生物化学002核酸的结构与功能

生物化学与分子生物学，重点掌握 ①核酸的化学组成：基本单位核苷酸的分子组成，种类（DNA和RNA）。 ②DNA的结构与功能：DNA碱基组成规律，DNA一级结构，DNA双螺旋结构，DNA高级结构，DNA功能。 ③DNA理化性质及其应用：DNA变性与复性，核酸杂交，紫外光吸收特征。 ④RNA结构与功能：mRNA、tRNA、rRNA、其他RNA。

生物化学002核酸的结构与功能

• 重点掌握
  • ①核酸的化学组成：基本单位核苷酸的分子组成，种类（DNA和RNA）。
  • ②DNA的结构与功能：DNA碱基组成规律，DNA一级结构，DNA双螺旋结构，DNA高级结构，DNA功能。
  • ③DNA理化性质及其应用：DNA变性与复性，核酸杂交，紫外光吸收特征。
  • ④RNA结构与功能：mRNA、tRNA、rRNA、其他RNA。
• 一、核酸的化学组成
  • 1．核酸的分类
    • 核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子，具有复杂的结构和重要的生物学功能。
    • 核酸可分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。
  • 2．基本单位核苷酸的分子组成
    • （1）核苷酸的分子组成
      • 核苷酸是核酸的基本组成单位。核酸由多个核苷酸连接而成，因此又称为多聚核苷酸。
      • 组成DNA的核苷酸是脱氧核糖核苷酸，组成RNA的核苷酸是核糖核苷酸。
      • 核酸水解后产生核苷酸，核苷酸水解后产生核苷和磷酸。
      • 核苷可进一步水解为戊糖和碱基（如下图）。
      • 记忆：
        • ①上述组成记忆为“核-苷-酸”，“核”为核糖；“苷”记忆为碱基；“酸”为磷酸。
        • ②核（核糖）＋苷（碱基）组成核苷。“核”与“苷”之间的结合键-糖苷键。
        • ③核苷＋酸（磷酸）组成核苷酸。“核苷”与“磷酸”之间的结合键-磷酯键。
        • ④多个核苷酸组成核酸，“核苷酸”之间的连接键-3＇，5＇-磷酸二酯键。
    • （2）碱基
      • 是构成核苷酸的基本组分之一。碱基分为嘌呤和嘧啶两类。
      • 组成DNA的碱基包括A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、T（胸腺嘧啶）。
      • 组成RNA的碱基包括A、G、C、U（尿嘧啶）。
    • （3）戊糖
      • 是构成核苷酸的另一基本组分。为了有别于碱基的原子，核糖的碳原子标以C-1＇、C-2＇···C-5＇。
      • DNA中的核糖为β-D-2＇-脱氧核糖，RNA中的核糖为β-D-核糖。
    • （4）核苷或脱氧核苷
      • 碱基与核糖（或脱氧核糖）反应生成核苷（或脱氧核苷）。
      • 核糖的C-1＇原子与嘌呤的N-9原子（或者嘧啶的N-1原子），通过缩合反应形成 β-N-糖苷键。
    • （5）核苷酸或脱氧核苷酸
      • 核苷（或脱氧核苷）C-5＇原子上的羟基与磷酸反应，脱水后形成磷酯键，生成核苷酸（或脱氧核苷酸）。
      • 根据连接的磷酸基团的数目不同，核苷酸可分为核苷一磷酸（NMP）、核苷二磷酸（NDP）和核苷三磷酸（NTP）。
      • 脱氧核苷酸在符号前面再加上“d”以示区别，如dTMP、dTDP、dTTP等。
    • （6）DNA
      • 是指多个脱氧核苷酸通过3＇，5＇-磷酸二酯键连接成为多聚脱氧核糖核苷酸链。
      • DNA链的5＇-端是磷酸基团，3＇-端是羟基。
      • 这条多聚脱氧核苷酸链只能从3＇-端得以延长，因此DNA链具有5＇→3＇的方向性。
    • （7）RNA
      • 与DNA相似，RNA也是多个核苷酸分子通过3＇，5＇-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，并且也具有5＇→3＇的方向性。
      • 它与DNA的差别仅在于：
        • ①RNA的糖环是核糖而不是脱氧核糖；
        • ②RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶，而没有胸腺嘧啶，所以构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP、UMP。
      • 构成核苷酸的嘌呤和嘧啶的化学结构式
      • 构成核苷酸的核糖与脱氧核糖的化学结构式
        • β-D-核糖
        • β-D-脱氧核糖
      • 核苷酸的化学结构
  • 3．核酸的一级结构
    • 核酸是由许多核苷酸分子通过3＇，5＇-磷酸二酯键连接而成，即前一个核苷酸的3＇-羟基与后一个核苷酸的5＇-磷酸缩合而成。
    • 核酸的一级结构是指核苷酸或脱氧核苷酸从5＇-到3＇-端的排列顺序，也就是核苷酸序列。
    • 由于核苷酸之间的差异在于碱基不同，因此核酸的一级结构也就是它的碱基序列。
    • 核酸分子具有方向性，规定它们的核苷酸或脱氧核苷酸的排列顺序和书写规则均是从5＇-端到3＇-端。
    • 核酸分子中的核糖（或脱氧核糖）和磷酸基团共同构成其骨架结构，但不参与遗传信息的贮存和表。
    • DNA和RNA对遗传信息的携带和传递，是依靠碱基排列顺序变化而实现的。
• 二、DNA的结构与功能
  • 1．DNA碱基组成规律
    • 1952年，Chargaff提出了DNA四种碱基组成的如下规律，称为Chargaff法则。
    • (1)[A]=[T],[G]=[C]
      • 在DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等，即[A]=[T];[G]=[C]。
      • 并由此引申出：［[A]/[T]=[G]/[C];[A]+[G]=[T]+[C]。
    • （2）DNA碱基组成的种属特异性
      • 即不同生物种属的DNA碱基组成不同。
      • 如人、牛和大肠埃希菌的DNA碱基组成的比例是不一样的。
    • （3）DNA碱基组成无组织或器官特异性
      • 即同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。
    • （4）生物体内的碱基组成一般不受年龄、生长状况、营养状况和环境因素的影响
      • 说明每种生物的DNA具有各自特异的碱基组成，与生物遗传特性有关。
  • 2．DNA分子的一级结构
    • DNA分子的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸从5＇-端至3＇-端的排列顺序。
    • 由于DNA分子中核苷酸彼此之间的差别仅见于碱基部分，因此DNA的一级结构也指其碱基排列顺序，即DNA序列。
  • 3．DNA的二级结构-DNA双螺旋结构模型
    • 1953年，Watson和Crick提出了DNA分子双螺旋结构模型，具有以下特征。
    • （1）DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成
      • 它们围绕着同一螺旋轴形成右手螺旋结构。
      • 两条多聚核苷酸链在空间上的走向呈反向平行，一条链的走向为 5'→3'另一条为3＇→5＇。
      • DNA双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。
    • （2）核糖和磷酸位于外侧
      • 由脱氧核糖和磷酸基团构成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，而疏水的碱基位于内侧。
      • 从外观上，DNA双螺旋结构的表面存在一个大沟和一个小沟。
    • （3）DNA双链之间形成互补碱基对
      • 两条链的碱基间严格按A=T(2个氢键）、G=C(3个氢键）配对存在，这种碱基配对关系称为互补碱基对，也称Watson-Crick 配对。
      • DNA的两条链则称为互补链，因此A+G与 T+C的比值为1。
      • 碱基对平面与双螺旋结构的螺旋轴垂直。
      • 平均而言，每一螺旋有10.5个碱基对，每个碱基对之间的相对旋转角度为36°。
      • 每两个相邻的碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm。
    • DNA双链结构
    • （4）碱基对的疏水作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定
      • 相邻的两个碱基对平面在旋进过程中会彼此重叠，由此产生了具有疏水性的碱基堆积力。
      • 这种碱基堆积力和互补链之间碱基对的键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定，而且碱基堆积力对于双螺旋结构的稳定更为重要。
    • 记忆：
      • ①DNA双螺旋结构记忆为双链、平行、配对、互补、反向。
      • ②时间一长，碱基互补规律很容易忘掉。
      • 其实，利用形象记忆就很简单！同学们仔细观察A=T、G＝C，就会发现：G和C很相似，都是半圆，因此它们就能互补配对。
  • 4．DNA右手螺旋结构和蛋白质α螺旋结构的比较
  • 5．DNA的高级结构
    • （1）超螺旋结构
      • DNA双螺旋进一步盘曲形成更加复杂的结构，称为DNA的三级结构，即超螺旋结构。
      • 生物体的闭环DNA都以超螺旋形式存在，如细菌质粒、某些病毒、线粒体的DNA等。
      • 线性DNA分子或环状DNA分子的一条链有缺口时，均不能形成超螺旋结构。
    • （2）核小体
      • 真核生物染色体DNA呈线性，其三级结构是DNA双链进一步盘绕在以组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）为核心的结构表面构成的核小体。
      • 核小体是染色质的基本组成单位。
      • 许多核小体连接成串珠状，再经过反复盘旋折叠，最后形成染色单体。
      • 染色质纤维经过几次卷曲折叠后，DNA形成复杂的多层次超螺旋结构，其长度大大压缩。
    • （3）DNA超螺旋结构的生物学意义
      • ①超螺旋DNA比松弛型DNA更紧密，使DNA分子体积变得更小，对其在细胞的包装过程更为有利；
      • ②超螺旋能影响双螺旋的解链程序，因而影响DNA分子与其他分子（如酶、蛋白质）之间的相互作用。
  • 6．DNA的功能
    • （1）作为复制和转录的模板
      • DNA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。
    • （2）遗传物质
      • DNA是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。
• 三、DNA的变性及其应用
  • 1．核酸的紫外光吸收特征
    • 核酸分子的碱基（嘌呤和嘧啶）都含有共轭双键，在260nm紫外波段具有最大吸收峰。
    • 利用这一特性，可以对核酸、核苷酸、核苷、碱基进行定性和定量分析。
    • 记忆：
      • ①核酸的嘌呤环和嘧啶环的最大吸收峰在260nm附近。
      • ②色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。
      • ③茚三酮反应时，生成的蓝紫色化合物的最大吸收峰在570nm处。
  • 2．DNA的变性
    • （1）定义
      • DNA在各种因素作用下，由双链解离为单链的过程称为DNA变性。
    • （2）变性因素
      • 加热、加酸或加碱，其中最常用的使DNA变性的方法为加热。
    • （3）结构变化
      • DNA变性时，维系碱基配对的氢键断裂（并不是多核苷酸链断裂），也就是说不破坏一级结构中脱氧核苷酸的序列。
    • （4）吸收值增加
      • DNA变性时，解链过程中，由于更多的共轭双键得以暴露，DNA在260nm处的吸光度随之增加，这种现象称为DNA的增色效应。
      • 它是监测DNA双链是否发生变性的一个最常用指标。
    • （5）溶液黏度降低
      • DNA变性时，由原来比较“刚硬”的双螺旋结构，分裂成两条比较柔软的单股多核苷酸链，从而引起溶液黏度降低。
    • (6)Tm值
      • 是指核酸分子内双链解开50％时的温度，也称融链温度（原称解链温度）。
      • DNA的Tm值与其DNA长短以及碱基中的GC含量有关。
      • DNA分子中GC含量越高，Tm值越高；DNA分子越长，Tm值越大；离子强度越高，Tm值越高。
  • 3．DNA的复性
    • （1）定义
      • DNA的变性是可逆的。
      • 在适当条件下，变性的DNA两条互补链可重新配对，恢复天然的双螺旋结构，这一现象称为复性。
      • 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火，退火产生减色效应。
      • DNA复性后，变性引起的性质改变也得以恢复。
    • （2）过程
      • 复性时，互补链之间的碱基互相配对，这个过程分为两个阶段：
      • ①溶液中的单链DNA不断地彼此随机碰撞，如果它们之间的碱基序列有互补关系，则两条链经一系列的GC、AT配对，产生较短的双螺旋区；
      • ②碱基配对区沿着DNA分子延伸形成双链DNA分子。
  • 4．核酸杂交
    • 在核酸复性过程中，如果将不同种类的DNA单链或RNA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，它们就有可能形成杂化双链。
    • 这一过程称为核酸分子杂交。
    • 不同来源的DNA可以杂交，DNA与RNA、RNA与RNA之间也可以杂交。
    • 双链DNA解离成单链DNA
    • 核酸分子复性和杂交的示意图
    • 若标记一个已知序列的核酸，通过杂交反应即可确定待测核酸是否含有与之相同的序列。
    • 这种标记的核酸称为探针。
    • 由此发展起来的分子杂交技术已成为分子生物学研究中不可缺少的基本技术。
    • 核酸分子复性和杂交的示意图
  • 5．DNA变性和蛋白质变性的比较
• 四、RNA的结构与功能
  • 1．RNA的种类和功能
  • 2.mRNA
    • 信使RNA（mRNA）是在细胞核内以DNA为模板合成的，然后转运至胞质，指导蛋白质的合成。
    • 在生物体内，mRNA的丰度最小，但种类最多，且它们的大小各不相同。
    • 在所有RNA中，mRNA的寿命最短。
    • （1）真核生物mRNA的结构特点
      • ①5＇-端有帽子结构
        • 所谓帽子结构是指大部分真核生物mRNA的5＇-端有一反式的7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷(m7Gppp)pp），即第1个核苷酸都是甲基化鸟嘌呤核苷酸，它以5＇-端三磷酸酯键与第2个核苷酸的5＇-端相连，而不是通常的3＇，5'-磷酸二酯键。
        • 帽子结构中的核苷酸大多数为7-甲基鸟苷（m7G)）。
        • 帽子结构的功能是保护mRNA免受核酸酶从5＇-端开始对它的降解，并且在翻译中起重要作用。
      • ②3＇-端有多聚A尾
        • 大多数真核生物mRNA的3＇-端都带有多聚腺苷酸（poly A）尾结构，其长度为80～250个腺苷酸。
        • polyA尾是在mRNA转录完成后以无模板的方式添加的，因为在基因的3＇-端并没有多聚腺苷酸序列。
        • 目前认为，这种3＇-多聚A尾结构和5＇-帽结构共同负责mRNA从细胞核内向细胞质的转运、维系mRNA的稳定性以及翻译起始的调控。
      • ③分子中可能有修饰碱基
        • 主要是甲基化，如m6A。
      • ④模板作用
        • mRNA为蛋白质的生物合成提供模板。成熟的mRNA分子中有编码区和非编码区。
        • 从成熟mRNA 5＇-端起的第一个AUG（即起始密码）至终止密码之间的核苷酸序列，称为mRNA的编码区，也称可读框（ORF）。
        • 该区域是编码蛋白质多肽链的核苷酸序列。
        • 在mRNA可读框的两侧，还有非编码序列，5＇-端和3＇-端的非编码序列分别称为5＇-非翻译区（5＇-UTR）和3＇-非翻译区（3＇-UTR）。
      • ⑤hnRNA→mRNA
        • 真核细胞在细胞核内新生成的mRNA的初级产物比成熟mRNA大得多，被称为不均一核RNA（hnRNA）。
        • hnRNA经过一系列剪接成为成熟的mRNA。
        • mRNA的成熟过程中，hnRNA核苷酸链中的一些片段将不出现在相应mRNA中，这些片段称内含子。
        • 保留于mRNA中的片段称外显子。
        • 因此，hnRNA转变为mRNA时，切除了一些片段，保留的片段重新合成mRNA。
    • （2）原核生物mRNA的结构特点
      • ①多顺反子
        • 原核生物mRNA往往是多顺反子，即每分子mRNA带有几种蛋白质的遗传信息（来自几个结构基因）。
        • 在编码区的序列之间有间隔序列，间隔序列中含有核糖体识别、结合部位。
        • 在5＇-端和3＇-端也有非编码区。
      • ②无首尾结构
        • 原核生物mRNA的5＇-端无帽子结构，3＇-端无polyA尾结构。
      • ③无修饰碱基
        • 原核生物mRNA一般没有修饰碱基，其分子链不被修饰。
  • 3.tRNA
    • tRNA作为氨基酸载体参与蛋白质的合成，是细胞内分子量最小的核酸，长度为74～95个核苷酸。
    • （1）tRNA含有多种稀有碱基
      • 稀有碱基是指除A、G、C、U外的一些碱基，包括DHU（双氢尿嘧啶）、（假尿嘧啶核苷）、mG、mA（甲基化的嘌呤）等。
      • tRNA是含稀有碱基最多的RNA，稀有碱基占所有碱基的10％～20％。
      • tRNA分子中的稀有碱基均是转录后修饰而成的。
    • （2）tRNA具有特定的空间结构
      • 总述
        • tRNA存在着一些核苷酸序列，能够通过碱基互补配对的原则，形成局部的链内的双螺旋结构。
        • 在这些局部的双螺旋结构之间的核苷酸序列不能形成互补的碱基对则膨出形成环状或襻状结构，称为茎环结构或发夹结构。
        • 由于这些茎环结构的存在，tRNA的二级结构酷似三叶草的形状。
        • 从5＇→3＇端依次为：DHU环＋反密码子环＋TψC环＋相同的CCA结构（记忆为“三环一柄”）。
      • ①DHU环
        • 其功能是识别氨基酰tRNA合成酶。
      • ②反密码子环
        • 其功能是识别遗传密码。
        • tRNA的反密码子环由7～9个核苷酸组成。
        • 居中的3个核苷酸构成一个反密码子，位于反密码子环内。
        • 这个反密码子可以通过碱基互补的关系识别mRNA的密码子。
        • 在蛋白质生物合成中，氨基酰-tRNA的反密码子依靠碱基互补的方式辨认mRNA的密码子，从而正确地运送氨基酸参与肽链的合成。
      • ③TψC环
        • 其功能是识别核蛋白体。
      • ④CCA-OH结构
        • 所有tRNA的3＇-端的最后3个核苷酸均为CCA，这是氨基酸的结合部位，称为氨基酸接纳茎，不同tRNA的氨基酸接纳茎结合不同的氨基酸。
        • tRNA的结构
      • ⑤三级结构
        • tRNA的三级结构呈倒“L”形。
        • 维系其三级结构主要依赖核苷酸之间的各种氢键。
      • 注意：
        • ①细胞内含量最多的RNA是rRNA，分子量最小的RNA是tRNA，含有稀有碱基最多的RNA是tRNA。
        • ②tRNA的一级结构为多核苷酸链，二级结构呈三叶草样，三级结构呈倒“L”形。
  • 4. rRNA
    • rRNA是细胞内含量最多的RNA。
    • 它与核糖体蛋白质共同组成核糖体，参与蛋白质和合成
  • 5．其他RNA
    • 细胞内还含有多种非编码RNA，如核内小RNA（snRNA）参加mRNA前体hnRNA中内含子的剪接，微小RNA（miRNA）通过结合于mRNA抑制翻译过程或导致mRNA降解，因而参与转录后基因表达的调控。
• 生物化学 002 核酸的结构与功能