • DNA双螺旋结构模型的要点
      • DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成
        • 两条链都是沿着5＇-3＇的方向，一条是自上而下，另一条是自下而上呈现出反向平行
      • DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对
        • 碱基的化学结构特征决定了两条链之间的特有相互作用方式
          • 一条链上的腺嘌呤与另一条链上的胸腺嘧啶形成了两对氢键
          • 一条链上的鸟嘌呤与另一条链上的胞嘧啶形成了三对氢键
          • 这种特定的碱基之间的作用关系称为互补碱基对 DNA的两条链则称为互补链
      • 两条多聚脱氧核苷酸链的亲水性骨架将互补碱基对包埋在DNA双螺旋结构内部
        • 多聚脱氧核苷酸链的脱氧核糖和磷酸基团构成了亲水性骨，该骨架位于双螺旋结构的外侧，而疏水性的碱基对包埋在双螺旋结构的内侧
        • 原因:DNA双链的反向平行走向使得碱基对与磷酸骨架的连接呈现非对称性
          • 结果:在DNA双螺旋结构的表面产生一个大沟和一个小沟
      • 两个碱基对平面重叠产生了碱基堆积作用
        • 相邻的两个碱基对平面彼此重叠，由此产生了疏水性的碱基堆积力
    • DNA双螺旋结构的多样性
      • 溶液的离子强度或相对湿度的变化可以使DNA双螺旋结构的沟槽，螺距，旋转角度，碱基对倾角等发生变化
      • 天然双螺旋结构分为A型，B型，z型
    • DNA的多链结构
      • Hoogsteen氢键的形成并不破坏原有碱基对中的Wastson-Crick氢键
      • 真核生物染色体3＇-端是一段高度重复的富含GT的单链被称为端粒
        • 作为单链结构的端粒具有较大的柔韧度，可以自身回折，形成一个称为G-四链的特殊结构
  • DNA双链经过盘绕折叠形成致密的高级结构
    • 线性的DNA双链不是一条刚性分子，具有一定程度的柔韧性
      • 当盘旋方向与DNA双的双螺旋方向相同时，其超螺旋结构为正超螺旋，反之则为负超螺旋
    • 封闭环状的DNA具有超螺旋结构
      • 绝大部分原核生物的DNA是环状的双螺旋分子
      • 在细菌DNA中，不同的DNA区域可以有不同程度的超螺旋结构，超螺旋结构可以相互独立存在
      • 线粒体和叶绿体是真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器，线粒体DNA也是具有封闭环状的双螺旋结构
        • 线粒体DNA是真核细胞核以外的遗传物质
    • 真核生物DNA被逐级有序的组装成高级结构
      • 在细胞周期的大部分时间里，细胞核内的DNA以松散的染色质形式存在，只有在细胞分裂期间，细胞核内的DNA才形成高度致密的染色体
      • 染色质基本组成单位是核小体
      • 真核生物染色体有端粒和着丝粒两个功能区
        • 端粒是染色体端膨大的粒状结构，由染色体端DNA与DNA结合蛋白共同构成，
          • 端粒在维持染色体结构的稳定性和维持复制过程中的DNA的完整性方面具有重要作用
        • 着丝粒是两个染色单体的连接点
  • DNA是主要的遗传物质
    • DNA是生物体遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板，它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础
      • DNA的核苷酸序列以遗传密码的方式决定了蛋白质的氨基酸排列顺序
      • DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传特征的相对稳定性
      • DNA又表现出高度复杂性的特点，可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁
    • 生物体的遗传信息是以基因的形式存在的
      • 基因是编码RNA或多肽链的DNA片段及DNA中特定的核苷酸序列，它为DNA复制和RNA生物合成提供了模板
    • 一个生物体的基因组是指包含在该生物的DNA中的全部遗传信息即一套染色体中的完整的核苷酸序列
• 核酸的理化性质
  • 核酸具有强烈的紫外吸收
    • 嘌呤和嘧啶是含有共轭双键的杂环分子
      • 碱基，核苷，核苷酸和核酸，在中性条件下，它们的最大吸收值在260m附近，由碱基的共轭双键所决定
    • 核酸为多元酸，具有较强的酸性，RNA的长度远小于DNA，DNA大分子在机械力的作用下易发生断裂
    • 溶液中的核酸分子在引力场中可以沉淀，在超速离心形成的引力场中，不同构象的核酸分子的沉降速率有很大差异
  • DNA变性是一条DNA双链解离为两条DNA单链的过程
    • 某些极端的理化条件可以断裂DNA双链互补碱基对之间的氢键以及破坏碱基堆积力，使一条DNA双链解离成为两条单链，这种现象称为DNA变性
      • DNA变性的本质是双链间氢键的断裂
    • 增色效应:在DNA解链过程中，有更多的包埋在双螺旋结构内部的碱基得以暴露，因此含有DNA的溶液在260nm处的吸光度随之增加
    • 紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时，所对应的温度被定义为DNA的解链温度
  • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链
    • 复性:把变性条件缓慢的除去后，两条解离的DNA互补链可重新互补配对形成DNA双链，恢复原来的双螺旋结构
    • 热变性的DNA经缓慢冷却后可以复性，这一过程称为退火
      • 为什么要缓慢冷却?如果热变性的DNA迅速冷却的话，两条解离的互补链还来不及形成双链，所以DNA不能发复性
    • 只要这两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基互补关系，它们就有可能形成杂化双链
      • 核酸分子杂交技术被广泛地用来研究DNA片段在基因组中的定位，鉴定核酸分子间的序列相似性，检测靶基因在待检样品中存在与否
• RNA的空间结构与功能
  • RNA可以分为
    • 编码RNA
    • 非编码RNA
      • 一类是确保实现基本生物学功能的RNA，包括转运RNA，核糖体RNA，RNA信号识别颗粒
      • 一类是调控性非编码RNA
  • m RNA是蛋白质生物合成的模板
    • RNA被证明是在核内以DNA为模板的合成产物
      • mRNA的丰度最小，种类最多，寿命最短
      • 细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为核不均一RNA，含有内含子和外显子
      • lnRNA经过加帽，加尾，剪接成为成熟mRNA
    • 真核细胞mRNA的5＇-端有帽结构
      • 真核生物mRNA的5＇-帽结构可以与一类称为帽结核蛋白。这种复合体有助于维持mRNA的稳定性，协同mRNA从细胞核向细胞质的转运，以及在蛋白质生物合成中促进核糖体和翻译起始因子的结合
    • 真核生物和有些原核生物mRNA的3＇-端有多聚腺苷酸酶尾的结构
      • 多聚尾结构与poly结合蛋白结合，这种3＇-多聚尾结构和5＇-帽结构共同负责
        • 1mRNA从细胞核向细胞质的转运
        • 2维持mRNA的稳定性
        • 3翻译起始的调控
    • 真核生物细胞核内的hnRNA经过一系列的修饰和剪接成为成熟的mRNA
      • 外显子是构成mRNA的序列片段，而内含子是非编码序列
      • 在hnRNA向细胞质转移的过程中，内含子被剪切掉，外显子连接在一起。在经过加帽和加尾修饰后，hnRNA成为成熟的mRNA
    • mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
      • 从这个AUG开始，每三个连续的核苷酸组成一个遗传密码子。每个密码子编码一个氨基酸，直到由三个核苷酸(UAA，UAG或UGA)组成的终止密码子
      • 由起始密码子和终止密码子所限定的区域定义为mRNA的编码区，也称可读框
        • 该区域是编码蛋白质多肽链的核苷酸序列
  • tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体
    • 转运RNA作为蛋白质合成的底物–氨基酸的载体参与蛋白质合成，为合成中的多肽链提供活化的氨基酸，tRNA具有稳定的空间结构
    • tRNA含有多种稀有碱基
      • 分子量最小
      • 稀有碱基是指除A，G，C，U外的一些碱基，包括双氢尿嘧啶，假尿嘧啶核苷和甲基化的嘌呤等
      • tRNA分子中的稀有碱基均是转录后修饰而成
    • tRNA具有特定的空间结构
      • 特定的空间结构是指局部双链
      • 在这些局部的双螺旋结构之间的核苷酸序列不能形成互补的碱基对则膨出形成环状或襻状结构
      • tRNA的二级结构呈现出酷似三叶草的形状
        • 所有的tRNA都具有相似的倒l型空间结构
      • tRNA的3＇-端永远是CCA
    • tRNA的3＇-端连接着氨基酸
      • 只有连接在tRNA的氨基酸才能参与蛋白质的生物合成
      • tRNA所携载的氨基酸种类是由tRNA的反密码子所决定
    • tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子
      • 密码子与反密码子的结合使tRNA能够转运正确的氨基酸参与蛋白质多肽链的合成
  • 以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所
    • 核糖体RNA是细胞中含量最多的RNA
    • rRNA有确定的种类和保守的核苷酸序列
    • rRNA与核糖体蛋白共同组成核糖体，为蛋白质生物合成提供了必需的场所
  • 组成性非编码RNA是保障遗传信息传递的关键因子
    • 催化小RNA
      • 也称为核酶
      • 具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用
    • 核仁小RNA
      • 主要参与rRNA的加工
    • 核小RNA
      • 识别hnRNA上的外显子和内含子的接点，切除内含子
    • 胞质小RNA
      • 存在细胞质中，与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能
  • 调控性非编码RNA参与了碱基表达调控
    • 调控性非编码RNA按其大小分为非编码小RNA，长非编码RNA和环状RNA
      • 作用:转录调控RNA剪切和修饰，mRNA的翻译，蛋白质的稳定和转运，染色体的形成和结构稳定
      • 在胚胎发育，组织分化，信号转导，器官形成等基本的生命活动中，以及在疾病的发生和发展过进程中都有非编码RNA的参与
    • 非编码小RNA的特征和作用
      • 非编码小RNA包括微 RNA，干扰小RNA和piRNA
        • 微RNA对基因表达的调控作用表现在转录后水平上，主要是通过两种机制下调靶基因的表达(两种机制的选择主要取决于miRNA与靶基因mRNA序列的互补程度)
        • miRNA还参与了细胞的生长，分化，衰老，凋亡，自嗜，迁移，侵袭等多种过程
    • 长非编码RNA的特征和作用
      • lncRNA 由RNA聚合酶II转录生成，经剪切加工后，形成具有类似于mRNA的结构
    • 环状RNA的特征和作用
      • 环状RNA是一类特殊的RNA分子，与传统的线性RNA不同，circRNA分子成环被封闭环状结构，没有5＇-端和3＇-端，因此不受RNA外切酶的影响，表达更稳定，不易降解
      • circRNA具有序列的高度保守性，具有一定的组织，时序和疾病特异性