核酸的结构与功能

核酸是生物化学中的一个重要知识点，下图带你了解核酸的理化性质，以及化学结构等相关要点，可用于考前复习使用。

第2章核酸的结构与功能

• 核酸的化学组成以及一级结构
  • 核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
    • 辅酶Ⅰ、辅酶Ⅱ
    • A含一个氨基、G羰基＋氨基、C羰基＋氨基、T甲基+2羰基、U2羰基
  • DNA是脱氧核糖核音酸通过3 ',5 '磷酸二酶键聚合形成的线性大分子
    • 嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成核苷(ribonucleoside) C-5´原子上的羟基和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸
    • 环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使，具有调控基因表达的作用
    • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine dinucleotide, NAD+），又称辅酶I
    • 辅酶Ⅱ（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+）
    • 黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide%2c FAD）
    • 辅酶A（coenzyme A，CoA）
  • RNA是核糖核苷酸通过3',5'磷酸二醋键聚合形成的线性大分子
  • 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
    • 子主题
  • P（9 % ~10%）
• DNA的空间结构与功能
  • DNA 的二级结构是双螺旋结构
    • DNA双螺旋结构的实验基础
    • DNA双螺旋结构模型的要点
      • DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，两链以-脱氧核糖-磷酸-为骨架，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘旋，螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间
      • 碱基垂直螺旋轴居双螺旋内侧，与对侧碱基形成氢键配对
      • 相邻碱基平面距离0.34nm，螺旋一圈螺距3.54 nm，一圈10.5对碱基，直径2.37nm
      • 氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性
      • 两条多聚脱氧核营酸链的亲水性骨架将互补碱基对包埋在DNA双螺旋结构内部
        • 亲水性的骨架位于双链的外侧。 疏水性的碱基位于双链的内侧。
      • 两个碱基对平面重量产生了碱基堆积作用
        • 子主题
    • DNA双螺旋结构的多样性
      • 每圈螺旋10.4nt ，碱基堆积距0.34nm，双螺旋平均直径2nm， 大沟：宽1.2nm ，深0.85nm， 小沟 ：宽0.6nm，深0.75nm
      • 子主题
    • DNA 的多链结构
      • Hoogsteen氢键
        • 这种配对中，腺嘌呤的6-NH2和N-7分别与胸腺嘧啶的4-O和H-1形成氢键;鸟嘌呤与胞嘧啶的配对要求胞嘧啶的N-1是质子化的，鸟嘌呤的6-O和N-7分别与胞嘧啶的4-NH2和质子化的N-1形成氢键。
        • Hoogsteen氢键，不破坏Watson-Crick氢键，由此形成了C＋GC的三链结构(triplex)。
        • 鸟嘌呤之间通过Hoogsteen氢键形成特殊的四链结构(tetraplex)。
  • DNA双链经过盘绕折叠形成致密的高级结构
    • 封闭环状的DNA具高超螺旋结构
      • 超螺旋结构(superhelix 或supercoil) 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
      • 意义 DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。
    • 原核生物DNA的环状超螺旋结构
      • 原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成。
    • 真核生物DNA被逐级有序地组装成高级结构
      • 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内。 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(chromosome)。
      • 核小体的组成
        • 核小体(nucleosome)是染色质的基本组成单位，由DNA和蛋白质构成
        • 组蛋白分子质量在11kD到21kD之间，组蛋白中富含精氨酸和赖氨酸。
        • 在所有真核生物中H3，H4组蛋白氨基酸序列高度保守，提示功能是相同的。
        • DNA：约200bp 组蛋白：H1 H2A，H2B H3 H4
        • 核小体串珠样的结构
          • 子主题
          • 子主题
          • 1st折叠：7倍—染色质纤维&核小体 2nd折叠：染色体纤维空管，每个螺旋有6个核小体，压缩程度总共达40-60倍，管直径30nm，左手螺旋 3rd折叠：超螺线管，压缩40倍，300nm 4th折叠：沿着核基质进一步压缩形成染色体
        • 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AT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是主要的遗传物质
    • DNA的基本功能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。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。
    • 基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。
    • DNA是生物遗传信息的载体，并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的相对稳定性 DNA又表现出高度复杂性的特点，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
    • DNA携带两种遗传信息
      • 编码蛋白质和RNA的信息(编码tRNA、 rRNA)
      • 编码基因选择性表达的信息
• RNA的空间结构与功能
  • mRNA是蛋白质生物合成的模板
    • 概念
      • 生物体内mRNA的丰度最小(2～5％)、种类最多(105)、大小也各不相同、寿命最短
      • mRNA的初级产物为核不均一RNA(hnRNA)，含有内含子(intron)和外显子(exon)
    • 特殊结构
      • 真核细胞mRNA的5'-端有帽结构
        • 反7甲鸟三磷酸
        • 鸟苷酸转移酶将鸟嘌呤三磷酸核苷加到转录后的mRNA的5′-端，形成了一个5′-5′三磷酸键 5′-帽结构下游的第一个和第二个核苷酸中C-2′的羟基通常也会被甲基化成为甲氧基戊糖，由此产生数种不同的帽结构
        • 这种复合体有助于维持mRNA的稳定性，协同mRNA从细胞核向细胞质的转运， 以及在蛋白质生物合成中促进核糖体和翻译起始因子的结合
        • 子主题
      • 真核生物和有些原核生物mRNA的3'-端有多聚腺苷酸尾的结构
        • 真核生物的mRNA 的3-末端转录后加上一段80～至250个腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾或多聚（A）尾结构。多聚（A）尾结构是在mRNA转录完成以后加入的，催化这一反应的酶是多聚腺苷酸聚合酶
        • 子主题
      • 帽子结构和多聚A尾的功能
        • mRNA核内向胞质的转位 mRNA的稳定性维系 翻译起始的调控
    • 真核生物细胞核内的hnRNA经过一系列的修饰和剪接成为成熟的mRNA
      • 内含子被剪切掉，外显子连接在一起。
    • mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
      • 起始密码子和终止密码子所限定的区域定义为mRNA的编码区，也称可读框
      • 5′-非翻译区（5′-UTR）：从成熟mRNA的5′´-帽结构到核苷酸序列中第一个AUG（即起始密码子）之间的核苷酸序列
      • 3′´-非翻译区（3′´-untranslated region，3′´-UTR）：从mRNA可读框的下游直到多聚A尾的区域
      • 把DNA所携带的遗传信息，按碱基互补配对原则，抄录并传送至核糖体，用以决定其合成蛋白质的氨基酸排列顺序。
  • tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体
    • tRNA含有多种稀有碱基
      • 双氢尿嘧啶、假尿嘧啶核苷、甲基化嘌呤
        • 子主题
      • 占细胞总RNA的15%
    • tRNA具有特定的空间结构
      • DHG环 & TΨC环 & 接纳茎 & 反密码子环
      • X射线晶体衍射图分析表明， 所有的tRNA都具有相似的倒“ L” 形的空间结构。
      • tRNA的3'-端连接着氨基酸臂：CCA-OH；5'-端大多数为G
      • 3-末端的腺嘌呤A的C-3′原子与氨基酸以酯键相连生成氨酰-tRNA
    • tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子
    • 注意读取密码子和反密码子的时候严格遵循由5'端到3'端
    • 稳定tRNA的三级结构是某些碱基之间产生的特殊氢键和碱基堆积力
  • 以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所
    • 原核细胞有三种rRNA，依照分子量的大小分为5S、16S 和23S
    • 含量高达80%
    • 茎环结构为核糖体蛋白结合和组装在rRNA上提供了结构基础
    • 大小亚基的结合区域的沟槽是mRNA的结合部位 核糖体有三个重要的部位，它们分别是： A位：结合氨酰-tRNA的氨酰位（aminoacyl site） P位：结合肽酰-tRNA的肽酰位（peptidyl site） E位：释放已经卸载了氨基酸的tRNA的排出位（exit site）
    • 子主题
  • 组成性非编码RNA是保障遗传信息传递的关键因子
    • 催化小RNA
      • 是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA的剪接修饰中具有重要作用（第十四章）
    • 核仁小RNA ( small nucleolar RNA, snoRNA)
      • 定位于核仁，主要参与rRNA的加工和修饰，如rRNA中核糖C-2'的甲基化修饰和假尿嘧啶化修饰。
    • 核小RNA ( small nuclear RNA, snRNA)
      • 位于细胞核内，参与真核细胞mRNA的成熟过程。snRNA有5种，分别称为U1、U2、U4、U5、U6，它们与多种蛋白组成了细胞的核小核糖核蛋白（small nuclear ribonucleoprotein，snRNP），作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的结点，切除内含子
    • 胞质小RNA ( small cytoplasmic RNA, scRNA)
      • 存在于细胞质中，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
  • 调控性非编码RNA 参与了基因表达调控
    • 非编码小RNA的特征和作用
      • miRNA
        • 微RNA对基因表达的调控作用表现在转录后水平上， 主要是通过两种机制下调靶基因的表达。这两种机制的选择主要取决于miRNA与靶基因mRNA序列的互补程度
        • 在细胞核内，pri-miRNA在蛋白质复合体（Drosha和Pasha）的作用下经过了第一次的加工，生成含有60～70 nt具有发夹结构的miRNA前体
        • 这种miRNA∶miRNA*双链与Argonaute家族蛋白形成RNA诱导的沉默复合体（miRISC），其中的miRNA*被降解，miRNA则被保留在miRISC中，最终形成成熟的单链miRNA
        • 作用机制 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
        • 完全结合=降解沉默；不完全结合＝特异性抑制
      • siRNA
        • 内源性siRNA是由细胞自身产生的; 外源性siRNA来源于外源入侵的基因表达的双链RNA
        • 经Dicer切割所产生的具有特定长度（21～23 bp）和特定序列的小片段RNA
        • siRNA可以与AGO蛋白结合，并诱导这些mRNA的降解。siRNA还有抑制转录的功能。
      • piRNA
        • piRNA是从哺乳动物生殖细胞中分离得到的一类长度约为30nt 的小RNA。这类小RNA与PIWI蛋白家族成员结合才能发挥其调控作用，故称为piRNA
    • 长非编码RNA的特征和作用
      • 特征和作用
        • 长链非编码RNA（lncRNA）是一类长度为200～100 000个核苷酸的RNA分子，定位于细胞核内和细胞质内
        • lncRNAs由RNA聚合酶Ⅱ转录并经可变剪切形成，形成具有类似于mRNA的结构。lncRNA有poly（A）尾巴和启动子，但序列中不存在可读框
      • lncRNA的作用机制有以下几种
        • ①结合在编码蛋白质的基因上游启动子区，干扰下游基因的表达；
        • ②抑制RNA聚合酶Ⅱ或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因的表达
        • ③与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链，干扰mRNA的剪切， 形成不同的剪切形式
        • ④与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链， 在Dicer 酶的作用下产生内源性siRNA；
        • ⑤与特定蛋白质结合，lncRNA转录本可调节相应蛋白质的活性
        • ⑥作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体
        • ⑦结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位
        • ⑧作为小分子RNA（如miRNA、piRNA）的前体分子
    • 环状RNA的特征和作用
      • 与传统的线性RNA 不同，circRNA 分子呈封闭环状结构，没有5'-端和3'-端，因此不受RNA 外切酶的影响，表达更稳定，不易降解。
      • circRNA几乎完全定位于细胞核中
      • circRNA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
      • 在细胞中起到miRNA海绵的作用，通过结合miRNA，进而解除miRNA对其靶基因的抑制作用，升高靶基因的表达水平，产生相应的生物学效应，这一作用机制被称为竞争性内源RNA机制
• 核酸的理化性质
  • 核酸具有强烈的紫外吸收
    • 嘌呤和嘧啶是含有共辄双键的杂环分子。
    • 在中性条件下，它们的最大吸收值在260nm附近
    • 利用260nm与280nm 的吸光度比值（A260/A280）还可以判断从生物样品中提取的核酸样品的纯度。DNA纯品的A260/A280的比值应为1.8；而RNA纯品的A260/A280的比值应为2.0。
    • 核酸为多元酸，具有较强的酸性。DNA和RNA都是线性高分子，因此它们溶液的黏滞度极大（DNA>RNA）
    • 溶液中的核酸分子在引力场中可以沉淀。在超速离心形成的引力场中，不同构象的核酸分子（如环状、超螺旋和线性等）的沉降速率有很大差异
  • DNA变性是一条DNA双链解离为两条DNA单链的过程
    • 在DNA解链过程中，有更多的包埋在双螺旋结构内部的碱基得以暴露，因此含有DNA的溶液在260nm处的吸光度增加。这种现象称为DNA的增色效应
    • 解链温度：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
  • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链
    • 把变性条件缓慢地除去后，两条解离的DNA互补链可重新互补配对形成DNA 双链，恢复原来的双螺旋结构。这一现象称为复性
    • 如果将不同种类的DNA单链或RNA单链混合在同一溶液中，只要这两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基互补关系，它们就有可能形成杂化双链
  • 核酸分子杂交应用
    • Southern印迹可检测DNA Northern印迹用于检测RNA 斑点印迹杂交(Dot blot) 原位杂交 PCR扩增 DNA芯片(DNA micray)技术