临床执医-生物化学与分子生物学-002核酸的结构与功能

生物化学与分子生物学，包括核酸的化学组成，RNA的空间结构和功能，DNA的空间结构和功能，核酸的理化性质。小伙伴们赶快学习起来吧~

二、核酸的结构与功能

• 《生物化学》- 1.核酸的化学组成
  • 核酸可分为核糖核酸和脱氧核糖核酸，具有携带和传递遗传信息的功能。元素组成：C、H、O、N、P
  • 一、核苷
    • 根据连接的磷酸基团的数目不同，核苷可分为一磷酸核苷(NMP)、二磷酸核苷(NDP)和三磷酸核苷(NTP)或一磷酸脱氧核苷(dNMP)、二磷酸脱氧核苷(dNDP)和三磷酸脱氧核苷(dNTP)。
    • 一磷酸核苷/一磷酸脱氧核苷即为核苷酸，生物合成RNA与DNA的原料分别是NTP与dNTP。
  • 二、核苷酸的生物学功能
    • ①化学能载体：ATP、GTP
    • ②细胞信号转导的信使分子：cAMP、cGMP
    • ③辅酶的结构成分：CoA、FAD、NAD+ 、NADP+
    • ④治疗肿瘤的化疗药物：5-FU
  • 三、核酸的一级结构
    • 核酸是多个核苷酸聚合而成的线性大分子，多聚核苷酸链具有5´→3´的方向性，只能从3´-端得到延长。
    • 核苷酸从5-端到3´-端的排列顺序被定义为多聚核苷酸链的一级结构。
    • 规定核酸的排列规则和书写顺序必须是5´→3´。
• 《生物化学》- 2.DNA的空间结构和功能
  • 一、DNA的二级结构是双螺旋结构
    • (一)DNA双链螺旋结构的实验基础
      • 1.Chargaff(查格夫)定律
        • ①不同生物体的DNA碱基组成不同。
        • ②同一生物体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。
        • ③DNA碱基组成不随年龄、营养状态和环境而改变。
        • ④腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)的摩尔数相等，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)的摩尔数相等。
      • 2.里程碑的发现
        • Watson(沃森)和Crick(克里克)在前人的基础上，提出了DNA双螺旋结构的模型。
    • (二)DNA双螺旋结构的结构特征
      • 构成DNA的两条多聚脱氧核苷酸链围绕着同一个螺旋轴形成右手螺旋的结构。两条多聚脱氧核苷酸链反向平行。双螺旋结构螺距为3.54nm。
      • 1.互补碱基对
        • ①DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对。一条链的Ａ与另一条链的T形成了两个氢键；一条链的G与另一条链的C形成了三个氢键
        • ②碱基对平面与螺旋轴近乎垂直，脱氧核糖平面垂直于碱基对平面。
        • ③每一个螺旋有10.5个碱基对，每两个相邻的碱基对之间的相对旋转角度为36°
      • 2.双螺旋结构的沟槽
        • ①多聚脱氧核苷酸链的脱氧核糖和磷酸基团构成了亲水性骨架。
        • ②亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水性的碱基对包埋在双螺旋结构的内部。
        • ③DNA双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。
      • 3.碱基堆积力
        • ①在DNA双螺旋结构的旋进过程中，相邻的两个碱基对平面彼此重叠，产生碱基堆积力。
        • ②碱基平面间的疏水性碱基堆积力(最主要，纵向稳定)和互补链之间碱基对的氢键作用力(横向稳定)共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。
  • 二、DNA的高级结构是以超螺旋结构为基础的高度致密结构
    • DNA双螺旋结构的盘绕可以形成超螺旋结构。
    • 当盘绕方向与DNA双螺旋方同相同时，超螺旋结构为正超螺旋；反之则为负超螺旋。
    • 自然界中环状DNA双链是以负超螺旋形式存在的。
    • (一)封闭环状DNA具有超螺旋结构
      • 绝大部分原核生物的DNA是环状的双螺旋分子。
      • 其不同的DNA区域有不同的超螺旋结构，形成能够独立存在的超螺旋区。
      • 避免DNA双链之间的相互纠缠，负超螺旋结构有利于DNA双链的解链。
      • 线粒体DNA 具有封闭环状的超螺旋结构。
    • (二)真核生物DNA可逐级有序地组装成高级结构
      • 将1.7m米长的DNA双链组装在细胞核内，DNA双链需要进行一系列的盘绕、折叠和压缩。
      • 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质 形式存在；
      • 在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体。
    • (三)核小体的分子组成
      • 1.蛋白质成分
        • 富含Lys(赖氨酸)和Arg(精氨酸)的碱性蛋白质
        • (1)组蛋白八聚体：H2A(x2)，H2B(x2)，H3(x2)，H4(x2)；
        • (2)组蛋白H1结合在DNA连接段与核小体的进出口处
      • 2.DNA成分
        • 约146bp盘绕在组蛋白八聚体(约1.75圈)，约50bp连接核小体
      • 3.从DNA到核小体共经历四次折叠
  • 三、DNA是主要的遗传物质
    • (一)基因组
      • 基因组是指包含在该生物的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；进化程度越高的生物体，其基因组越大越复杂。
    • (二)DNA的生物学特征
      • ①DNA是生物遗传信息的载体，为基因复制和转录提供了模板。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。
      • ②DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传特征的相对稳定性。
      • ③DNA有高度可变性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会。
• 《生物化学》- 3.RNA的空间结构和功能
  • 概述
    • 编码RNA：核苷酸序列可以翻译成蛋白质。
    • 非编码RNA：不编码蛋白质，可分为组成性非编码RNA和调控性非编码RNA。
  • 一、mRNA
    • 信使RNA(mRNA)：
      • 蛋白质生物合成的模板；
      • 仅占细胞RNA总重量的约5％；
      • 种类最多，约有10万个不同种类 ；
      • 大小、丰度和稳定性差异巨大；寿命最短。
      • 真核生物mRNA比原核生物mRNA更复杂。
    • 1.真核细胞mRNA的5´-端有帽结构
      • 真核生物mRNA的5'-端是一个通过5'-5'连接、在N7位甲基化的鸟嘌呤，称为5'-帽结构(5'-cap)。
      • 5'-帽结构可以与帽结合蛋白结合。
      • 5'-帽结构与蛋白质的翻译起始和mRNA的稳定性密切有关。
    • 2.真核生物mRNA的3´-端有多聚腺苷酸尾的结构
      • 真核生物mRNA的3'-端有一段长度约为20-250腺苷酸，称为多聚腺苷酸尾。
      • 多聚A尾结构可以与多聚A结合蛋白结合。
      • 该结构与mRNA 从核内向胞质的转移以及mRNA的稳定性有关。
    • 3.hnRNA经过修饰成为成熟mRNA
      • 细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA(hnRNA)。hnRNA有外显子和内含子。
      • 外显子是编码氨基酸的序列，内含子是非编码序列。
      • hnRNA经过剪接和加工过程，使外显子连接在一起，成为成熟mRNA。
    • 4.真核生物mRNA的编码区和非编码区
      • 从mRNA 5'-末端起的第一个 AUG开始，每3个核苷酸为一组，定义一个密码子。
      • 每一个密码子编码一个氨基酸，AUG被称为起始密码子。
      • 决定肽链合成终止的密码子(UAA、UAG、UGA)则称为终止密码子。
      • 起始密码子和终止密码子之间为编码区，两者之间的核苷酸序列称为开放阅读框，决定多肽链的氨基酸序列。
      • 起始密码子到5'-末端与终止密码子到3'-末端分别是mRNA的5'非编码区和3'非编码区。
  • 二、tRNA
    • 转运RNA(tRNA)：参与多肽链合成；约占RNA总重量的15% ；大约共有100多种tRNA。
    • 1.tRNA含有多种稀有碱基
      • 10% - 20% 稀有碱基；在转录后修饰而成
    • 2.tRNA具有特定的空间结构
      • tRNA的3´-端永远是CCA。局部的核苷酸碱基互补形成了茎环结构或发卡结构。
      • tRNA二级结构(三叶草形状)
      • tRNA倒“L”型空间结构
    • 3.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的碳3´-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。
    • 4.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。
      • 反密码子与mRNA的密码子通过Watson-Crick碱基互补配对识别。
  • 三、rRNA
    • rRNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总重量的80％以上。
    • 1.原核生物核糖体的组成
      • 原核生物有三种rRNA：5S、16S 、23S rRNA其中5S 、23S rRNA与蛋白质结合构成大亚基(50S)，16SRNA与蛋白质结合构成小亚基(30S)。
    • 2.真核生物核糖体的组成
      • 真核生物有四种rRNA：5S、5.8S、18S、28SrRNA。其中5S、5.8S、28 SrRNA与蛋白质结合构成大亚基亚(60S)，18SrRNA与蛋白质结合构成小亚基(40S)。
• 《生物化学》- 4.核酸的理化性质
  • 概述
    • 核酸含有磷酸基团和碱基，属于酸碱两性物质，可发生两性电离，每种核酸有各自的等电点，可电泳分离。
    • 由于溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉，故可以用超速离心法纯化核酸。
    • DNA是线性分子，溶液的黏度大；RNA远小于DNA，溶液的黏度小。
  • 一、核酸具有强烈的紫外吸收
    • 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。
  • 二、DNA的变性
    • 1.变性过程
      • 在某些理化因素作用下，一条双链DNA(简称dsDNA)中碱基对之间的氢键会断裂解，离成为两条单链DNA(ssDNA)，此过程只改变核酸的二级结构不改变核酸的一级结构。
    • 2.变性因素
      • 加热、过量酸或碱
    • 3.DNA变性的本质
      • 碱基堆积力和双链间氢键的破坏。
    • 3.DNA变性的增色效应
      • 是由于DNA解链过程中更多的共轭双键得以暴露，DNA在260nm的吸光度随之增加。
  • 三、DNA的复性
    • 逐渐去除变性条件，两条ssDNA(单链)会缓慢地形成一条dsDNA(双链)，恢复天然的双螺旋结构，称为DNA复性 。
  • 四、核酸
    • 核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。
    • 依据核酸酶底物的不同可以将其分为DNA酶和RNA酶两类，依据切割部位分为核酸内切酶和核酸外切酶。
    • 核酸外切酶根据其作用的方向性又有5'→3'核酸外切酶和3'→5'核酸外切酶之分，具有序列特异性的核酸内切酶称为限制性核酸内切酶。
• 临床执医 生物化学与分子生物学 002 核酸的结构与功能