生物化学第13章 ：核酸的结构和功能

主要内容包括：核酸的种类和分布，核酸的化学组成，DNA和RNA的结构和功能。总结细致全面，适合做复习资料。

核酸的结构和功能

• 核酸的种类和分布
  • 种类
    • 脱氧核糖核酸DNA
      • 真核细胞：核内染色体、线粒体、叶绿体 原核细胞：核区染色体、质粒
      • 病毒：DNA病毒
        • 动物病毒：环状和线性双链多，有时线性单链 植物病毒：环状单链和双链 噬菌体：线型双链多，也有环状单双链
      • 真核染色体：线型双链DNA 原核生物染色体DNA、质粒DNA、真核细胞器DNA：环状双链DNA
    • 核糖核酸RNA
      • 胞质90%，核内10%
      • 参与蛋白质合成的RNA
        • 转移RNA（tRNA)
          • 携带氨基酸，核糖体上，每种氨基酸至少有一种tRNA
        • 信使RNA（mRNA)
          • 单链差别较大，其顺序决定蛋白质的氨基酸顺序；
        • 核糖体RNA（rRNA)
          • 细菌
            • 70s核糖体
              • 50s
                • 5s rRNA 、23s RNA
                • 34种蛋白质
              • 30s
                • 16s rRNA
                • 21种蛋白质
          • 高级动物细胞
            • 80s核糖体
              • 60s
                • 5s rRNA 、 5.8s rRNA 、 28s rRNA
                • 约50种蛋白质
              • 40s
                • 18s rRNA
                • 约30种蛋白质
          • 不稳定，与核蛋白结合
      • 具有特殊功能的RNA
        • 按细胞内位置分
          • 核内小RNA(snRNA) 核仁小RNA(snoRNA) 胞质小RNA(scRNA) 核内不均RNA(hnRNA) 线粒体RNA(mt rRNA,mt mRNA,mt tRNA) 染色质RNA(chRNA)
        • 已知功能的RNA按功能命名和分类
          • 核酶 反义RNA
        • 按大小分
          • 4.5S RNA,5 S RNA,7SL RNA,7SK RNA
      • 病毒RNA
        • 正链/负链 RNA病毒
      • 亚病毒RNA
        • 类病毒，卫星病毒，朊病毒
  • 分布
    • DNA
      • 原核生物集中于核区； 真核生物存在于细胞核内
        • 原核生物染色体DNA、质粒DNA、真核生物细胞器DNA都是环状双链DNA
        • 真核生物染色体是线状双链 DNA
    • RNA
      • tRNA
      • mRNA
        • 原核：编码序列+非编码序列 真核：5端帽子，3'端poly(A）【大部分有】，以及非翻译区调控序列，
      • tRNA
        • 原核
          • 核糖体小亚基含 16SrRNA,大亚基含 5SrRNA和23 S rRNA:
        • 真核
          • 核糖体小亚基含18SrRNA,大亚基含 5S、5.8S和28 SrRNA: 低等真核生物的小亚基含17SrRNA，大亚基含 5S、5.8S和26SrRNA.
• 核酸的化学组成
  • 基本结构单位
    • 核苷酸
      • 分类
        • 核糖核苷酸
          • 2’、3'、5'-核糖核苷酸
        • 脱氧核苷酸
          • 3’、5'-脱氧核糖核苷酸
      • 核苷酸是含碱基的磷酸酯 ，生物体内为游离的5一C核苷酸
      • 组成
        • 核苷
          • 碱基
            • 嘧啶碱
            • 嘌呤碱
            • 稀有碱基
              • 种类极多，大多数甲基化
          • 糖苷键
            • 碱基平面⊥糖环平面
              • 糖环中C标’ 碱基中不标’
            • 连接
              • 糖的第一位碳原子（1）与嘧啶碱的第一位氮原子（N1） 或与嘌呤碱的第九位氮原子（N9）相连接
            • 连接方式
              • C一N糖苷键 C一O糖苷键
            • 核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键
          • 戊糖
            • 核糖核苷糖环上有3个自由羟基， 脱氧核糖核苷糖环上有2个自由羟基
          • 分类
            • 核糖核苷（核苷）：A、G、C、U
            • 脱氧核糖核苷（脱氧核苷）：dA、dG、dC、dT
            • 稀有核苷（修饰核苷）
              • 简写符号
                • 少数用单字符号如D、Ψ、I
                • 大多数修饰核苷
              • 修饰碱基和糖 非修饰碱基和2-O-甲基核糖
              • 碱基与糖连接方式
                • 假尿苷C’1-C5 β-C型 尿苷C’1-N1 β-N型
        • 磷酸
      • 性质
        • 物理性质
          • 无色粉末或结晶，易溶于水，不溶于有机溶剂 有旋光性，在酸性溶液中不稳定，易破坏
        • 互变异构现象
          • 酮式和烯醇式处于平衡状态， 体内核酸中酮式占优势有利于氢键形成
        • 核苷酸的两性解离和pI
          • 即含磷酸基，又含碱基，是两性电解质 可形成两性离子，有等电点
        • 紫外吸收
          • 碱基有共轭双键，最大吸收值在260nm，核酸定量测定
      • 核酸生理功能
        • DNA是主要的遗传物质
          • DNA具有基因的所有属性，基因是DNA的一个片段 RNA病毒：RNA作为遗传物质，基因是RNA的一个片段
        • RNA功能的多样性
          • 控制蛋白质的生物合成
            • mRNA
              • 信使，携带DNA的遗传信息并起蛋白质合成的模板作用
              • 种类最多
            • rRNA
              • 装配者，构成蛋白质合成的场所核糖体，并起催化作用 tRNA：转换器携带氨基酸并起解译作用
              • 含量最多
            • tRNA
              • 转换器携带氨基酸并起解译作用
              • 稀有碱基最多
          • 作用于RNA转录后加工与修饰 基因表达与细胞功能的调节 生物催化与其他细胞持家功能 遗传信息的加工与进化
  • 核酸衍生物
    • 核苷5’-多磷酸化合物 环核苷酸 核苷5’多磷酸3’多磷酸化合物 辅酶核苷酸衍生物
    • 腺苷三磷酸（ATP)
      • 生理作用
        • ①是机体能量的暂时贮存形式。 ②是机体其它能量形式的来源，如糖原合成需UTP，蛋白质合成需GTP. 可生成第二信使cAMP参与激素作用。
        • 烟酰肢腺嘌岭二核苷酸（NAD)、 烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸（NADP)、 黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和辅酶A 含有腺嘌呤【记】
    • 腺苷3,5'-环磷酸和鸟苷3,5'一环磷酸是两种重要的第二信使。
  • 核酸聚合物
    • 牛脾磷酸二酯酶
      • 水解5-羟基形成的磷酸酯键
    • 蛇毒磷酸二酯
      • 水解3'羟基形成的磷酸酯键
    • 外切核酸酶

核酸的结构和功能

• DNA的结构和功能
  • DNA的一级结构
    • 核酸的共价结构 =一级结构=核酸的核苷酸序列（顺序）=碱基序列（顺序）
      • 核酸中核苷酸连接方式
        • 3’，5'—磷酸二酯键 核酸有方向性:5'末端→3'末端 磷酸二酯键走向C’3→ C’5
    • 由4种脱氧核糖核苷酸通过3'，5-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体
      • 由dAMP，dCMP，dGMP，dTMP构成 通常一个染色体就是一个DNA分子 最大的染色体>10bp，1x10＊11 人类基因组3×10＊9bp
  • DNA的双螺旋结构 （DNA的二级结构）
    • DNA的双螺旋结构模型
      • 依据
        • ①DNA是遗传物质，能够自我复制 ②大量的电位滴定和其它物化数据 ③Chargaff规则： DNA的碱基组成 A=T, G=C 且A+G=C+T; b d.年龄、营养状况、环境等因素无影响。 ④DNA分子的X衍射数据：Franklin和Wilkins
      • 特点
        • 两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕 形成右手双股螺旋
        • Pu与Py位于双螺旋内侧，磷酸和脱氧核糖在外侧 通过3'，5'-磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架 碱基平面⊥纵轴，糖环平面//纵轴 正向：磷酸二酯键的走向C'3→C'5,5'末端→3'末端 两条链配对偏向一侧，形成大沟和小沟
        • 平均直径约为2 nm相邻两个核苷酸夹角36°碱基堆积 距离为0.34 nm，每10 nt形成一个螺旋螺距为3.4 nm
        • 两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相联系而结合在一起。严格的配对规律，即A=T，G=C（更稳定） 这种配对关系，称为碱基互补
        • 碱基在一条链上的排列顺序不受限制，当一条链的序列被确定后，即可决定另一条互补链的序列遗传信息由碱基序列携带 第一次阐述了遗传信息的储存方式及DNA复制的机理，以准确的语言回答了DNA是如何成为遗传物质的
    • DNA组成的Chargaff规则
      • DNA的碱基组成
        • 有种属特异性，无组织和器官特异性
      • A=T；G=C：A+C=G+T； A+G-C+T 结果说明：A与T配对；G与C配对。
      • DNA 双螺旋的结构特征（B－DNA）
        • ①两条反平行多核苷酸链绕中心轴缠绕，右手螺旋 ②骨架：内侧碱基垂直于纵轴：外侧脱氧戊糖、磷酸3',5”-磷酸二酯键连接平行于轴纵，大沟宽 1.2nm 深0.85 nm；小沟宽0.6nm 深0.75 nm。 ③直径：2nm，二相邻碱基高度0.34 nm，二核苷酸夹角36度，有十个核苷酸一周高度为3.4 nm。 ④碱基互补配对：AT形成两个氢键：GC形成三个氢键 ⑤破基在一条链上的排列顺序不受任何限制，但其中一条链确定后，配对的另一 条链也相应地确定。
    • Dikerson 修正模型
      • 维持DNA双螺旋结构稳定性最主要的作用力
        • ①氢键 ②碱基堆积力（主） ③离子键 ④范德华力
      • DNA 二级结构的多态性
        • A型
          • 粗短，右手螺旋
        • B 型
          • 适中，右手螺旋（GCGC）
        • Z型
          • 细长，左手螺旋，（CGCG）
    • 稳定双螺旋结构的因素
      • ①碱基堆积力形成疏水环境 ②碱基配对的氢键。GC多，稳定 ③离子键。磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键,中和负电荷间的斥力，有助于DNA稳定 ④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击
    • K.Dickerson十二聚体晶体X射线衍射结果显示结构不均一
      • ①碱基夹角28°-42°，实际平均每周螺旋含10.4bp，各参数随序列不同而变化 ②螺旋桨状扭曲：提高碱基堆积力，结构稳定
    • 构象
      • A-DNA
        • 相对湿度75%的DNA钠盐纤维 右手双螺旋，粗短 RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子
      • Z-DNA
        • 细长，螺距4.56nm，直径1.8nm，12bp 主链zigzag排列，称为Z-DNA 单沟（小沟），狭而深 Z-DNA的形成通常在热力学上是不利的 与基因表达调控有关
  • DNA的三股螺旋和四股螺旋
    • H-DNA（三股螺旋）
      • 回文序列——反向重复 H回文结构——镜像重复
    • DNA还能形成四股螺旋，但只见于富含鸟嘌呤区
    • 在酸性条件或负超螺旋张力的情况下即发生B-DNA→H-DNA 的转变，生物学意义：H-DNA存在于基因调控区，如启动子S1核酸酶敏感区
  • DNA的三 级结构（DNA超螺旋结构）
    • 形成前提
      • 闭合环或两端固定（连接或与蛋白质的结合）， 构象处于能量最低状态结构最稳定
    • 环状 DNA三 级结构
      • 病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体。 外界力量可以挤紧或解松股旋。 解除外力又恢复构象，在闭合状态下增加或减少螺旋所产生的张力可使分子发生扭曲。
    • DNA 的解开双螺旋闭合分子扭曲负超螺旋；拧紧双螺旋闭合，分子扭曲正超螺旋。通常可以观察到三种形式的双链环状DNA分子
      • ①共价闭环DNA，这类DNA常呈超螺旋型。 ②开环DNA，双链环状DNA的一条链断裂，分子呈松弛态。 ③线状DNA，环状DNA双链均断裂。
    • 天然DNA为负超螺旋，负超螺旋易于解链 高压缩比证明超螺旋紧密程度有利于组成染色体
    • 环状DNA拓扑学特征
      • 拓扑异构酶
        • 改变 DNA拓扑异构体的L数
      • 拓扑异构酶I
        • 超螺旋 DNA转变为松弛型DNA，每次催化消除一个负超螺旋L增加1
      • 拓扑异构酶 Ⅱ（促旋酶）
        • 松弛型 DNA转变为超螺旋DNA，每次催化L减少2
  • 核小体
  • DNA贮存遗传信息
    • DNA是染色体的主要成分 DNA是细菌的转化因子 DNA是病毒遗传信息的载体
• RNA的结构和功能
  • RNA的一级结构
    • 3种一级结构的特点
      • rRNA
        • rRNA的甲基化多发生在核糖上 真核生物的rRNA中修饰核苷比原核生物多
      • tRNA
        • Mr25000， 73-93nt， 4S 3′ 末端具有CpCpAOH的结构, 5′ 末端多为pG也有pC
        • 含较多的修饰成分
      • mRNA
        • 真核
          • 单顺反子
          • 编码区和非编码区
          • 5 ′ 端有帽子( 5 ′Cap)——甲基化
            • 类型
            • 功能
              • 抗核酸酶的水解 与蛋白质合成起始有关
          • 3′ 端有多聚腺苷酸尾 polyA tail
            • 功能
              • 与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关 与mRNA的半寿期有关 提高mRNA在胞质中的稳定性
        • 原核
          • 多顺反子
          • 由多个编码区、5'-UTR（非翻译区)3'-UTR、间隔区组成
          • 无修饰碱基 转录与翻译是偶联的
    • A、U、G、C通过3，5磷酸二酯键连接， 链接碱基（AUCG）。糖基为核糖，没有侧链
  • RNA的高级结构
    • tRNA的二级结构（常考） 三叶草型
      • 额外环：tRNA分类的重要标志 氨基酸壁：携带aa DHU环：识别氨酰tRNA合成酶 反密码子环：识别密码子 T屮C环：核糖体
    • tRNA的三级结构（倒L型）
      • 二级结构不同部位的碱基间配对，折叠而成倒L型，胺酰tRNA合成酶结合于倒L型的侧臂上
    • rRNA
      • 二，三级结构
        • rRNA+蛋白质=核糖体
        • 单链RNA通过局部碱基配对构成二级结构和三级结构， 然后多种rRNA与蛋白质构成四级结构——核糖体
        • 核糖体上催化肽键合成的是rRNA 蛋白质只是维持rRNA的构象，起辅助作用
      • 其它RNA的高级结构
        • 游离的mRNA可产生高级结构
        • 锤头型、发夹型、丁型等结构：信号识别颗粒中4.5S RNA 的构象变化能够促进SRP蛋白 SRP受体间的可逆结合
        • RNA病毒与蛋白质外壳形成棒状或颗粒状结构
  • RNA功能的多样性
    • ①作为某些生物的遗传物质 ②控制蛋白质合成 ③作用于RNA转录后加工与修饰 ④基因表达与细胞功能的调节 ⑤生物催化与其他细胞持家功能 ⑥遗传信息的加工与进化
  • mRNA结构
    • 原核
      • 前者产生单顺反子mRNA，后者产生多顺反子mRNA，即一条mRNA链上有多个编码区
        • 都无修饰碱基
    • 真核
      • 真核生物的mRNA都是单顺反子，真核生物mRNA的5端有帽子结构，然3'端为聚腺苷酸poly（A）尾巴