核酸（DNA和RNA）的结构，性质等

在生物化学中学习，DNA和RNA的结构组成，以及它们的性质与功能。DNA基因相关的内容。核酸是脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的总称，是由许多核苷酸单体聚合成的生物大分子化合物，为生命的最基本物质之一。核酸是一类生物聚合物，是所有已知生命形式必不可少的组成物质，是所有生物分子中最重要的物质，广泛存在于所有动植物细胞、微生物...

核酸

• 核酸的组成成分
  • 内容:核酸经部分水解生成核苷酸，核苷酸部分水解生成核苷和磷酸，核苷可以水解生成戊糖和含氮碱基。
  • 戊糖
    • RNA和DNA两类核酸是因所含的戊糖不同而分类。 RNA含D-核糖，DNA含D-2-脱氧核糖。
    • 在核酸中，戊糖的第一位碳原子与碱基形成糖苷键，形成的化合物称核苷。
  • 含氮碱
    • 在生理pH下，核苷酸和核酸大分子中的含氮碱主要为酮式
    • DNA:腺嘌呤A，鸟嘌呤G，胞嘧啶C，胸腺嘧啶T
    • RAN:腺嘌呤A，鸟嘌呤G，胞嘧啶C，尿嘧啶U
    • 其他少量修饰碱，核酸中的修饰碱多是4种主要碱基的衍生物。
    • 常见含氮碱的结构
  • 核苷
    • 组成:是戊糖和含氮碱生成的糖苷
    • 常用字母:A,G,C,U表示。
      • 脱氧核苷在单字母符号前加一小写d（dA,dG,dC,Dr)
  • 核苷酸
    • 核苷酸的结构和功能
      • 结构
        • 核苷中的核糖有3个自由的羟基，均可以被磷酸酯化 别生成2’-，3’-和5’-核苷酸
        • 脱氧核苷的五碳糖上只有2个自由羟基，只能生成3′-和5’-脱氧核苷酸
      • 功能
        • 腺苷酸（AMP)与一分子磷酸结合，生成二磷酸腺苷(adenosine diphosphate，ADP)，ADP 再与一分子磷酸结合，生成三磷酸腺苷( ATP)
        • 还是一些辅酶的结构成分
        • 一些多磷酸核苷和多磷酸寡苷类对代谢有重要调控作用
    • 性质
      • ①核苷酸的碱基具有共轭双键结构，故核苷酸在260nm左右有强吸收峰。
      • ②由于碱基的紫外吸收光谱受碱基种类和解离状态的影响，利用碱基紫外吸收的差别，可以鉴定各种核苷酸。
      • ③核苷酸的碱基和磷酸基均含有解离基团，各核苷酸含氮环的解离度有明显差别。
        • 分别为CMP(+0.84)>AMP(+0.54)>GMP(+0.05)>UMP(0) 核苷酸 带负电荷的多少各不相同。
• 核酸的一级结构
  • 各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的序列称为核酸一级结构
• DNA的二级结构
  • E•Chargaff
    • 对于不同来源的DNA 进行碱基定量分析，得出DNA4 中碱基的比例关系
    • 以摩尔含量表示，不同来源的DNA 都存在这种关系
  • DNA 双螺旋结构的要点
    • 1①DNA分子由两条方向相反的平行多核酸链构成一条链的5端与另一条链的3端相对，两条链的糖-磷酸交替排列形成的主链沿共同的螺旋轴扭曲成右手螺旋
    • ②两条链上的碱基均在主链内侧，一条链上的A一定与另一条链上的T配对，G一定与C配对。
    • ③成对碱基大致处于同一平面，该平面与螺旋轴基本垂直
    • ④由于碱基对并不处于两条主链的中间，而是向一侧突出，碱基对糖苷键的键角使两个戊糖之间 的窄角为120°，广角为240°。
      • 碱基对上下堆积起来，窄角的一侧形成小沟(minor groove)，广角的一侧 形成大沟(major groove)。
    • ⑤大多数天然 DNA属双链DNA(doublestrand DNA，dsDNA)，某些病毒如ФX174和M13的DNA为单链DNA(single strand DNA, ssDNA)
    • ⑥双链DNA分子主链上的化学键受碱基配对等因素影响旋转受到限制，使DNA分子比较刚硬，呈比较伸展的结构。
    • DNA 双螺旋的稳定因素
      • 碱基对间的氨基和内酰胺形成的分子内氢键
      • 碱基对疏水芳香环堆积产生的作用力和堆积的碱基对间的范德华力
  • DNA二级结构的其他类型
    • ZDNA
      • 左手双螺旋，在主链中各磷酸根成锯齿状排列，如之字型。
      • 是DNA 单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所形成的
    • B-DNA
      • Watson和 Crick 依据相对湿度92%的DNA钠盐所得到的X射线衍射图提出的双螺旋结构称B-DNA(B form DNA)
      • B-DNA的糖环构象为C-2’内式构象
    • A-DNA
      • 相对湿度为75%的DNA钠盐结构有所不同，称 A-DNA(A form DNA)，A-DNA 的碱基平面倾斜了20°
      • A-DNA 的糖环构象 为C-3’内式构象。
• DNA的高级结构
  • 环状DNA的超螺旋结构
    • 特点
      • 在生物体内，绝大多数双链环形DNA可进一步扭曲成超螺旋DNA 这种结构还可被 称为共价闭环 DNA
      • 若超螺旋DNA的一条链断裂，分子将释放扭曲张力，形成开环DNA，若超螺旋DNA的两条链均断裂，就会转化为线形DNA
      • 超螺旋DNA具有更为致密的结构，可以 将很长的DNA分子压缩在一个较小的体积内，同时也增加了DNA的稳定性。
    • 分类
      • 能使双螺旋圈数减少的超螺旋称作负超螺旋DNA
      • 在环状 DNA的两条链均不断开的情况下，若双螺旋进一步解开，即会形成 左手超螺旋，称正超螺旋DNA
    • 描述方法
      • 为了更好地描述超螺旋DNA，将DNA中一条链绕另一条链的总次数定义为连环数 ，双螺旋的圈数定义为扭转数 ，超螺旋数定义为缠绕数 ，则三者的关系式为:L=T+W(White方程)。
  • 真核生物染色体结构
    • 真核细胞的染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子，由于与组蛋白结合，其两端不能自由转力。双螺 DNA分子先盘绕组蛋白形成核小体 或称核粒。
    • 常染色质:压缩程度较低，转录活性较高
    • 异染色体:压缩程度较高，转录活性较低
    • 染色体中含有多种非组分蛋白
• DNA和基因组
  • 基因和基因组概念
    • 遗传学将DNA分子中最小的功能单位称作基因
    • 某物种所含的全套遗传物质称该生物体的基因组
  • 病毒和细菌基因组的特点
    • 共同点
      • ①基因组较小，通常只有一个环形或线形的DNA分子。
      • ②基因组的大部分序列是用来编码蛋白质的，基因之间的间隔序列很短。
      • ③功能相关的基因常串联在一起，由共同的调控元件调控，并转录成同一mRNA分子，可指导多 种蛋白质的合成，这种结构称操纵子(operon)，
    • 病毒基因组特点
      • ①病毒基因组可以由DNA或RNA组成，但每种病毒只含有一种核酸。
      • ②不少病毒RNA为遗传物质，称作RNA病毒，可分为4类。
        • ❶正链病毒 ❷负链病毒 ❸双链病毒 ❹逆转录病毒
      • ③有重叠基因 ，即一段核酸序列可以编码多个肽链。
    • 细菌基因组特点
      • ①细菌的“染色体”通常由一个环形或线形DNA分子组成，只有一个复制起点。
      • ② 编码蛋白质的基因为单拷贝的，但rRNA基因一般是多拷贝的。
      • ③基因组中有多种调控区和少量重复序列，调控元件比病毒复杂，但比真核生物简单，重复序列比真核生物少得多。
      • ④ 基因组中存在与真核生物类似的可移动DNA序列(转座子)。
  • 真核生物基因组特点
    • ⑴基因组较大
    • ⑵不存在操作子结构
    • ⑶存在大量的重复序列
      • ①高度重复序列
      • ②中度重复序列
      • ③低度重复序列
      • ④单一序列
    • ⑷有断裂基因
• 核酸的序列测定
  • 链终止法测序技术
    • 技术基础
      • ①用凝胶电泳分离DNA单链片段时，小片段移动快，大片段移动慢，用适当的方法可分离分子大小仅差一个核苷酸的DNA片段。
      • ②用合适的聚合酶可以在试管内合成单链DNA模板的互补链
  • 新一代高通量测序技术特点
    • 是用循环芯片测序法，即对布满DNA样 的芯片进行序列测定。
    • 不需要荧光标记的引物或探针，不需要克隆挑取和质粒提取，也不需要进行电泳，使测序所需时间大大缩 短。
• 核酸的性质和研究方法
  • 一般理化性质
    • ①核酸和核茸酸既有磷酸基，又有碱性基团。所以都是两性物质。因磷酸的酸性较强，核酸和核苷酸 通常为酸性。
    • ②DNA纯品为白色纤维状固体RNA纯品为白色粉末。
    • ③二者均微溶于水，不溶于一般有机溶剂
    • ④DNA溶液的黏度极高，RNA溶液的黏度要小得多。
    • ⑤RNA能在室温条件下被稀碱水解 DNA由于不存在2’-OH，不能被稀碱水解
  • 紫外吸收性质
    • 核酸中的嘌呤环和嘧啶环的共轭体系强烈吸收250/290nm波段的紫外线，其最高的吸收峰接近260 nm, RNA与DNA的吸收光谱差别不大。
      • 核酸最高峰260nm;DNA最高吸收峰280nm
    • 若将核酸水解为核苷酸，紫外吸收值通常增加30%~40%，这种现象被称作增色效应
  • 核酸结构的稳定原因
    • ⑴碱基对间的氢键
    • ⑵碱基堆积力
    • ⑶环境中的正离子
  • 核酸的变性
    • ⑴变性的概念和Tm
      • 双链核酸的变性 指双螺旋区氙键断裂、空同结构破 坏，形成单链无规线团状态的过程
      • DNA的热变性是个突变过程，类似结晶的熔解，因此将紫外吸收的增加量达最大增量一半时的温度值称熔解温度Tm
    • ⑵影响Tm的因素
      • ①DNA序列的复杂性越小 T的温度范围越小。
      • ②G-C含量越高，Tm的值越大。
        • 马默多蒂 公式: T=69.3+0.41(G+C)%,或(G+C)%=(T-69.3) x2.44
      • ③离子强度较低的介质中, Tm较低
      • ④高温下，碱基广泛去质子而丧失形成氢键的能力。
      • ⑤甲酰胺、尿素、甲醛等变性剂可破坯氢键妨碍碱基堆积，使Tm下降。
  • 核酸的复性
    • ⑴概念
      • 变性核酸的互补链在适当条件下重新缔合成双螺旋的过程称复性
    • 影响复性速度的因素
      • ①复性的温度（Tm-25°C是较适合的复性温度）
      • ②单链片段的浓度（浓度越高，复性越快）
      • ③单链片段的长度（片段越大，复性越慢）
      • ④单链片段的复杂度（复杂度越小，复性越快）
      • ⑤溶液的离子强度
  • 核酸分子杂交的DNA芯片
    • 在退火条件下，不同来源的DNA互补区形成双链，或DNA单链和A单链的互补区形成DNA- RNA杂合双链的过程称分子杂交
    • 分子杂交种类
      • Southern 印迹法或 Southern 杂交
      • Northern 印迹法或 Northern 杂交
• RNA的结构和功能
  • RNA分子中有40%~70%的核苷酸参与了双旋的形成，所以RNA分子可以形成多环多臂的一级结构
  • tRNA的特性
    • ①以76nt的tRNA分子为标准，超过76nt的tR- NA分子增加的核酸位于17、20和47位，均位于分子的单链环部分，可表示为17:1、47:1、47:2等。
    • ②5′端1~7位与近3端的66~72位形成7 bp的氨基酸臂 3′端有共同的-CCA-OH 结构，其羟基可与该tRNA所能携带的氨基酸形成共价键。
    • ③第10~25位形成3~4bp的臂和8~14nt的环，由于环上有二氢尿嘧啶(D)，故称为二氢尿嘧啶环 或D环，相应的臂称为D臂。
    • ④第27~43位有5bp的反密码子臂和7nt反密码子环 ，其中34~36位是与mRNA相互作用的反密码子
    • ⑤第44~48 位为可变环 ，在不同的tRNA中，核酸的数多少不等，80%的R- NA可变环由4~5nt 组成，20%的tRNA可变环由13~21nt组成。
    • ⑥第49~65位为5bp的T+C臂和7nt的 TфC 环
    • ⑦tRNA分子中含有多少不等的修饰碱基，某些位置上的核苷酸在不同的tRNA分子中很少变化称不变核苷酸。
    • 结构
      • 标注
    • tRNA三级结构的形成和稳定，与D环、TфC环和可变环中的核苷酸残基相互靠近，形成特定的碱基对有关。
  • rRNA
    • 组成成分:核糖体由约40%的蛋白质和60%的rRNA组成，rRNA占细胞RNA总量的80%。
    • 核糖体分为大小两个亚基
      • 原核生物的小亚基沉降系数为30S含有1种RNA，其沉降系数为16S; 大亚基为50S，有55和23S两种rBNA
      • 真核生物的小亚基40S，含有18S的rRNA ；大亚基为60S，含5S 5.8S、28S 三种 rRNA。
  • mRNA和hnRNA
    • mRNA占细胞总3%5%，代谢活跃寿命较短。mRNA编码区的核苷酸序列决定相应白质的氨基酸序列
    • 真核生物mRNA的前体在胞核内合成，包括内含子和外显子的整个基因均被转录，形成分子大小极不均一的核内不均一RNA 即hnRNA)
  • snRNA和snoRNA
    • 核小RNA( snRNA)主要存在于细胞核中，少数穿梭于核质之间，或存在于细胞质中。
    • 核仁小RNA( snoRNA)广泛分布于核仁区，大小一般为几十到几百个核苷酸，主要参与rRNA前体的加工，
  • asRNA和RNAi
    • 反义 RNA，（asRNA)可通过互补序列与特定的mRNA结，抑制mRNA的翻译，随后在真核生物亦发现了asRNA，并发现asRNA除主要在翻译水平抑制基因表达外，还可抑制DNA的复制和转录。
    • 用双链RNA抑制特定基因表达的技术称RNA干扰（RNAi)。
  • 非编码RNA的多样性
    • ⑴根据ncRNA分类
      • ①催化RNA cRNA)
      • ② 类似 mRNA 的 RNA 即3'端有polyA、无典型OFF,不编码蛋白质的RNA分子
      • ③ 指导 RNA( gRNA)
      • ④ tmRNA 既有tRNA的功能，又有mRNA的功能
      • ⑤ 端粒酶RNA
      • ⑥信号识别颗粒RAN(SRP)
      • ⑦微小RNA( miRNA)
      • ⑧小干扰RNA(siRNA)
    • 根据ncRNA在细胞内的分布分类
      • ① 21~25 nt 的neRNA包括miRNA家族和iRN家族两种类型
      • ② 100~200nt的small RNA细菌细胞的翻译调节因子。
      • ③ 大于10000nt的ncRNA参与高等真核生物的基因沉默。