核酸的结构和功能

核酸的结构和功能的思维导图，内容有核酸的化学组成、核酸的一级结构、DNA的空间结构与功能、RNA的空间结构与功能、核酸的理化性质。

核酸的结构和功能

• 核酸的化学组成
  • 组成元素：C、H、O、N、P等，其中，P的含量恒定：9%-10%
  • 水解产物（基本单位）：核苷酸
  • 核苷酸
    • 磷酸
    • 核苷（戊糖的C'-1原子和 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）
      • 五碳糖
        • 核糖
        • 脱氧核糖
      • 碱基：含N杂环化合物
        • A、G、C、U、T
  • DNA
    • 组成：多个脱氧核苷酸通过3'，5'-磷酸二脂键共价连接聚合而成的线性大分子
    • 两端
      • 5'端：连接在脱氧核糖C’-5原子上的磷酸基团
      • 3'端：连接在3'-C原子上的羟基
    • 方向性：5'→3'
    • 核苷酸的种类：dAMP、dGMP、dCMP、dTMP
  • RNA
    • 组成：多个核糖核苷酸通过3'，5'-磷酸二脂键共价连接聚合而成的线性大分子
    • 两端
      • 5'端：连接在脱氧核糖C’-5原子上的磷酸基团
      • 3'端：连接在3'-C原子上的羟基
    • 方向性：5'→3'
    • 核苷酸的种类：AMP、GMP、CMP、TMP
• 核酸的一级结构
  • DNA/RNA分子中5’-端至3’-端的脱氧核苷酸/核苷酸的排列顺序。
  • 单链DNA 和 RNA 分子的大小常用核苷酸数目（nucleotide，nt）表示；双链核酸分子的大小常用碱基(base或kilobase)数目来表示。
  • 小的核酸片段 (<50bp) 常 被 称 为 寡 核 苷 酸
• DNA的空间结构与功能
  • Chargaff 研究小组的贡献
    • DNA碱基组成有物种差异，且物种亲缘关系越远， 差异越大
    • ② 相同物种，不同组织器官中DNA碱基组成相同， 而且不因年龄、环境及营养而改变；
    • ③ DNA分子中四种碱基的摩尔百分比具有一定的规律性，即A=T、G=C、A+G=T+C。这一规律被称为Chargaff规则。
  • DNA的二级结构——双螺旋结构
    • 目前已知DNA双螺旋结构可分 为A、B、C、D及Z型等数种， 除Z型为左手双螺旋外，其余均 为右手双螺旋。
    • B型双螺旋DNA的结构特点
      • 1. 为右手、反平行双螺旋；
      • 2. 主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧；
      • 3. 两条链间存在碱基互补：A与T或G与C配对形成氢键，称为碱基互补原则（A与T为两个 氢键，G与C为三个氢键）；
      • 4. 螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力；
      • 5. 螺旋的螺距为3.54nm，直径为2.37nm。
    • DNA的多链螺旋结构：多条链结合在一起的DNA结构
      • 端粒：真核生物染色体3'-端一段重复的富含GT的单链
  • DNA的高级结构——超螺旋结构（superhelix）
    • 概念：DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。
      • 正超螺旋(positive supercoil)：盘绕方向与DNA双螺旋方同相同
      • 负超螺旋(negative supercoil)：盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
    • 原核生物DNA的高级结构
      • 绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋。如果再进一步盘绕则形成麻花状的超螺旋结构。
    • DNA在真核生物细胞核内的组装
      • 染色质的基本单位：核小体（在真核生物中， 双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进 行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构）
        • 核小体的组成
          • DNA
          • 五种组蛋白：H1 H2A H2B H3 H4（后四个各两个分子组成八聚体的核心蛋白）
      • 真核生物的染色体两个功能区
        • 端粒(telomeres):染色体末端膨大的粒状结构，由染色体末端DNA（端粒DNA）与DNA结合蛋白构成。与染色体结构的稳定性、完整性以及衰老和肿瘤的发生发展相关。
        • 着丝粒（centromere）:两个染色单体的连接位点，富含A、T序列。细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。
      • DNA的功能：作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。
• RNA的空间结构与功能
  • 概述：RNA通常以单链形式存在， 但也可形成局部的双螺旋结构 RNA分子的种类较多， 分子大小变化较大，功能多样化。
    • mMRNA
      • 在生物体内，mRNA丰度最小，仅占细胞RNA总量的2- 5%。 mRNA分子中带有遗传密码，其功能是为蛋白质的合成提供模板（template）。
      • mRNA在真核生物中的初级产物称为hnRNA，hnRNA经过一系列的修饰和剪接成为成熟的mRNA
      • 真核细胞mRNA的5'-端有帽结构，可与帽结合蛋白（CBP)J结合形成复合体——有助于维持mRNA的稳定，有助于mRNA功能的实现
      • 真核生物和有些原核生物mRNA的3'-端有多聚腺苷酸尾（poly（A）-tail）
        • 在mRNA的3'-端一段由80-250腺苷酸连接而成
        • 是转录完成以后在多聚腺苷酸聚合酶的催化下加入的
        • mRNA的多聚A尾在细胞内与poly(A)结合蛋白（PABP）结合存
      • 3'-多聚（A）尾结构和5'-端帽结构共同负责mRNA从细胞核向细胞质的转运、维持mRNA的稳定以及翻译的起始的调控
      • mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
    • tRNA
      • 综述：tRNA是含有稀有碱基最多的RNA，其稀有碱基的含量可多达20%，占细胞RNA总量的15%左右，具有稳定的空间结构
      • tRNA中含有多种稀有碱基
        • （稀有碱基（rare base）是指除A、G、C、U外的一些碱基。）
        • 包括双氢尿嘧啶(DHU)、假尿嘧啶(Ψ)和甲基化的嘌呤（m^7A、m^7G)等
      • tRNA的二级结构
        • tRNA的二级结构由于局部双螺旋的形成而呈现“三叶草”形，故称为“三叶草”结构。
        • tRNA的四条臂
          • 氨基酸臂——携带氨基酸
            • 3'-末端为CCA结尾，3’-末端的A与氨基酸以酯键相连生成氨基酰-tRNA 。
          • 反密码臂——识别mRNA上的密码子
          • DHU臂——辨认并结合氨基酰tRNA合成酶
          • TΨC臂——识别并结合核蛋白体
        • tRNA的三级结构——倒L形
    • rRNA
      • 细胞中含量最多的RNA，占总量的80%。
      • 与蛋白质一起构成核糖体（核蛋白体），作为蛋白质的合成场所
• 核酸的理化性质
  • 一般理化性质：核酸为多元酸，具有较强的酸性，溶液的粘滞度较大，在引力厂中可以发生沉淀
  • 紫外吸收：吸收紫外光，最大吸收峰为260nm。故常用紫外分光光度法测定核酸的含量。
    • DNA或RNA的定量：A260=1.0相当于50μg/ml双链DNA(dsDNA) 40μg/ml单链DNA (ssDNA or RNA) 20μg/ml寡核苷酸
    • 确定样品中核酸的纯度：纯DNA: A260/A280=1.8 纯RNA: A260/A280=2.0
      • ﹥1.8 提示有RNA污染； ﹤ 1.8 提示有蛋白质或酚的污染
  • DNA变性
    • 在理化因素作用 下，DNA双螺旋的两条互补链松散而分开成为单链，从而导致 DNA的理化性质及生物学性质发生改变，
    • 本质：双链间氢键的断裂
    • 引起DNA变性的因素主要有：、高温、强酸强碱、有机溶剂等。
    • DNA变性后的性质改变
      • 增色效应：DNA变性后，双螺旋结构变为单链，有更多的共轭双键暴露，使DNA在260nm处的吸光度增加的现象
        • 解 链 温 度(melting temperature，Tm):解链过程中，紫外吸光度的变化达 到最大变化值的一半时所对应的温度。
        • G+C 含量越高，解链温度就越高。
        • 连续加热DNA的过程中以温度相对于OD260值作图，所得的曲线称为解链曲线。
  • DNA的复性
    • 当变性条件缓慢地除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构
    • 退火：热变性的DNA经缓慢冷却后可以复性
  • 核酸的分子杂交：两条来源不同的单链核酸（DNA或RNA），只要它们有大致相同的互补碱基顺序，经退火处理即可复性，形成新的杂种双螺旋
    • 同源顺序：不同来源的，具有大致相同互补碱基顺序的核酸片段