核酸的结构与功能

生物化学与分子生物学第二章， 核酸的结构与功能思维导图！

核酸的结构与功能

• 化学组成及一级结构
  • 核苷酸和和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
    • 碱基是构成核苷酸的基本成分之一
      • 是含氮的杂环化合物
      • 可分为嘌呤：A、G；和嘧啶：T、C、U
        • ATGC:DNA；AGCU:RNA
      • 碱基的酮基和氨基可形成酮-稀醇互变异构体或氨基-亚氨基互变异构体
    • 核糖是构成核苷酸的另一个基本成分
      • 可分为β-D核糖和β-D-2'-脱氧核糖，二者的差别仅在于C-2'原子所连接的基团
      • 核糖存在于DNA中，脱氧核糖存在于RNA中，脱氧核糖的化学稳定性优于核糖
    • 核苷是核糖和碱基的缩合反应的产物
      • 由于空间位阻效应，核糖和碱基存在反式构像。同理，碱基与脱氧核糖的反应可生成脱氧核苷
      • 核苷或脱氧核苷C-5'原子上的羟基可以和磷酸反应，脱水形成磷酯键，生成核苷酸或脱氧核苷酸
      • 根据连接的磷酸个数，可分为核苷一磷酸（NMP）、核苷二磷酸（NDP）、核苷三磷酸（NTP)
      • 核苷酸是细胞内化学能的载体，细胞活动所需化学能主要来自核苷三磷酸，ATP为重要的载体
      • 核苷三磷酸磷原子之间通过酸酐键连接，酸酐键水解释放的能量比酯键水解的能量高出一倍多，核苷二磷酸和核苷三磷酸均属于高能磷酸有机化合物
      • 核苷三磷酸ATP和GTP可以环化形成腺苷酸（cAMP）和环鸟苷酸（cGMP），它们都是细胞信号转导过程中的第二信使
      • 一些辅酶中也含有腺苷酸
  • DNA
    • 是由多个脱氧核糖核苷酸聚合而成的线性大分子，脱氧核糖核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键共价连接
  • RNA
    • 是多个核苷酸分子在RNA聚合酶催化下通过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
  • 核酸的一级结构
    • 是核苷酸的排列顺序，也就是碱基序列
    • 核酸分子大小通常用核苷酸数目或碱基对数目表示，长度短于50个核苷酸的核酸片段称为寡肽核苷酸
    • 一个由n个脱氧核苷酸组成的DNA会有4ⁿ种不同的排列组合
• DNA的空间结构与功能
  • DNA分子的各个原子在三维空间里具有确定的空间结构
  • DNA的二级结构
    • DNA的二级结构是双螺旋结构
    • DNA双螺旋结构的实验基础
      • 四种碱基的Chargaff规则
        • 不同生物体DNA碱基组成不同
        • 同一个体不同组织或不同器官的DNA具有相同的碱基组成
        • 同一个特定组织的DNA碱基组分不随年龄、营养状态、环境改变
        • 同一特定生物体，腺嘌呤的摩尔数等于胸腺嘧啶的摩尔数，鸟嘌呤的摩尔数等于胞嘧啶的摩尔数（A=T,G=C)
    • J.Watson和F.Crick的DNA双螺旋结构
      • DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成
        • 两条链围绕同一个螺旋轴形成反向平行的右手螺旋
        • 一条链的5'→3'自上向下，另一条链的5'→3'自下向上，呈现出反向平行的特征
      • 两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对
        • A=T;G≡C
        • 碱基对平面和双螺旋结构的螺旋轴近乎垂直，平均每一个螺旋有10.5个碱基对，碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm
      • 两条多聚脱氧核苷酸链的的亲水性骨架将互补碱基对包埋在DNA双螺旋结构内部
        • 脱氧核糖和磷酸基团构成了亲水性骨架，位于双螺旋结构外侧，疏水性的碱基对包埋在双螺旋结构内侧
        • DNA双链的反向平行走向使得碱基对和磷酸骨架的连接呈现非对称性，从而在DNA双螺旋结构的表面产生了一个大沟和一个小
      • 两个碱基对平面重叠产生了碱基堆积作用
        • 相邻的两个碱基对平面彼此重叠，由此产生了疏水性的碱基堆积力
    • DNA双螺旋结构的多样性
      • 由J.Watson和F.Crick提出的双螺旋结构称为B型-DNA，环境的相对湿度改变后，DNA的空间结构参数不同于B型-DNA，被称为A型-DNA
      • 溶液的离子强度或相对湿度的变化可使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
    • DNA的多链结构
  • DNA双链
    • 1、需要形成一种超螺旋结构，释放应力使DNA处于低能量的稳定状态；2、盘绕方向与DNA双螺旋结构相同时，超螺旋结构为正超螺旋，反之为负超螺旋；3、DNA的超螺旋结构在拓扑异构酶参与下形成，自然条件下DNA双链主要以负超螺旋形式存在
    • 封闭环状的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，在细胞内经过进一步盘绕后形成类核结构
      • 负超螺旋的DNA双链只能以封闭环状的形式或者在与蛋白质结合的条件下存在
      • 负超螺旋有助于复制、转录的进行
      • 线粒体DNA也是具有封闭环状的双螺旋结构
    • 真核生物DNA被逐级有序地组成高级结构
      • 人类基因组大约有3×10^9个碱基对
      • 在细胞周期的大部分时间里，细胞核内的DNA以松散的染色质的形式存在，只有在细胞分裂期间，才形成染色体
      • 染色质基本组成单位是核小体，是由一段双链DNA和4种碱性的组蛋白（H）共同构成的
      • 连接相邻核小体之间的一段DNA称为连接段DNA，是非组蛋白结合的区域；组蛋白H1结合在盘绕在核心组蛋白上的DNA双链的进出口，发挥稳定核小体结构的作用
      • DNA在核内第一次折叠。核小体核心颗粒和DNA双链形成了10nm的串珠状结构，也称为染色质纤维
      • 染色质纤维中空状螺线管的形成是DNA在细胞内的第二次折叠
      • 真核生物染色体有端粒和着丝粒两个功能区
        • 端粒是染色体端膨大的粒状结构，由染色体端DNA（也称端粒DNA）与DNA结合蛋白共同构成。人的端粒DNA的重复序列是TTAGGG，以G-四链体的结构存在
        • 着丝粒是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
    • 基因是编码RNA或多肽链的DNA片段，即DNA中特定的核苷酸序列
    • DNA的核苷酸序列以遗传密码的方式决定了蛋白质的氨基酸排列顺序
    • 一个生物体的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
• RNA的空间结构与功能
  • mRNA是生物合成的主要模板
    • 在生物体内，mRNA的丰度最小，仅占细胞DNA总重量的2%~5%，但其种类约10^5个
    • 真核细胞mRNA的5'-端有帽结构
      • mRNA的5'-端都有一个反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷的起始结构
    • 真核生物和某些原核生物mRNA的3'-端有多聚腺苷酸尾的结构
      • 是一段由80~250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
      • 在mRNA转录完成后加入，催化反应的酶是多聚腺苷酸聚合酶
    • 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
      • 细胞核内的初级转录产物hnRNA含有许多交替相隔的外显子和内含子
      • 外显子是构成mRNA的序列片段，而内含子是非编码序列
      • 在hnRNA向细胞质转移的过程中，内含子被剪切掉，外显子连接在一起。再经过加帽和加尾修饰后，，hnRNA成为成熟mRNA
    • mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
      • 一条成熟mRNA包括5'-非翻译区、编码区和3'-非翻译区
      • 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）之间的核苷酸序列被定义为5'-非翻译区（5'-UTR)
      • 由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（ORF)
      • 从mRNA可读框的下游直到多聚A尾的区域称为3'-非翻译区
  • tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体
    • 转运RNA作为蛋白质合成的底物—氨基酸的载体参与蛋白质合成，为合成中的多肽链提供活化的氨基酸
    • tRNA含有多种稀有碱基
      • 稀有碱基指除A、G、C、U外的一些碱基，包括双氢尿嘧啶、假尿嘧啶核苷和甲基化的嘌呤等
      • 正常的核苷嘧啶与假尿嘧啶核苷的区别在于与戊糖的C-1'相连的原子，正常的是杂环N-1原子，而假尿嘧啶核苷是杂环的C-5原子
      • tRNA中的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
    • tRNA具有特定的空间结构
      • 茎环结构或发加结构：局部的双螺旋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或襻状结构，因而tRNA的二级结构呈现出酷似三叶草的形状
      • 位于两侧的发夹结构含有稀有碱基，分别称为DHU环和TψC环，亦称接纳茎；位于下方的发夹结构称为反密码子环；在反密码子环和TψC环之间还有一个可变臂
      • 稳定tRNA的三级结构的力量是某些碱基之间产生的特殊氢键和碱基堆积力
    • tRNA的3'-端连接着氨基酸
      • 所有tRNA的3'-端都是以CAA三个核苷酸结束的
      • 只有连接在tRNA的核苷酸才能参与蛋白质的生物合成
      • tRNA所携带的氨基酸种类是由tRNA的反密码子决定的
    • tRNA的反密码子能识别mRNA的密码子
      • tRNA的反密码子环由7~9个核苷酸组成，居中的3个核苷酸通过碱基互补配对的关系识别mRNA上的密码子，因此被称为反密码子
      • 携带酪氨酸的tRNA反密码子是-GUA-，可以与mRNA上编码酪氨酸的密码子-UAC-互补配对
  • 以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所
    • 核糖体RNA（rRNA）是细胞中含量最多的RNA，约占RNA总重量的80%以上
    • 原核细胞有三种rRNA，按照分子量的大小分为5S、16S、23S（S是大分子物质在超速离心沉降中的沉降系数）；它们与不同的核糖体蛋白结合分别形成了核糖体的大亚基和小亚基，大亚基和小亚基进一步组装形成核糖体
    • 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。A位：结合氨酰-tRNA的氨酰位；P位：结合肽酰-tRNA的肽酰位；E位：释放已经卸载了氨基酸的tRNA的排出位
  • 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
      • 也称为核酶，是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA统称，具有催化特定RNA降解的活性
    • 核仁小RNA
      • snoRNA，位于核仁，主要参与rRNA的加工。tRNA的核糖C-2'的甲基化过程和假尿嘧啶化修饰都需要snoRNA的参与
    • 核小RNA
      • snRNA，参与了真核细胞mRNA的成熟过程。一个snRNA与大约20种蛋白质组成了细胞的核小核糖核蛋白。由于它们富含尿嘧啶，故命名为U-snRNA。它们的作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的接点，切除内含子
    • 胞质小RNA
      • scRNA存在于细胞质中，与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能
      • SRP-RNA与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒（SRP），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
    • 非编码小RNA
    • 长非编码RNA
    • 环状RNA
• 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轭双键的杂环分子。因此，碱基、核苷、核苷酸和核酸在紫外波段都有较强烈的吸收。在中性条件下，它们的最大吸收值在260nm附近
    • 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，但是RNA的长度远小于DNA，含有RNA的溶液的黏滞度也小得多
  • DNA变性
    • 是一条DNA链解离为两条DNA单链的过程
    • 变性破坏了DNA的空间结构，但是没有改变DNA的核苷酸序列
    • 含有DNA的溶液在260nm处的吸光度随之增加。这种现象称为DNA的增色效应
    • 在实验条件下，使DNA变性的最简单直接的方法是加热
    • 在解链曲线下，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被定义为DNA的解链温度。在此温度时，50%的DNA双链解离成了单链
    • Tm=4（G+C）+2（A+T)
  • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链
    • 复性：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
    • 核酸分子杂交：DNA+DNA、RNA+RNA、DNA+RNA
• RNA
  • 编码RNA
    • 从基因组上转录而来，其核苷酸序列可以翻译成蛋白质。仅有mRNA
  • 非编码RNA
    • 不编码蛋白质
    • 确保实现基本生物学功能的RNA，称为组成性非编码RNA，包括：tRNA、rRNA、端粒RNA、信号识别颗粒等
    • 调控性非编码RNA：lncRNA、miRNA、circlRNA等