导图社区 核酸的结构与功能
《生物化学与分子生物学》中核酸的结构与功能部分笔记整理。
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核酸的结构与功能
核酸的化学组成以及一级结构
核苷酸和脱氧核糖核苷酸是构成核酸的基本组成单位 （主要元素：C，H，O，N，P；P约9～10％，可用于核酸定量分析）
核苷
碱基（含N的杂环化合物） DNA：A，G，C，T；RNA：A，G，C，U
嘌呤
腺嘌呤（A）
鸟嘌呤（G）
嘧啶
尿嘧啶（U）
胸腺嘧啶（T）
胞嘧啶（C）
核糖（DNA：β-D-脱氧核糖；RNA：β-D-核糖）
区别在于C-2'原子锁连的基团
C-1'上是-OH是半缩醛羟基，有较高的活性
脱氧核糖比核糖更稳定
磷酸
核苷or脱氧核苷C-5'原子上的羟基与磷酸反应，脱水形成一个磷脂键
😈
核苷一磷酸NMP
核苷二磷酸NDP
高能磷酸化合物
核苷三磷酸NTP
酸酐键：α-磷原子和β-磷原子、β-磷原子和-磷原子之间是酸酐键连接的
游离核苷酸及其衍生物参与的重要生理过程
①核苷酸是细胞内化学能的载体（主要来自核苷三磷酸（主要是ATP，ATP是重要的能量载体））
②环化核苷酸是细胞信号传导的第二信使
③有很多生理活性物质（酶）含有核苷酸，eg. NAD+，FAD等
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
3'端：3'-羟基；5'端：5'-磷酸基团
3'，5'-磷酸二酯键
方向：5'到3'
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
核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
从5'-端至3'-端的排列顺序（碱基序列）
寡核苷酸：长度短于50个核苷酸的核酸片段
DNA的空间结构与功能
DNA的二级结构是双螺旋结构
DNA双螺旋结构的实验基础
Chargaff规则①②③④
富兰克林和克里克，通过DNA分子X线衍射照片，得出DNA分子双螺旋结构
DNA双螺旋结构模型的要点
DNA由两条多聚脱氧核苷酸链的组成
右手螺旋（B型），反向平行
双螺旋结构的直径：2.37nm；螺距：3.54nm
DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对
A—T（两对氢键）；C—G（三对氢键）
每一个螺旋有10.5个碱基对；碱基对平面之间的垂直距离：0.34nm
碱基对平面和氢键方向都与螺旋轴垂直
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
亲水性骨架（外侧）：多聚脱氧核苷酸链的脱氧核糖和磷酸基团
疏水性（内侧）：碱基对
大沟；小沟
相间排列；是被蛋白质识别、结合的位点
两个碱基对平面重叠产生了碱基堆积作用
碱基堆积作用力：碱基对的疏水作用力
方向：与螺旋轴垂直，纵向
碱基堆积力与互补链之间碱基对的氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定
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
eg. 湿度降低后变成右手螺旋（A型-DNA）；还发现了存在左手螺旋的DNA（Z型-DNA）
DNA的多链结构
三链结构
端粒
人端粒区的碱基序列：（TTAGGG）n
G-四链结构
保护端粒的完整性
DNA双链经过再盘绕折叠形成致密的高级结构
超螺旋结构
正超螺旋：盘绕反向与DNA双螺旋反向相同
负超螺旋结构：相反
自然界中主要是以负超螺旋结构形式存在
封闭环状的DNA具有超螺旋结构
原核生物：负超螺旋结构的DNA双链只能以封闭环状的形式或在与蛋白质结合的条件下存在
线粒体DNA也是具有封闭环状的双螺旋结构
真核生物DNA被逐级有序地组装成高级结构
染色质：大部分时间，松散；染色体：细胞分裂期间，高度致密
染色质纤维（串珠状结构） （核小体核心颗粒+DNA双链）
核小体（染色质的基本组成单位）
核心颗粒 （DNA在核心组蛋白上盘绕1.75圈）
核心组蛋白
组蛋白（H2A×2；H2B×2，H3×2，H4×2）
DNA
146bp的DNA
组蛋白H1×1
组蛋白结合在盘绕在核心组蛋白上的DNA双链的进出口处（可稳定核小体结构）
连接DNA
连接相邻核小体之间的一段DNA
染色体端膨大的粒状结构，由染色体端DNA（也称端粒DNA）与DNA结合蛋白共同构成
由简单重复序列构成，人的端粒DNA的重复序列是TTAGGG，以G-四链体的结构存在
作用：①维持染色体结构的稳定性；②维持复制过程中的DNA完整性；③衰老和肿瘤的发生
着丝点
两个染色单体的连接位点
细胞分裂时，着丝点可分开使染色体均等有序地进入子代细胞
DNA是主要的遗传物质
①DNA是生物体遗传信息的载体，②并为基因复制和转录提供的模板。③它是生命遗传的物质基础，④也是个体生命活动的信息基础。
基因组
指包含在该生物的DNA（部分病毒除外）中的全部遗传信息，即一套染色体中的完整的核苷酸序列
RNA的空间结构与功能
mRNA是蛋白质生物合成的模板 （2％～5％，丰度最小，种类最多）
分类
核不均一RNA(hnRNA)
细胞核内新生的的mRNA初级产物
snRNA
参与hnRNA的剪接
mRNA
HnRNA经过一系列的修饰剪接后成为成熟的mRNA
真核细胞mRNA的5'-端有帽结构
大部分真核生物mRNA的5'-端都有一个反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷（m7Gppp）的起始结构，称5'-帽结构
与3'-多聚（A）尾结构共同负责mRNA从细胞核向细胞质的转运、维持mRNA的稳定性以及翻译起始的调控
真核细胞和有些原核细胞mRNA的3'-端有多聚腺苷酸尾的结构
真核生物mRNA的3'-端是一段由80～250个腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾或多聚（A）尾结构
与5'-帽结构共同负责mRNA从细胞核向细胞质的转运、维持mRNA的稳定性以及翻译起始的调控
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
初级转录产物lnRNA含有许多交替相隔的外显子和内含子
外显子
构成mRNA的序列片段
内含子
非编码序列
内含子被剪切掉，外显子连接在一起，再经过加帽和加尾修饰后，lnRNA成为成熟mRNA
开放阅读框
位于起始密码子与终止密码子之间的核苷酸序列
mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体 （15％，分子量最小，最稳定的空间结构）
①tRNA含有多种稀有碱基
②tRNA具有特定的空间结构（倒L形）
TψC环
反密码子环
DHU环
氨基酸臂（-CCA-OH）
③tRNA的3'-端连接着氨基酸（简并性）
④tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子
以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所 （含量最多，80+％，有确定的种类和保守的核苷酸序列）
组成性非编码RNA是保障遗传信息传递的关键因子
核酸的理化性质
RNA分类
编码RNA （从基因组上转录而来，其核苷酸序列可以翻译成蛋白质的RNA）
信使RNA（mRNA）
非编码RNA （不编码蛋白质）
组成性非编码RNA（丰度基本恒定） （确保实现基本生物学功能的RNA）
转运RNA（tRNA）
核糖体RNA（rRNA）
…
调控性非编码RNA（丰度会改变） （调控作用）
多聚核苷酸的化学结构式
核糖和脱氧核糖的化学结构式
嘌呤和嘧啶的化学结构式
