生物化学思维导图——13.核酸的结构

快下载收藏！第3版王镜岩生物化学思维导图所有章节已完结，均为本人考研时所做，适用于生物、食品等方向考研生，同适用于各位生化期末考生！

核酸的结构

• 核酸的组成
  • 核酸——多聚核苷酸——磷酸+核苷——磷酸+（核糖+碱基），无分支结构
• 核苷酸
  • 碱基
    • 嘧啶碱p479结构
      • 化合物嘧啶的衍生物，一个六元环；T只存在于DNA，tRNA中少量存在；植物DNA中有相当量的5-甲基胞嘧啶，一些大肠杆菌噬菌体DNA中具5-羟甲基胞嘧啶
      • 类型
        • 胞嘧啶C（-NH2和=O）
        • 尿嘧啶U（2=O）
        • 胸腺嘧啶T（2=O和-CH3）
    • 嘌呤碱p479结构
      • 化合物嘌呤的衍生物，一个五元环和六元环结合体；生物界有很多嘌呤衍生物，如一些生物碱、植物激素、抗生素等
      • 类型
        • 腺嘌呤A（-NH2）
        • 鸟嘌呤G（- NH2和=O）
    • 稀有碱基（表13-2）
      • 大多数为甲基化碱基，tRNA中含有较多的稀有碱基，可高达10%；DNA中含4种稀有碱基；RNA稀有碱基含量较多，如DHC
  • 核苷nucleoside
    • 糖与碱基之间以N-C键相连，称为N-糖苷键，均为ß-糖苷键；即糖的C1与嘧啶碱的N1或嘌呤碱的N9（五元环上）相连
    • 碱基与糖环平面互相垂直
    • RNA中含有某些修饰和异构化的核苷，修饰碱基/核糖（如甲基化）
    • 假尿嘧啶核苷 ψ
      • tRNA中和rRNA中含有少量的假尿嘧啶核苷 ψ，核糖与尿嘧啶的C5相连；由特异的异构化酶催化尿嘧啶核苷转变而来
    • W（Y）核苷和Q核苷p480
  • 核苷酸
    • 核糖核苷的糖环上有3个自由羟基，能形成3种不同的核苷酸：2’-核糖核苷酸、3’核糖核苷酸、5’核糖核苷酸；脱氧核糖糖环上只有两个自由羟基，故只有3‘和5‘
    • 生物体内游离的核苷酸多为5’-核苷酸
    • 多磷酸核苷酸
      • 核酸合成前体、重要的辅酶、能量载体
        • 5’二磷酸核苷（5’-NDP），5’-三磷酸核苷（5’-NTP）（最常见的腺苷三磷酸ATP）
    • 环化核苷酸
      • 细胞功能的调节分子和信号分子
        • cAMP、cGMP
• 核酸的共价结构（即一级结构，核苷酸序列）
  • 核酸中核苷酸的连接方式
    • 牛脾磷酸二酯酶（3’端逐个降解3’-核苷酸）和蛇毒磷酸二酯酶（5’端逐个降解5’-核苷酸）
  • 核酸共价结构（一级结构）的表示方式p483
    • 竖线式（图13-1-2）
      • 竖线代表戊糖，B为碱基，P为磷酸基
        • 以字母代表核苷/核苷酸；5’端在左侧，3’端在右侧
    • 文字式
      • P在核苷左侧表示与C5’相连，在右侧表示与C3’相连
  • DNA的一级结构
    • 由数量极大的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，无支链
    • 不同生物比较
      • 病毒
        • 基因组小，十分紧凑，有些基因重叠
      • 细菌
        • 基因是连续的，无内含子，功能相关的基因组成操纵子，有共同的调节和控制序列，调控序列所占比例小，很少重复序列
      • 真核生物
        • 基因是断裂的，有内含子，无操纵子，调控序列所占比例大，有大量重复序列；越是高等大真核生物其调控序列和重复序列所占比例越大
        • 重复序列类型
          • 低拷贝重读
          • 中等程度重复
          • 高度重复
          • 反向重复
            • 回文结构
      • 人类
        • 真正用于编码蛋白质的序列仅占基因组的1.1%到1.4%；
        • 基因组中超过一半是各种类型的重复序列，其中45%是各种寄生的DNA（包括转座子和逆转座子等），3%为少数碱基的高度重复序列，5%为近期进化倍增的序列
  • RNA的一级结构
    • tRNA
      • 酵母丙氨酸tRNA是第一个被测定核苷酸序列的RNA，由76个核苷酸组成；
      • tRNA通常由73-93个氨基酸组成，沉降系数为4S；3’端皆为CpCpAOH，5’端多数为pG，pC
      • 含有较多稀有碱基，可达碱基数的10%-15%，增加了识别和疏水作用
      • 具有一些保守序列
    • rRNA
      • 不同生物比较
        • 细菌
          • 有5S、16S、23S三种，均由30SrRNA前体切割而来
          • 16S和23SrRNA分别有10个和20个甲基化核苷
        • 哺乳动物
          • 有5S、5.8S、18S、28S四种；5SrRNA单独合成，其余由45SrRNA前体切割而来
          • 5S无稀有碱基，可与tRNA、大亚基的rRNA和蛋白质识别和作用
          • 5.8S含有修饰核苷，如假尿嘧啶核苷和核糖被甲基化的核苷（Gm、Um），与细菌的5S有共同序列
          • 真核生物18S和28S分别有43和74个甲基化核苷，还有不少的假尿嘧啶核苷和修饰过的假尿嘧啶核苷
      • rRNA甲基化
        • 多发生在核糖上；真核生物rRNA的修饰核苷比原核生物要多
      • 作为核糖体骨架外，还分别与mRNA和tRNA作用，催化肽键的形成，促进蛋白质合成的正确进行
    • mRNA
      • 不同生物比较
        • 原核生物
          • 无修饰碱基
          • 多顺反子mRNA，一条mRNA链上多个编码区，5’端和3’端各有一段非翻译区UTR
        • 真核生物
          • 含少量甲基化碱基
          • 单顺反子；5’端有帽子结构，然后依次是5‘端非编码区、编码区、3‘端非编码区、3‘端聚核苷酸尾巴poly（A）
          • poly（A）
            • 是转录后经poly（A）聚合酶的作用添加上去的；功能与mRNA的核质运输，半寿期有关
          • 5’端帽子结构
            • 由甲基化鸟苷酸经焦磷酸和mRNA的5’末端核苷酸相连，形成5’，5’-三磷酸连接
            • 3种类型p484
              • O型、I型、II型（核糖甲基化的数目）
            • U系列的核内小RNA（snRNA），如U1-U5 snRNA，也有5’端帽子结构，帽子结构为三甲基鸟苷三磷酸；动植物病毒有些也有
• DNA的高级结构
  • DNA碱基组成的Chargaff规则
    • A=T，G=C，A+G=C+T，A+C=G+T
  • DNA的二级结构（*）
    • 用针从浓的DNA溶液中抽出纤维，可使DNA分子成束排列，用X射线晶体衍射测定其结构
    • DNA分子双螺旋模型（Watson&Crick）
      • 两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴相互缠绕，均为右手螺旋
      • 嘌呤碱和嘧啶碱位于内侧，核糖和磷酸位于外侧，彼此3’，5’-磷酸二酯键连接形成分子骨架；碱基平面和纵轴（中心轴）垂直，糖环平面平行；C3’——C5’为正向；两条链配对偏向一侧形成大沟和小沟
      • 双螺旋平均直径在2nm；两个碱基对相对的高度（碱基堆积距离）为0.34，两个核苷酸之间的夹角为36˚；沿中心轴每旋转一周有10个碱基对，每一转高度（螺距）为3.4nm
      • 两条核苷酸链通过碱基之间形成的氢键连接
      • 碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制
    • K.Dickerson提出改进
      • 两个碱基间夹角28˚-42˚不等；每一螺周含10.4个碱基对；分子大小的各个参数随序列不同有变动
      • 组成碱基对的两个碱基并非分布在一个平面上，而是沿着长轴旋转一定角度。形成螺旋桨状扭曲
    • DNA结构受到环境条件的影响而改变
      • 结构类型p489 表13-6
        • A、B、C、D、E和左手螺旋的Z型；A、B型为DNA基本的两种构像，Z型较为特殊，其余各型接近B型
        • B型
          • Watson&Crick的为B型，代表DNA钠盐在较高的湿度（92%）制得的纤维的结构；C3’内式；反式；
          • 碱基对倾斜角小，大沟比小沟宽，深度接近
        • A型
          • 相对湿度在75%以下，螺体较宽而短，碱基对和中心轴的倾角19˚；C2’内式；反式；
          • 碱基对倾斜大，偏向双螺旋的边缘，深而狭的大沟和宽而浅的小沟
          • RNA局部双螺旋区和RNA-DNA杂交双链也具有与A-DNA相似的结构
        • 顺式和反式
          • 碱基平面绕N-糖苷键旋转；反式为嘌呤的六元环或嘧啶的O之乡远离糖的方向
        • 外式和内式
          • 呋喃糖环并非平面，糖环上一个或两个原子偏离平面，糖环因此折叠，折叠偏向C5’侧为内式
        • Z型
          • 12个碱基对一圈，螺距4.56nm，碱基对移向边缘，只有小沟，大沟被胞嘧啶的C5和鸟嘌呤的N7和C8原子填充
          • dC是C2’内式，碱基反式；dG为C3’内式，碱基顺式
      • 影响因素
        • 相对湿度，溶液的盐浓度，离子种类，有机溶剂等
        • B型变A型
          • 增加NaCl浓度
        • Z型形成
          • Z型序列必需出现鸟嘌呤，并且嘧啶碱和嘌呤碱交替出现，在此条件下存在盐和有机溶剂可促进Z型形成
          • DNA甲基化，使大沟表面的胞嘧啶形成5-甲基胞嘧啶，B型转化为Z型
    • 三股螺旋
      • Hoogsteen配对
        • 一条同型寡核苷酸和寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合，第三股碱基和嘌呤碱形成Hoogsteen配对
        • 类型
          • 分子间三股螺旋
          • 分子内三股螺旋
            • 铰链DNAp490 图13-11
              • DNA的一段多聚嘧啶核苷酸或多聚嘌呤核苷酸组成的镜像重复，回折产生H-DNA
              • 该重复序列称H回文结构
  • DNA的三级结构（拓扑学结构）
    • 正常的DNA分子额外地多转几圈或少转几圈，就会使双螺旋存在张力，若是DNA分子两端固定，或是环状分子，这种额外的张力就不能释放掉，DNA分子本身发生扭曲，用于抵消张力
    • 环状DNA的不同构象
      • 松弛环状 L=25，T=25，W=0
      • 解链环状 L=23，T=23，W=0
      • 负超螺旋 L=23，T=25，W=-2
    • 一些重要的拓扑学特征
      • 连环数L
      • 扭转数T
      • 超螺旋束/缠绕数W
      • L=T+W
      • 比连环差 λ=（L-L0）/L0
        • 表示DNA的超螺旋程度
    • 拓扑异构体之间的转变
      • 拓扑异构酶
        • 改变拓扑异构酶的L值
        • 类型
          • I型
            • 每次催化L+1
          • II型（促旋酶）
            • 每次催哈L-2
  • DNA与蛋白质复合物的结构
    • 生物体的核酸通常与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白形式存在
    • 病毒
    • 细菌的拟核
    • 真核生物的染色体p495 图13-17
      • 压缩
• RNA的高级结构
  • RNA通常为线型分子，可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构），除了tRNA，几乎全部细胞中的RNA都与蛋白质形成核蛋白复合体（四级结构）
  • 核蛋白复合物：核糖体、SRP信号识别颗粒，拼接体，编辑体
  • tRNA的高级结构
    • 二级结构：三叶草形
      • 氨基酸臂
        • 富含G，末端为CCA，接受活化氨基酸
      • 二氢尿嘧啶环
        • 具有两个氢尿嘧啶，通过3-4对碱基组成的双螺旋区与tRNA分子其余部分相连
      • 反密码环
        • 环中部为反密码子，由3个碱基组成；雌黄嘌呤核苷酸（肌苷酸）常出现在反密码子中
      • 额外环
        • tRNA分类指标
      • T ψC环
    • 三级结构；L型
  • rRNA的高级结构
    • 核酶
  • 其它RNA的高级结构
    • 迄今为止已知的8种核酶的结构p499