第六章 核酸的结构与功能

这是一篇关于第六章 核酸的结构与功能的思维导图，主要内容包括：核酸的分类，核酸的一级结构，核酸的二级结构，核酸three级结构，核酸与蛋白质形成的复合物，核酸的功能。

第六章 核酸的结构与功能

• 一、 核酸的分类
  • 核酸即多聚核苷酸,是由多个核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键相连的多聚物,可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)
  • DNA 能作为遗传物质是与其结构分不开的,一级结构贮存遗传信息,二级结构有助于遗传物质的复制、转录、重组和修复。 RNA有多种功能,①某些病毒的遗传物质,②在基因表达中起主导作用；③核酶起催化作用
  • 分类
    • DNA
    • RNA
      • 分类
        • 功能
          • rRNA-核糖体RNA
            • 核糖体由蛋白质和核糖体RNA组成
          • mRNA-信使RNA
            • 最不稳定：①是蛋白质合成模版，需要时表达，不需要时降解②另外两个甲基化，更稳定
          • tRNA-转运RNA
            • 将密码子转为氨基酸
        • 片段
          • 编码RNA（m、tRNA)
          • 非编码RNA（其他）
            • 管家RNA9（组成型表达）：任何时候表达（如m、tRNA)
            • 调控RNA：特殊时表达
      • 功能：多种，还可作核酶
  • DNA与RNA的三大差别
    • （1） RNA分子中的戊糖是核糖,而DNA分子中的戊糖是脱氧核糖
      • 是判断二者的唯一标准
        • DNA脱氧核糖缺乏反应基团二号碳上为-H
        • RNA核糖上二号碳为-OH，易导致自发水解，不稳定。所以RNA不适合当遗传物质；可利用羟基亲核进攻，而作酶催化反应。
    • （2） RNA的第4个碱基通常是U,而DNA通常是T
      • 不绝对
        • DNA含U
          • 1||| 细胞中含少量dUTP,DNA复制代替T参入到链上
          • 2||| C自发脱氢变成U
        • RNA含T
          • 是由U甲基化修饰而来
      • 假设DNA第四个碱基是U，当C突变为U的时候，修复系统不能识别好坏U，从而不修复或随机错误修复，导致遗传错误；但第四个碱基是T时，只有假U，修复系统正确修复。
      • 若RNA的C→U，那直接不修复，因为
        • 1、RNA比DNA小得多，出错概率也小得多
        • 2、同一个RNA有多个拷贝，一个碱基出错影响不大
        • 3、机体有一套质量控制系统，RNA出错直接降解
    • （3） RNA常为单链，DNA常为双链
      • 不绝对
        • 单链DNA
          • 微病毒科DNA病毒
        • 双链RNA
          • RNA病毒&真核细胞内微RNA
      • 单链RNA：使其能够自我折叠成可以和蛋白质相媲美的各种类型的二级和三级结构,这是形成RNA结构多样性的基础。RNA在三维结构的多样性使其在细胞内能行使多项生物学功能。*核酸没有四级结构
      • 双链DNA：充分行使作为遗传物质的唯一功能
• 二、 核酸的一级结构
  • 核酸的一级结构是指构成核酸的多聚核苷酸链上所有核苷酸或碱基的排列顺序
  • 3个重要特征
    • ①有两个不对称的末端,其中有一端的核苷酸 5'-0H 不参与形成 3',5-磷酸二酯键,此末端称为5端； 另一端的核苷酸 3'-0H 不参与形成 3',5'-磷酸二酯键,此末端称为3'端。多聚核苷酸链的这种性质称为极性;
    • ②在生理pH下,多聚核苷酸链上的磷酸基团由于大多数处于解离的状态,带有大量负电荷,因此核酸是一种多聚阴离子复合物
    • ③每一条链上的核苷酸残基都有一定的排列顺序,这种排列顺序也就是核酸的一级结构。
  • 从5‘→3’书写核酸一级结构
  • 一级结构的意义在于：生物体的遗传信息储存在由4种核苷酸编码的特定序列中，与高级结构无关
  • 啊
    • 子主题
• 三、 核酸的二级结构
  • DNA的二级结构
    • 分类
      • 1. B型双螺旋
        • 由 Watson 和 Crick 提出，内容
          • 1||| DNA由两条反平行的多聚脱氧核苷酸链组成,两条链相互缠绕,形成右手双螺旋
          • 2||| 组成右手双螺旋的两条链在碱基序列上是互补的(complementary),它们通过特殊的碱基对结合在一起。
            • 称为Watson-Crick碱基对。
            • 特异性是因为①几何形状完美互补（主要因素）②“绝配”氢键
          • 3||| 碱基对位于双螺旋的内部,并垂直于螺旋轴,而磷酸脱氧核糖骨架则位于螺旋表面。碱基对之间通过疏水键和范德华力相互垛叠在一起,对双螺旋的稳定起重要作用。
          • 4||| 双螺旋的表面是不规则的,含有明显的大沟(major groove)和小沟(minor groove)
          • 5||| 双螺旋的其他参数包括 相邻碱基对距离为0.34nm,相差约 36°。 螺旋的直径为 2.00nm,螺3.4nm,每一圈完整的螺旋含有10个碱基对 细胞内的DNA双螺旋每一圈距为子实际上含有 10.4~10.6bp
      • 2. A型双螺旋
        • 引起DNA双链构象改变的因素
          • ①相对湿度
          • ②盐的种类和浓度
          • ③碱基组成和序列4超螺旋的数量和方向
        • 一般与RNA有关，相对湿度降低或盐浓度上升都会导致A型（活细胞内充满水，少有A型）
          • 革兰氏阳性细菌包子内水分少，
          • DNA与RNA形成双螺旋
          • RNA双螺旋
      • 3. Z型双螺旋
        • 最早在体外得到的
        • 结构特点
          • 1. 螺旋上的脱氧核糖磷酸骨架呈锯齿状或“Z”字形伸展
          • 2. 与G相连的糖苷键是顺式
          • 3. 左手螺旋
        • 体外存在需要满足
          • 1. 盐浓度高/有乙醇
          • 2. 嘌呤-嘧啶相间排列
        • 生物学意义：与基因的表达调控有关。
          • B-DNA与Z-DNA的可逆性转变充当基因表达开关。
          • 负超螺旋 促进 Z型双螺旋 形成；m5C促进Z型双螺旋形成
    • 4、支持DNA双螺旋结构的证据
      • Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型主要建立在X射线衍射数据和Chargaf 规则的基础之上
        • 1、X射线衍射数据：Franklin获得的编号为51的X射线衍射照片,其标志性的X形状显示了其螺旋的特征
        • 2、Chargaff规则：A＝T；C＝G；A＋G＝C＋T 碱基组成具有物种特异性，无组织和器官特异性
        • 3、碱基互变异构：烯醇式或亚氨基式碱基错误配对
    • 5、稳定双螺旋结构的因素
      • 1、氢键
        • 决定基氨基配对特异性（AT双键，GC三键）
      • 2、碱基堆积力
        • 是碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力。它包括疏水作用和范德华力。
        • 碱基间相互作用的强度与相邻碱基之间环重叠的面积成正比。 嘌呤与嘌呤之间>嘌呤与嘧啶之间>嘧啶与嘧啶之间。
        • 碱基的甲基化也能提高碱基堆积力。
      • 3、磷酸核糖骨架上负电荷中和
        • 生理pH下，磷酸基团带负电，双链存在静电排斥作用，aq中阳离子中和这种力。离子浓度降低，中和作用减弱，排斥力加大，DNA双螺旋更不稳定。
    • 6、DNA双螺旋的意义
      • 为生物学家揭示遗传物质的遗传、复制、修复、多样性以及为物种的进化提供了重要的线索。从更广泛的意义来看,将遗传学与生物化学、细胞生物学和生理学等学科结合,并直接导致分子生物学的诞生和迅速发展。在DNA双螺旋结构模型中,最重要的内容应该是其中互补的概念。互补结构对于理解DNA的复制、重组、修复、转录转录后加工和翻译等机制都很重要。
    • 7、DNA的非标准二级结构
      • DNA特殊条件下形成
        • 类型
          • 1||| 弯曲
            • 1、4~6个A序列，相邻串间相隔10个序列
            • 2、DNA受到某些蛋白质作用（大肠杆菌cAMP受体结合蛋白可导致DNA在乳糖操纵子处发生弯曲）
          • 2||| 十字形
            • DNA内含反向重复序列的区域解链以后,可通过链内碱基互补配对形成一种十字形的二级结构
            • 啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
          • 3||| 三螺旋
            • 第三条链通过Hoogsteen碱基对形成稳定三螺旋结构。AT,CG
            • 两条嘌呤链＋一条嘧啶链/两条嘧啶链＋一条嘌呤链
          • 4||| 碱基翻转
            • DNA双螺旋上的某个碱基离开它的“配偶”,突出在双螺旋之外
            • 会造成碱基对扭曲
              • eg.①参与同源重组的酶需要通过碱基翻转寻找同源的序列 ②催化碱基修饰的酶需要碱基通过翻转落入它的活性中心被化学修饰 ③参与碱基切除修复的DNA糖苷酶需要受损伤的碱基通过翻转进入它的活性中心被切除（DNA分子上出现的U是通过这种方式被尿嘧啶-DNA糖苷酶切除掉的）
          • 5||| 滑移错配DNA
            • 啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊
          • 6||| 四链DNA
        • 特殊条件
          • 反向重复
          • 回文序列
          • 镜像重复
          • 直接重复
          • 高嘌呤序列、高嘧啶序列、富含A序列、富含G序列
  • RNA的二级结构
    • *
      • 取决于一级结构
      • 多样
        • 因为RNA链经常自我折叠,使在不同区段的互补序列之间形成局部的A型双螺旋,而不能配对的序列以突起、简单环、内部环或发夹环（最常见）的形式游离在双螺旋之外,形成多种形式的二级结构
      • RNA双螺旋常有GU碱基对，为RNA双链创造更多可能性，GU双键
    • （一）tRNA
      • 只有一条链，73~94个核苷酸（可变环）
      • 啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊aa啊啊啊啊
    • （二）rRNA
      • RNA由核糖体RNA（即rRNA）和蛋白质组成。
      • 原核生物
        • 5SrRNA
        • 23SRNA
        • 大亚基
        • 16SrRNA
          • 小亚基
      • 真核生物
        • 5SrRNA
        • 5.8SrRNA
        • 28SrRNA
        • 大亚基
        • 18SrRNA
          • 小亚基
    • （三）mRNA
      • 一级结构才有功能
      • 二级结构是在3’/5‘端调控基因表达
    • （四）DNA-RNA杂交双链二级结构
      • A型
      • 在体内 DNA复制、转录和逆（反）转录的时候出现。
• 四、 核酸三级结构
  • 在其二级结构的基础上形成的包括所有原子在内的三维立体结构。对DNA来说,其三级结构一般就是在双螺旋结构的基础上形成的超螺旋。
  • 一、DNA 三级结构
    • DNA
      • 松弛型
        • 每圈bp=10
      • 超螺旋
        • 分类
          • bp＞10-正超螺旋-左手超螺旋→缠绕过度
          • bp＜10-负超螺旋-右手超螺旋→缠绕过少
          • 若这时DNA两端固定或为cccDNA（共价闭环DNA），那DNA就会内部张力无法释放而超螺旋
        • 定量
          • 连环数L
            • cccDNA的L值不变
          • 扭转数T
          • 缠绕数W
            • W正-正超螺旋
            • W负-负超螺旋
            • L=T＋W
          • 比连环差
        • DNA复制前都是负超螺旋，方便解链。 DNA拓扑异构酶清除正超螺旋。 某些与碱基对差不多大小的多环芳香族分子(如溴乙锭和吖啶橙)【强烈的致病试剂】可以插入到DNA双螺旋两个相邻的碱基对之间,促进产生正超螺旋。易诱发DNA复制时突变。
  • 二、RNA三级结构
    • RNA 的三级结构是在二级结构的基础上进一步折叠、包装而成的,其复杂性不亚于蛋白质。折叠也需要分子伴侣，称RNA伴侣 二级结构→结构模体→三级结构
    • 模体类型
      • 1、假节模体（最常见）
      • 2、“吻式”发夹
    • tRNA：倒“L"型
    • rRNA：大小亚基
• 五、 核酸与蛋白质形成的复合物
  • DNA与蛋白质复合物
    • 真核生物核小体
      • 真核细胞的核基因组DNA在细胞核内与组蛋白结合形成核小体(nucleosome)的结构。
      • 核小体可视为真核生物细胞核染色质的一级结构单位,呈串珠状:每一个“珠子”由组蛋白核心和环绕的DNA组成，约146 bp; 相邻“珠子”之间的连线为DNA,称为连线DNA,长度 8~114bp不等,它最容易受到 DNA酶的水解。
        • 组蛋白属于一类较小的碱性蛋白。富含碱性氨基酸--Lys和 Arg（都带正电）与带负电荷的DNA通过静电引力结合在一起。 H1、H2A、H2B、H3、 H4。H1变化最大，H4最保守，后H3、H2A、H2B
      • 核小体
      • 核小体可调节特定基因表达
        • 通过启动远距离DNA序列之间的相互作用而激活基因的表达
          • 啊啊啊啊啊啊啊啊啊
        • 通过阻碍特定转录因子或调节蛋白与 DNA的结合而抑制基因的表达（甲基化、乙酰化、磷酸化、泛酰化）
      • 八聚体
    • 古菌 核小体
      • 抵抗恶劣环境
    • 细菌 拟核
      • 细菌并没有组蛋白,所以不会形成核小体的结构。但细菌也具有一些小的碱性蛋白质也可以和它们的基因组 DNA结合,形成高度浓缩的拟核或类核的结构。拟核包括DNA（超螺旋）、拟核蛋白NAP、DNA 拓扑异构酶转录因子和mRNA
  • RNA与蛋白质复合物
    • 很多重要的RNA需要与特殊的蛋白质形成复合物以后才能起作用。 主要包括:核糖体、信号识别颗粒(SRP)、核小RNA蛋白质复合物(snRNP)、核仁小RNA蛋白质复合物(snoRNP)、剪接体(spliceosome)、核糖核酸酶P和端粒酶。 除此以外,RNA病毒本质就是基因组RNA与衣被蛋白质等形成的复合物
• 六、 核酸的功能
  • RNA
    • ①充当RNA病毒的遗传物质
      • 甲肝病毒和艾滋病病毒
    • ②作为生物催化剂即核酶
      • 核糖核酸酶P和核糖体;
    • ⑤参与RNA前体的后加工
      • snRNA参与细胞核mRNA前体的剪接,nRNA参与真核rRNA前体的后加工,gRNA参与编辑
    • ④作为引物参，与DNA复制
    • ③参与蛋白质的生物合成,这与细胞内3种最重要的 RNA,即 mRNA、RNA 和rRNA 有关
    • ⑦参与蛋白质共翻译定向和分拣
      • 7SL RNA
    • ⑧参与X染色体的失活,这与 XistRNA有关。
    • ⑥参与基因表达的调控,如干扰 RNA 和反义RNA 参与翻译水平上的基因表达调控
  • DNA
    • 作为生物体的主要遗传物质
    • 证据是
      • O.T.Avery 的细菌转化实验
      • lershey-Chase的噬菌体实验
      • 植物烟草花叶病毒实验