生物化学和分子生物学第二章

核酸的结构与功能，包含核酸的化学组成及其以及结构、核酸的理化性质、RNA的结构与功能等内容，需要可收藏。

生化第二章—核酸的结构与功能

• 核酸的理化性质
  • 核酸的一般理化性质
    • 核酸的酸碱及溶解度性质
      • 核酸为多元酸，具有较强的酸性。
    • 核酸的高分子性质
      • 粘度：DNA>RNA dsDNA > ssDNA
      • 沉降行为:不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础。
  • 紫外吸收
    • 🌟核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。这一特性常用作核酸的定性和定量分析。
    • 紫外吸收的应用
      • DNA或RNA的定量
        • A260=1.0相当于 50ug/ml双链DNA(dsDNA) 40ug/ml单链DNA(sSDNA or RNA) 20ug/ml寡核苷酸
      • 确定样品中核酸的纯度
        • 纯DNA:A260/A280=1.8
        • 纯RNA:A260/A280=2.0
  • DNA变性
    • 定义
      • 在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程。
      • DNA变性的本质是双链间氢键的断裂。
    • DNA解链时的紫外吸收变化
      • 增色效应(hyperchromic effect)：DNA变性时其溶液OD260增高的现象。
    • DNA的解链曲线
      • 连续加热DNA的过程中以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为解链曲线。
      • 解链温度(melting temperature，Tm)
        • 解链过程中，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。
      • 解链曲线的变化
        • G＋C含量越高,解链温度就越高。
    • 当变性条件缓慢地除去后,两条解离的互补链可重新配对,恢复原来的双螺旋结构,这一现象称为DNA复性(renaturation)。
    • 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火annealing)
    • 减色效应:DNA复性时,其溶液OD260降低。
  • 核酸分子杂交(hybridization)
    • 不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链(heteroduplex)。
    • 这种杂化双链可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA和RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交。
    • 核酸分子杂交的应用
      • 研究DNA分子中某一种基因的位置。
      • 鉴定两种核酸分子间的序列相似性。
      • 检测某些专一序列在待检样品中存在与否。
• DNA的空间结构与功能 构成DNA的所有原子在三维空间具有确定的相对位置关系
  • DNA的二级结构
    • 双螺旋结构模型要点 DNA是反向平行、右手螺旋的双链结构
      • 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行(anti-parallel)。两条链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺 旋(right-handed)的结构。
      • 脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。
      • 双螺旋结构的表面形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。
      • 螺距为3.54nm，结构的直径为2.37nm
    • DNA双链之间形成了互补碱基对
      • 碱基配对关系称为互补碱基 (complementary base pair).
      • DNA的两条链则互为互补链 (complementary strand).
      • 碱基对平面与螺旋轴垂直。
      • 双螺旋一圈约为10.5个碱基对,每两 个相邻碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm
      • 碱基互补配对
        • 鸟嘌呤/胞嘧啶C—G
        • 腺嘌呤╱胸腺嘧啶T—A
    • 骨架与碱基
      • 亲水性的骨架位于双链的外侧。
      • 疏水性的碱基位于双链的内侧。
    • 疏水作用力和氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。
      • 相邻两个碱基对会有重叠(产生范德华力),产生了疏水性的碱基堆积力(base stacking interaction),维持了纵向的稳定
      • 碱基堆积力和互补碱基对的氢键(维持横向稳定)共同维系着DNA结构的稳定。
    • DNA的多链结构
      • Hoogsteen氢键
        • 在酸性的溶液中,胞嘧啶的N-3原子被质子化,可与鸟嘌呤的N-7原子形成氢键;同时,胞嘧啶的N-4的氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键,这种氢键被称为Hoogsteen氢键。
        • Hoogsteen氢键,不破坏WatsonCrick-氢键,由此形成了C＋ GC的三链结构(triplex)
        • 三链结构
        • 四链结构
          • 鸟嘌呤之间通过8个 Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)
          • 真核生物DNA3＇-末端是富含GT的多次重复序列,因而自身形成了折叠的四链结构。
  • DNA的高级结构
    • 超螺旋结构(superhelix 或supercoil) DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
      • 原核生物DNA的环状超螺旋结构
        • 原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。
      • 真核生物DNA的高度有序和高度致密的结构
        • 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。
        • 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质(chromatin)形式存在，在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体(chromosome)。
        • 真核生物的染色体 两个功能区
          • 端粒(telomeres):染色体末端膨大的粒状结构,由染色体末端DNA(端粒DNA)与DNA结合蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿 瘤的发生发展相关。
          • 着丝粒(centromere): 两个染色单体的连接位点,富含A、T序列。细胞分裂时,着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。
        • DNA染色质呈现出的串珠样结构。
        • 染色质的基本单位是核小体(nucleosome)
          • 核小体的组成
        • 核小体串珠样的结构
        • 双链DNA的折叠和组装
          • DNA经过多次折叠,被压缩了8000~10000倍,约2米长染色体DNA组装在直径只有为数微米的细胞核内。
    • 负超螺旋(negative supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反。
    • 正超螺旋(positive supercoil) 盘绕方向与DNA双螺旋方同相同。
  • DNA的功能
    • DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息,并作为基因复制和转录的模板。一方面基因遗传,另一方面基因表达。
    • 基因从结构上定义,是指编码有功能的蛋白质或合成RNA所必须的完整序列。
    • 基因组,一个生物个体所有遗传信息的总和,亦即DNA分子的全序列(部分病毒除外)。
    • 人类基因3-3.5万,DNA为3.0*10bp
• RNA的结构与功能
  • RNA是DNA的转录产物
    • RNA与蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。
    • RNA通常以单链的形式存在,但有复杂的局部二级结构或三级结构。
    • RNA比DNA小的多
  • RNA的种类、大小和结构远比DNA表现出 多样性。
    • 调控性非编码RNA：具有调控基因表达的作用,其丰度随外界环境和细胞性状发生改变。
    • 组成性非编码RNA：确保实现基本生物学功能,丰度基本恒定
    • 编码RNA:核苷酸序列可以翻译成蛋白质。
    • 非编码RNA(ncRNA):不编码蛋白质
  • RNA的种类，分布，功能
  • tRNA是蛋白质合成中的氨基酸载体
    • 转运RNA(transfer RNA,tNA)在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体,将氨基酸转呈给mRNA.
      • 由74~95核苷酸组成;
      • 占细胞总RNA的15%;
      • 具有很好的稳定性。
    • tRNA中含有多种稀有碱基
    • tRNA具有特定的空间结构
      • tRNA具有局部的茎环(stem-loop)结构或发卡(hairpin)结构。
      • tRNA的二级结构——三叶草形
        • TψC环（假尿嘧啶和甲基化）
        • DHU环（双氢尿嘧啶）
        • 氨基酸臂
        • 反密码环
        • 附加叉
      • tRNA的倒L三级结构
      • tRNA的3＇-端连接着氨基酸
        • 氨基酸在相对应的氨基酰合成酶催化下连接在3＇-端A的 C3＇-OH上。
        • 一种tRNA只能携载一种氨基酸;一种氨基酸可以被多种tRNA所携载。
        • 连接在tRNA上的氨基酸才可以用来进行蛋白质的生物合成。
      • tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子
        • 反密码子环中的三个核苷酸构成了一个反密码子(anti-codon-)。
        • 反密码子与mRNA的密码子通过 Watson-Crick碱基互补配对识别。
  • 信使RNA
    • 信使RNA(messenger RNA,mRNA)是合成蛋白质的模板。种类最多,更新最快。
    • 细胞核内新生成的mRNA初级产物——不均一核RNA(hnRNA)含有内含子(intron)和外显子(exon)。 外显子是氨基酸的编码序列,而内含子是非编码序列。
    • 真核生物细胞核内的hnRNA经过剪切和加工过程，剔除内含子，连接外显子，成为成熟的mRNA
    • 成熟的真核生物mRNA
      • 从AUG开始,每三个核苷酸为一组编码了一个氨基酸,称为三联体密码(codon)
      • 成熟的mRNA由氨基酸编码区和非编码区构成。
      • 5＇-末端的帽子(cap)结构和3＇-末端的多聚A尾(poly-tail)结构
    • mRNA的核苷酸序列决定了蛋白质氨基酸的排列顺序
      • 从mRNA分子5末端起的第一个AUG开始,每3个核苷酸为一组称为密码子(codon)或三联体密码(triplet code)
      • 位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框(open reading frame,ORF),决定了多肽链的氨基酸序列。
    • 大部分真核细胞mRNA的5'末端都以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷为起始结构
      • mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein，CBP)结合。
      • 帽子结构:m7GpppNm（7-甲基鸟苷）
      • 第一个核苷酸的2＇上也有甲基
    • 在真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸结构
      • 真核生物的mRNA的3＇-末端转录后加上一段长短不一的聚腺苷酸。
    • 帽子结构和多聚A尾的功能
      • mRNA核内向胞质的转位
      • mRNA的稳定性维系
      • 翻译起始的调控
  • 核糖体RNA
    • 核蛋白体RNA(ribosomal RNA，rRNA)是细胞内含量最多的RNA(>80％)。
    • rRNA与核蛋白体蛋白结合组成核蛋白体(ribosome)，为蛋白质的合成提供场所。
    • 核蛋白体的组成
• 核酸的化学组成及其一级结构
  • 核酸组成
    • 核 酸(nucleic acid) 是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。
    • 元素组成
      • C，H，O，N，P（9-10％）
    • 核酸（DNA和RNA）
      • 核苷酸
        • 磷酸
        • 核苷和脱氧核苷
          • 戊糖
            • 核糖
            • 脱氧核糖
          • 碱基
            • 嘌呤
            • 嘧啶
  • 核酸的一级结构
    • 定义：核酸中核苷酸的排列顺序。 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同,所以也称为碱基序列。
    • 书写方法
  • 核苷酸是核酸的基本组成单位 核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成核苷酸(ribonucleotide)或脱氧核苷酸(deoxyribonucleotide)。
    • 核苷
      • 嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1＇通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside）
    • 碱基 碱基(base)是含氮的杂环化合物。
      • 嘌呤
        • 腺嘌呤
        • 鸟嘌呤
      • 嘧啶
        • 胸腺嘧啶→仅存在于DNA中
        • 尿嘧啶→仅存在于RNA中
        • 胞嘧啶
    • 核苷酸衍生物 环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使。
    • 多磷酸核苷酸
    • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸, nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+)
      • 生物氧化体系的重要成分,在传递质子或电子的过程中具有重要的作用。
  • 脱氧核糖核酸 脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接形成的生物大分子
    • 一个脱氧核苷酸3＇的羟基与另一个核苷酸5＇的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond).
    • 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,称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxynucleotide),即DNA链。
    • DNA链的方向为5＇→3＇ 交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架
  • 核糖核酸
    • 与DNA类似,RNA也具有方向性的线性大分子
    • RNA也是多个核苷酸分子通过磷酸二酯键形成的线性大分子,并且具有方向性;
    • RNA的戊糖是核糖;
    • RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。