第二章核酸的结构和功能

生物化学与分子生物学第二章核酸的结构和功能，核酸(nucleic acid):以核苷酸为基本组成单位的生物大分子,具有携带和传递遗传信息的功能。

核酸的结构和功能

• 第一节 核酸的化学组成以及一级结构
  • 核酸(nucleic acid):以核苷酸为基本组成单位的生物大分子,具有携带和传 递遗传信息的功能。
    • 脱氧核糖核酸
      • 90%以上分布在细胞核,其余分布在 线粒体内。 。携带遗传信息,并通过复制传递给下 一代。
    • 核糖核酸
      • 分布在细胞核和胞浆中 。是DNA的转录产物,参与遗传信息的 复制与表达。 。某些病毒RNA也可以携带遗传信息
    • RNA主要存在于细胞质内,而DNA主要存在于 细胞核内,还存在于线粒体
  • 结构互变异构体:为氢键的形成提供了结构基础
  • 核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
  • DNA是脱氧核糖核苷酸通过3,5’-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
  • 多聚脱氧核苷酸链只能从3-端得到延长。
  • RNA是核糖核苷酸通过3,5- 磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
    • 。虽然C2'原子也有羟基,磷酸二酯键只能在C3’和C5间形成。 。RNA也具有5→3的方向性。 。RNA的核糖而不是脱氧核糖。 。RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶,没有胸腺嘧啶。
  • 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
    • 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。
• 第二节 DNA的空间结构与功能
  • DNA的空间结构(spatial structure):构成DNA的所有原子 在三维空间的相对位置 。DNA的空间结构:二级结构、高级结构 。氢键、离子键、疏水相互作用和空间位阻效应共同作用的结果
  • DNA的二级结构是双螺旋结构
    • DNA双链经过盘绕折叠形成致密的高级结构
      • 两条链反向平行，空间排列不相同
  • 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。 双螺旋结构的直径为2.37 nm,螺距为3.54 nm。
  • 互补碱基对
    • DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对。 。一条链的腺嘌呤与另一条链的胸腺嘧啶形成了两个氢键;一条链的 鸟嘌呤与另一条链的胞嘧啶形成了三个氢键。 。碱基对平面与螺旋轴近乎垂直,脱氧核糖平面垂直于碱基平面。 。每一个螺旋有10.5个碱基对（B型DNA）,每两个相邻的碱基对之间的相对旋转 角度为36。
  • 双螺旋结构的沟槽
    • 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。
      • 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,该骨架位于双螺旋结构的外 侧),而疏水性的碱基对包埋 在双螺旋结构的内侧”。
    • DNA双螺旋结构的表面形成了一个大沟和一个小沟。
  • 碱基堆积力
    • 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(base stacking force
    • 碱基堆积力(纵向)和互补链之间碱基对的氢键(横向)共同维系 着DNA双螺旋结构的稳定。
  • DNA双螺旋结构的多样性
    • 环境的变化(溶液的离子强度或相对湿度)可以使DNA双螺旋结 构的沟槽、螺距、旋转角度、碱基对倾角等发生变化。
    • 天然的双螺旋结构:A型—DNA、B型—DNA、Z型—DNA（A，B型为右手螺旋，Z型为左手螺旋）
  • DNA的多链结构
    • 在酸性的溶液中,质子化的胞嘧啶形成Hoogsteen氢键。 。含有三个碱基的C+ GC平面:GC之间是以Watson-Crick氢键结 合,C+G之间是以Hoogsteen氢键结合的。 。Hogsteen氢键的形成并不破不原有碱基对中的Watson—Crick氢 键 。DNA也可以形成TAT的三碱基平面。
      • TATA盒又称Hogness盒,是真核生物启动子的核心序列,参与 转录起始,存在于DNA模版链中,而不存在于mRNA中 mRNA中有A,U;G,C。 DNA中有A,T,G,C。 技巧:TATA盒有T,所以是DNA的
  • DNA的四链结构
    • 人染色体的30—端是被称为端粒的单链。 。该单链富含G和T的重复序列,如(TTAGGG)n。 。自身可以回折形成的四链结构。 。作用:稳定端粒的单链结构
    • 四个鸟嘌呤通过八对Hoogsteen氢键形成一个四联体平面。 。富含鸟嘌呤的片段折叠后形成了多个四联体平面,彼此堆叠在一 起,形成四链结构。
  • DNA的高级结构是以超螺旋结构为基础的高度致密结构
    • DNA双链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。 。生物体可以通过不同的超螺旋结构调节其功能。
      • 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。 。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。 。每200碱基就有一个负超螺旋形成(大肠杆菌。 。负超螺旋结构:避免DNA双链之间的相互纠缠;有利于DNA双链 的解链。
        • 线粒体DNA
          • 线粒体和叶绿素是真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。 。线粒体DNA是真核细胞核以外的遗传物质。 。线粒体DNA具有封闭环状的超螺旋结构。
      • 真核生物DNA被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chromatin) 形式存在,在细胞分裂期,则形成高度致密的染色体
        • 它是一个线状的无分支的分子
  • 染色体的形态
    • 23对染色体 。大小不一 。具有高度致密和动态变化的特征
    • 串珠样(beads—on—a—string)特征 。以核小体 (nucleosome)为基本单位
  • 核小体的分子组成
    • 蛋白质成分:富含Lys和Arg的碱性蛋白质 。组蛋白八聚体H2A (×2), H2B (×2), H3 (×2),H4 (×2); 。组蛋白H1结合在DNA连接段与核小体的进出口处
    • DNA成分:~146 bp盘绕在组蛋白八聚体(~1.75圈),~50 bp 连接核小体
  • 组蛋白八聚体
    • 组蛋白H1结合在DNA连接段与核小体的进出口处。
  • DNA是主要的遗传物质
    • 生物体的遗传信息是以基因的形式存在的。 。基因是编码RNA或多肽链的DNA片段,即DNA中一段特定的核苷 酸序列。 。DNA利用四种碱基的不同排列编码了生物体的遗传信息,并通过 复制的方式遗传给子代。
  • 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。各种生物体基因 组的大小、所包含的基因数量和种类都有所不同。 。"病毒颗粒的基因组可以是DNA,也可以是RNA。 。病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的,也可以是双链的。
  • DNA的生物学特征
    • DNA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。 。DNA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。 ◇DNA又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。
• RNA的空间结构和功能
  • RNA是DNA的转录产物。 。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 。组成性非编码RNA:确保实现基本生物学功能,丰度基本恒定 。调控性非编码RNA:具有调控基因表达的作用,其丰度随外界环境和细胞 性状发生改变
  • mRNA（半衰期最短 合成率和转化率最快， 开放阅读框）是蛋白质合成的模板
    • 真核细胞mRNA的5’一端有帽结构
      • 真核生物mRNA的50—端是一个通过50—50连接、在N7位甲基 化的鸟嘌呤,称为50—帽结构(5O—cap。 .5O—帽结构可以与帽结合蛋白 (cap binding protein)结合。 。50—帽结构与蛋白质的翻译起始和mRNA的稳定性密切有关。
    • 真核生物mRNA的3’—端有多聚腺苷酸尾的结构
      • 真核生物mRNA的30—端有一段长度约为20—250腺苷酸,称为多 聚腺苷酸尾(poly—A tail。 。多聚A尾结构可以与多聚A结合蛋白(polyA tail binding protein) 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
    • hnRNA经过修饰成为成熟mRNA （是mRNA的前体）
      • 细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA (heterogeneous mRNA,简称hnRNA)。 。hnRNA有外显子(exon)和内含子(intron。 。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,剔除内含子,连接外显子,成为成 熟mRNA。
  • tRNA（最小的一种RNA）是蛋白质合成中氨基酸的载体
    • tRNA含有多种稀有碱基
      • 10% — 20%稀有碱基;在转录后修饰而成
    • 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 (stem—loop)结构或发卡 (hairpin)结构。 ◇DHU环;TDC环;反密码子环 。氨基酸接纳臂 。二级结构酷似三叶草形状。
    • 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—瑞A的C3—OH上 ,一种RNA只能携载一种氨基酸;一种氨基酸可以被多种RNAF所携 载。 。连接在RNA上的氨基酸才可以用来进行蛋白质的生物合成。 酪氨酸—tRNA: Tyr-tRNATyr
    • 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(anti—codon。 。反密码子与mRNA的密码子通过Watson-Crick碱基互补配对识别
    • tRNA的三级结构是倒L形结构。tRNA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而膨 出形成环状结构,称为发夹结构（含有稀有碱基）,因发夹结构的存在呈 现三叶草形状,因此发夹结构和三叶草形结构 均为RNA的二级结构。双螺旋结构是 DNA的二级结构，已知tRNA都是由74到95个核苷酸组成
  • 以rRNA（含量最丰富）为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所
    • 核糖体RNA (ribosomal RNA,rRNA):与核糖体蛋白共同组成了 蛋白质生物合成的场所—核糖体(ribosome)。 。细胞内含量最多的RNA:~80% 。稳定的结构 。保守的核苷酸序列
      • 核蛋白体又称为核糖体,由大小亚基组成,大小亚基又 分别由一定种类的蛋白质和rRNA组成
      • 核蛋白体又称为核糖体,由大小亚基组成,大小亚基又 分别由一定种类的蛋白质和rRNA组成,其中5S rRNA参 与构成真核和原核生物核糖体大亚基。 hnRNA 是mRNA未成熟的前体物质,经加工修饰可形成 mRNA。 snoRNA(核仁小RNA) 定位于核仁, 主要参与rRNA的加工和修饰。siRNA(小干扰RNA) 参与外源性基因mRNA的降解。
    • 原核生物肽链的合成
      • 氨基骈—tRNA进位
      • 肽链延长
      • 核糖体转位
      • tRNA退位
  • 组成性非编码RNA是基因表达中不可缺少的因子
    • 真核细胞中还有其他类型的组成性非编码RNA。 。这些RNA作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰、蛋白质的转运 以及调控基因表达。
    • 组成性非编码RNA种类
      • 催化小RNA:也称为核酶(ribozyme);具有催化特定RNA降解 的活性,在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。
      • 核仁内RNA( smal nucleolar RNA,简称snoRNA):snoRNA定 位于核仁;参与rRNA的加工,如RNA的核糖C2的甲基化和假尿 嘧啶化修饰
      • 核内小RNA(smal nuclear RNA,简称snRNA):snRNA富含尿 嘧啶,故命名为U-snRNA。 。参与真核细胞mRNA的成熟过程,如U1、U2、U4、U5、U6和U7。它们的 作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的结点,切除内含子。 。这些snRNA的5’—端有一个与mRNA相类似的5—帽结构。
        • 不直接参与肽链的合成过程, 而是参与真核细胞hnRNA的内含子加工剪接
      • 胞质小RNA(small cytoplasmic RNA,简称SCRNA): sCRNA存 在细胞质中;与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能,如 SRP—RNA与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒,引导含有信号肽 的蛋白质进入内质网进行合成。
  • 调控性非编码RNA参与了基因表达调控
    • 调控性非编码RNA不编码蛋白质 。具有重要的生物学功能:转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA的 翻译、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等 。参与了胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生命 活动中以及疾病(如肿瘤、神经性疾病等)的发生和发展
      • 一)短链非编码RNA种类 。微小RNA(microRNA,简称miRNA) 。小干扰RNA(smal interfering RNA,简称siRNA) 。与PIWI蛋白家族成员结合的小RNA(piwi—interacting RNA,简称 piRNA)
        • 微小RNA 。编码miRNA的基因转录生成长度为几千个碱基的初级转录本pri -miRNA。 。细胞核内,pri-miRNA在蛋白复合体Drosha的作用下生成60~70 nt、具有发夹结构的miRNA前本(pre-miRNA。 。细胞质中,RNase 川酶家族成员Dicer对pre-miRNA的茎环结构进 行剪切,在细胞质内形成大约20碱基对长的miRNA:miRNA*双链。
          • miRNA与靶基因mRNA的开放阅读框中的序列形成完全互补的RNA双 链,miRNA将双链中的mRNA降解,沉默基因表达。 。 miRNA与靶基因mRNA的3’-UTR形成非完全互补的杂交双链, miRNA结合在杂交双链上,抑制基因表达。 . miRNA参与细胞的生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵袭等多 种过程。
        • 小干扰RNA 。内源性siRNA是由细胞自身产生的。Aa 。外源性siRNA是外源入侵的双链RNA,经Dicer切割所产生的具有 特定长度(21—23bp)和特定序列的小片段RNA。 。这些siRNA可以与AGO蛋白结合,诱导靶mRNA的降解。
        • piRNA 。哺乳动物生殖细胞中分离得到的~30nt的小RNA。 5'端具有强烈的尿嘧啶倾向性(约86%)。 。piRNA与PIWI蛋白家族成员相结合才能发挥调控作用。 ◇ piRNA在染色体上的分布不均匀,piRNA的表达具有组织特异性, 调控着生殖细胞和干细胞的生长发育。 。对piRNA的研究尚处于初级阶段,具体的功能尚在研究当中。
      • (二)长链非编码RNAAa 。长度为200—100000核苷酸的RNA分子; 。具有类似于mRNA的结构:polyA尾巴和启动子,但不存在开放阅 读框; 。来源于蛋白质编码基因、假基因或编码基因间的DNA序列; ,由RNA聚合酶转录,经剪切加工后生成; 。具有强烈的组织特异性与时空特异性。
        • IncRNA作用机制 。结合在编码基因启动子区,干扰下游基因的表达; 与编码基因的转录本形成互补双链,形成不同的剪切形式; 。与编码基因的转录本形成互补双链,产生内源性siRNA; 。与特定蛋白质结合, IncRNA转录本可调节相应蛋白的活性; 。结合到特定蛋白质上,改变该蛋白质的细胞定位; 。抑制RNA聚合酶或介导染色质重构,影响下游基因的表达
      • (E)环状RNA 。几乎完全定位于细胞核中 。不受RNA外切酶的影响,表达更稳定,不易降解 或来自外显子,或兼有外显子和内含子的部分 。具有序列的高度保守性;具有一定的组织、时序和疾病特异性
        • circRNA分子富含miRNA的结合位点,在细胞中起到miRNA海绵 (ImiRNA sponge)的作用; 。通过结合miRNA,解除miRNA对其靶基因的抑制作用,上调靶基 因的表达,产生相应的生物学效应。
• 核酸的理化性质
  • 核酸具有强烈的紫外吸收
    • 碱基是含有杂环的分子。 。嘌呤环和嘧啶环上有 共轭双键具有强烈的紫外 吸收。
      • 核酸在260nm处有最大吸收光
  • DNA变性是一条双链解离为两条单链的过程
    • 变性过程(denaturation):在某些理化因素作用下,一条双链 DNA (double strand 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 (single strand DNA,简称 ssDNA)。 。变性因素:加热、过量酸或碱
    • DNA变性的增色效应 SSDNA 。在DNA变性过程中,它在 260nm处的OD值会发生增 加。这种变化称为增色效 应(hyperchromic efect)
      • 嘌呤和嘧啶的共轭双键在解链过程中会逐渐暴露,导 致其在260nm处的吸光度增加
    • DNA解链特性的表征（50％的双键被打开） 。解链曲线(melting curve): OD260随温度变化的曲线 。解链温度(melting temperature, Tm): DNA的解链过程中, 紫外光吸收值达到最大变化值的50%时的温度。
  • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链
    • DNA的复性 。逐渐去除变性条件,两条sSDNA会缓慢地形成一条dsDNA,恢 复天然的双螺旋结构,称为DNA复性(renatuation)。 。退火 (annealing):热变性的DNA经缓慢冷却后的复性 ,DNA复性的条件:两条sSDNA间满足碱基互补 。复性后的DNA在260nm的OD值吸收将降低到原来的水平
      • DNA不均一时,互补配对的可能性较小,复性 相对困难。DNA浓度高时,互补配对的可能性 增大,复性较容易。盐浓度高时,溶液离子强度 增高,可以加速DNA复性
      • DNA连接酶:使两个DNA片段之间形成磷酸二酯键 DNA聚合酶:将单个脱氧核苷酸加到DNA片段上,形成磷酸二 酯键
    • 核酸分子杂交 。核酸分子杂交(hybridization):具有碱基序列互补的两条不同 SDNA、或一条sDNA与另一条sSRNA、或两条不同SsRNA之 间都可以形成双链现象。 .sDNA和 SsRNA满足碱基互补配对
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