导图社区 生物化学 第二章 核酸的结构与功能
协和考研,参考资料:《协和内部资料》、《生物化学与分子生物学》人卫出版社第八版,《华中科技大学》MOOC
编辑于2020-04-29 22:57:56协和考研,参考资料:《协和内部资料》、《生物化学与分子生物学》人卫出版社第八版,《华中科技大学》MOOC
参考资料《协和内部考研资料》《生物化学与分子生物学》人卫出版社第八版,中国大学MOOC华中科技大学《生物化学与分子生物学》
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第二章 核酸的结构与功能 Structure and function of nucleic acids
summary
nucleic acid
核酸,以核苷酸为基本单位,通过3’,5‘磷酸二酯键连接的生物大分子,携带并传递遗传信息
element
C、H、O、N、P(9%~10%,定量)
deoxyribonucleic acid, DNA
脱氧核糖核酸
ribonucleic, RNA
核糖核酸
(判断)
真核细胞 DNA 存在 细胞核、线粒体,以复制的方式传递下一代
真核细胞 RNA 存在 细胞质、细胞核、线粒体
绝大多数生物中,RNA是DNA的转录产物; 某些病毒 RNA 也可作 遗传信息载体
Chemical composition and primary structure of nucleic acids
basic composition
nucleotide 核苷酸
nucleoside 核苷
base 碱基
碱基,核苷酸的基本组成成分之一,含氮的杂环化合物,分为嘧啶(pyrimidine)和嘌呤(purine)
五种碱基的酮基或氨基+PH→酮-烯醇互变异构体或氨基-亚氨基互变异构体
DNA,ATCG;RNA,AUCG
戊糖
1’→β-N-糖苷键——碱基 2’→羟基——区别是否核糖 5‘→磷脂键——磷酸
ribose 核糖
β-D-核糖
deoxyribose 脱氧核糖
β-D-2’-脱氧核糖
区别在于核糖的 C-2‘原子上连接羟基,而脱氧核糖则不是 半缩醛羟基,具有较高反应活性
碱基和戊糖的连接方式 β-N-糖苷键,共价C-N
Phosphoric acid 磷酸 (选择填空)
核苷(包括碱基)与磷酸连接的数目不同,可分为 核苷一磷酸 NMP, 核苷二磷酸 NDP, 核苷三磷酸 NTP
命名eg
碱基 核苷 核苷酸 DNA A 腺苷 腺苷一磷酸, AMP RNA A 脱氧腺苷 脱氧腺苷一磷酸,dAMP
游离核苷酸及衍生物
多磷酸核苷酸——物质/能量代谢
环化核苷酸——细胞信号转导第二信使
NAD﹢、FAD——生理活性物质
Connections between DNA
脱氧核糖核苷三磷酸的3‘羟基与另一个脱氧核糖核苷三磷酸的α-磷酸基团缩合,生成3’,5‘磷酸二脂键 phosphodiester bond (填空)
(有疑惑)为什么DNA链具有5’→3‘的方向性?
母链解开,母链的碱基与游离的三磷酸脱氧核糖核苷酸配对
用NTP而不用NMP、NDP的目的是DNA聚合(包括酶) 需要分解两个磷酸基团获得能量
DNA聚合酶只能将脱氧核糖三磷酸的磷酸基团加在新链的3’羟基上
逆向思维,1、假设是从3‘→5’方向,核苷酸必须要有三个磷酸基团的能量供酶及DNA聚合, 2、与之结合的NTP也具有三磷酸,由于负电荷间的排斥作用,导致必须切除先2磷酸再与NTP结合,从进化的角度是不利的
Connections between RNA (With DNA differences)(选择)
戊糖是核糖、嘧啶是尿嘧啶
核苷酸
AMP、UMP、CMP、GMP
一级结构——核苷酸序列
核酸的一级结构是构成DNA的脱氧核糖核苷酸及RNA的核糖核苷酸自5‘-3’的排列顺序
根本
碱基序列
DNA/RNA 分子数目
单链: 核苷酸 nt
双链: 碱基对 bp
寡核苷酸 < 50bp
排列组合
4ⁿ ,n为核苷酸数目
spatial structure and function of DNA
二级结构——双螺旋
实验基础
chargaff 规则 (选择)
1. 不同生物种属DNA碱基组成不同
2. 同一个体不同器官或不同组织DNA具有相同碱基组成
3. 对于一特定组织DNA,其碱基组不随年龄、营养状况、环境而改变
4. DNA碱基中含量存在 [A]=[T],[C]=[G]
获得了高质量的DNA分子X衍射照片
Watson 和Crick 1953年提出DNA双螺旋结构(大题考过)
1. DNA分子由两条多聚脱氧核苷酸链组成
右手螺旋
绕同一个螺旋轴顺时针
反向平行
一条链5'-3'自上而下;另一条链是5’-3'自下而上
2. 核糖与磷酸位于外侧,含氮碱基位于内侧
DNA能溶于水
亲水骨架(脱氧核糖和磷酸基团)位于外侧,疏水碱基位于内侧
表面存在大沟小沟
是蛋白质识别,结合的位点
3. DNA双链间形成回补碱基对
互补碱基对 (填空)
如 CG三个氢键、AT两个氢键间的碱基配对关系
富含GC区域较AT区域稳定
互补链
碱基对平面与螺旋轴垂直,与氢键方向平行
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
碱基堆积力
相邻两碱基有重叠,产生疏水作用力,有利于螺旋结构
氢键
有利于形成双链结构
variousness
DNA 双螺旋多样性
B型 DNA Watson-Crick提出、 A型 DNA 、 Z型 DNA -左手螺旋
多链结构
Hoogsteen 键, C﹢GC三链结构
端粒 (易考)
高级结构——超螺旋结构
noun
DNA 双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构
根据盘绕方向是否和双螺旋方向相同分为 正/负超螺旋
原核生物DNA的环状超螺旋结构
原核生物DNA多为环状的双螺旋分子,以负超螺旋的形式存在,平均每200个碱基就有一个负超螺旋形成
真核生物DNA以核小体为单位形成高度有序致密结构
真核细胞DNA以非常有序的形式存在与细胞核内,在细胞周期以松散的染色质存在,在细胞分裂期,形成高度致密的染色体
第一层次折叠(染色质细丝)
染色质的基本组成单位是核小体,由 DNA 、H1(核心颗粒) 和组蛋白(组蛋白核心)H2A、H2B、H3、H4构成染色质细丝
第二层次折叠(中空螺旋管)
每圈螺旋由6个螺旋核小体组成,H1位于内侧
此后
继续折叠 超螺旋管纤维→染色单体
DNA多次折叠被压缩了 8000~10000 倍,形成染色体,组装在直径4微米的细胞核
染色体的两个功能区(考)
telomere 端粒
染色体末端膨大的粒状结构,由端粒DNA与DNA结合蛋白构成
人端粒DNA序列:TTAGGG
与染色体结构的稳定性、完整性以及肿瘤和衰老发生发展相关
centromere 着丝粒
两个染色单体的连接位点,富含A、T序列
细胞分裂时,着丝粒分开使得染色体均等有序的进入子代细胞
DNA功能
生物遗传信息的载体,为基因复制和转录提供模板
基因是携带遗传信息的DNA片段
生命遗传——物质基础、生命活动——信息基础
高度稳定性、保持生物遗传相对稳定性,高度复杂性,可发生重组突变
nuclease
核酸酶:所有可以水解核酸的酶
分类
根据底物种类
DNA酶,DNase; RNA酶,RNase
根据底物二级结构
单链酶、双链酶
作用方式
核酸外切酶
水解核酸分子链末端磷酸二酯键
5’→3‘核酸外切酶、3’→5‘核酸外切酶
核酸内切酶
水解核酸链内部磷酸二酯键
(必考)
限制性核酸内切酶
要求酶切位点具有核算序列特异性
功能
参与DNA合成、修复以及RNA剪接
清除多余的、结构、功能异常,细胞外源性核酸
降解食物中的核酸
体外重组DNA技术重要的工具酶
具有酶活性的核酸
催化性RNA
作为序列特异性的核酸内切酶降解RNA
催化性DNA
人工合成的寡聚脱氧核苷酸片段,也能序列特异性降解RNA
physicochemical property of nucleic acids
universality
等电点偏酸
两性大分子、磷酸基(中强酸)和碱基(弱碱)
分离纯化
与金属离子成盐、不溶于乙醇和异丙醇
高分子性质
有一定的粘度:DNA>RNA; dsDNA>ssDNA
沉降行为:不同构象与分子量差异很大
紫外线吸收
因含共轭双键,最大值吸收260nm,蛋白质为280nm
因双螺旋结构,碱基包埋在分子内部,单核苷酸 > ssDNA/RNA > dsDNA
定量
A260=1.0 相当于 50μg/ml的dsDNA = 40μg/ml 的ssDNA / RNA =20μg/ml 寡核苷酸
纯DNA A260/A280=1.8; 纯RNA A260/A280=2.0
DNA变性——双链解为单链
本质
双链间氢键的断裂,不涉及一级结构
hyperchromatic effect
增色效应:DNA解链过程,更多的共轭双键得以暴露,使DNA溶液在260nm处的吸光度值随之增加
melting curve
解离曲线:以温度相对于A260 值作图
Tm
解链温度/溶解温度:解链过程紫外吸光度变化在 δA260 达到最大变化值的一半所对应的温度
Tm值与DNA长短和CG量有关;CG、离子强度越高,Tm越高
经验公式:(G+C)%=(Tm-69.3)*2.44; 小于20bp: Tm=4(G+C)+2(A+T)
DNA复性——形成杂交双链
annealing
退火:热变性DNA经缓慢冷却后可以复性
核酸杂交
不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液,只要他们间存在一定程度的配对关系,适宜条件可以在不同分子间形成杂交双链
实质
检测待测核酸分子和已知核酸分子间是否存在互补或同源序列的方法
应用
DNA印迹、RNA印迹、斑点印迹、PCR扩增、基因芯片
(每年都考)
PCR原理、步骤、意义
structure and function of RNA
characteristic
常比DNA分子小、但种类大小结构比DNA多
以单链的形式存在,但可通过链内碱基配对,形成局部双链二级结构和特定的空间三级结构
RNA种类 缩写 细胞内位置 功能 核糖体RNA rRNA 细胞质 核糖体组成部分 信使RNA mRNA 细胞质 蛋白质合成模板 转运RNA tRNA 细胞质 转运氨基酸 线粒体核糖体RNA mt rRNA 线粒体 核糖体组成部分 线粒体信使RNA mt mRNA 线粒体 蛋白质合成模板 线粒体转运RNA mt tRNA 线粒体 转运氨基酸
mRNA
丰度最少、种类最多、寿命最短、大小各不相同
原核细胞
无核,转录生成mRNA后直接进行翻译
真核细胞
初级结构为不均一核RNA, hnRNA(含有内含子和外显子),需经过剪接为成熟mRNA,后转移核外翻译
tRNA
由74~95核苷酸组成、占RNA15%
rRNA
RNA80%以上,结合核糖体蛋白
messenger RNA, mRNA——蛋白质合成模板
真核生物 mRNA的5‘端有特殊帽结构
5’端有一反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸腺苷(m7Gppp)
可与帽子结合蛋白CBP结合
真核生物 mRNA的3‘端有多聚腺苷酸尾
3’端有长短不一的多聚核苷酸结构,多聚A尾(poly(A)-tail)
功能: 维系mRNA稳定性 协调mRNA由核内向胞质的转移 翻译起始调控
mRNA碱基序列决定蛋白质氨基酸序列
开放读框 ORF
成熟mRNA 5‘第一个AUG(起始密码子)到终止密码子间的核苷酸序列
决定多肽链的氨基酸序列
非编码序列 UTR
位于mRNA 开放读框的两侧,分为5’-UTR,3‘-UTR
transfer RNA, tRNA——氨基酸转运载体
含有多种稀有碱基
双氢尿嘧啶、甲基鸟嘌呤、假尿嘧啶(不含别的碱基,但碱基与糖环连接变化)
茎环/发卡结构
tRNA 间核苷酸序列碱基互补配对形成局部、链内结构,而双链结构中不能互补配对的则膨出形成环状结构
二级结构——三叶草形
三环一臂:DHU环与TφC环(稀有碱基)、反密码子环、氨基酸臂
三级结构——倒L形
DHU环与TφC环在空间上接近
3’端可连接氨基酸
CCA结尾,A与氨基酸以酯键连成氨基酰-tRNA
反密码子识别mRNA密码子
酪氨酸 tRNA反密码子是-GUA-, 与mRNA编码的-UAC-配对
怎么识别?写碱基序列顺序
ribosomal RNA, rRNA——核糖体组分
原核
30S+50S
真核
40S+60S
茎环结构
非编码RNA,ncRNA
长链非编码RNA,lncRNA
结构类似mRNA, 并无开放读框,由RNA聚合酶Ⅱ转录剪辑,被多聚腺苷化,具有生物学功能与发病机制有关
短链非编码RNA,sncRNA
核内小RNA,snRNA
参与真核细胞 hnRNA 内含子加工剪接
核仁小RNA,snoRNA
参与rRNA的加工与修饰,如rRNA中的核糖C-2'甲基化修饰
胞质小RNA,scRNA
参与形成信号识别颗粒,引导含有信号肽的蛋白质进入内质网定位合成
催化性小RNA,核酶
具有催化特定RNA降解的活性,在RNA剪接修饰中有重要作用
小干扰RNA,siRNA
生物宿主对于外源侵入基因表达的双链进行切割产生特定长度(21~23bp)和特定序列的小片段RNA
可以单链形式与外源基因表达的mRNA结合,并诱导其降解
微RNA,miRNA
长度22nt内源性,结合mRNA选择性调控基因表达
真/原核细胞RNA——时空特性 (考博,背图)
原核
RNA合成与蛋白质合成在同一个空间完成
真核
由于核膜存在,RNA和蛋白质在不同空间完成,且有时间差异