核酸的结构和功能

• ​DNA的空间结构与功能

  • DNA的二级结构是双螺旋结构

    • 碱基组成分析——Chargaff 规则

      • 1. [A]=[T]，[G]=[C]

      • 2.不同生物种属的DNA碱基组成不同

      • 3.同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同。

      • 4.一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、 营养状态或环境变化而改变。

    • B-DNA双螺旋结构要点

      • 1. 反向平行、右手螺旋的双链结构螺旋直径2nm，每圈螺旋含10个碱基对(bp) ，螺距为3.4nm。脱氧核糖基-磷酸基骨架位于螺旋外侧，碱基位于内侧，分子表面存在一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove）

      • 2. DNA双链之间形成了互补碱基对两条链通过碱基间的氢键相连，A对T有两个氢键，C对G有三个氢键，这种A-T、C-G配对的规律，称为碱基互补规则。碱基平面与螺旋的长轴垂直。

      • 3. 维持双螺旋稳定的因素：横向为互补碱基间的氢键，纵向为碱基平面间的疏水性堆积力。

    • DNA双螺旋结构的多样性

      • 除B型外，还有Z型及A型。

  • DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装

    • DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构(superhelix 或supercoil)。

      • 原核生物DNA的环状超螺旋结构

      • 真核生物DNA高度有序和致密的结构

        • 真核生物染色质由DNA和蛋白质构成，其基本单位是核小体(nucleosome)

        • 核小体又进一步盘曲成直径为30nm的中空的染色质纤维，称为螺线管

        • 螺线管再经卷曲形成染色单体

  • DNA是遗传信息的物质基础

• 核酸的化学组成及其一级结构

  • ​RNA也是具有3',5'-磷酸二酯键的线性大分子

    • RNA也是多个核苷酸分子通过聚合反应形成的线性大分子，并且具有5' → 3'的方向性

    • RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶

    • RNA的戊糖是核糖

    • 构成RNA的四种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP

  • ​DNA是脱氧核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键连接形成的大分子

    • 个脱氧核苷酸3羟基与另一个核苷酸5--磷酸基团缩合形成磷酸二酯键(phosphodiester bond)

    • 许多脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸(polydeoxy-nucleotide)，即DNA

  • ​核酸的一级结构

    • 定义：核酸中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称为碱基序列。

  • ​核苷酸是构成核酸的基本组成单位

    • 元素组成

      • C、H、O、N、P（9~10%）

      • 与蛋白质比较，其组成上有两个特点

        • 一般不含元素硫 (S)

        • P元素的含量较多并且恒定(约占9-10%)

    • 分子组成

      • 碱基(base)

        • 嘌呤

          • ​A

          • ​G

        • 嘧啶

          • ​C

          • ​U

          • ​T

        • ​稀有碱基

          • 大多数都是甲基化碱基

      • 戊糖(ribose)

      • 磷酸(phosphate)

    • 核苷或脱氧核苷

      • 嘌呤碱N-9或嘧啶碱N-1与核糖或脱氧核糖C-1通过β-N-糖苷键相连形成

    • 核苷酸或脱氧核苷酸

      • 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成

• ​RNA的结构与功能

  • mRNA是蛋白质合成的模板

    • 真核生物mRNA结构特点(原核细胞和线粒体mRNA没有5'-帽和3'-多聚A尾结构)

      • 5'末端的帽结构

        • 定义：以7-甲基鸟嘌呤三磷酸核苷为起始结构，这种m7GpppN结构被称为帽结构(cap sequence)

        • 作用

          • mRNA的帽结构可与帽结合蛋白(cap binding proteins, CBPs) 结合

          • 参与翻译的起始

          •  保护mRNA免受RNase的水解

          • 与mRNA从细胞核向细胞质转运有关

      • 3‘末端多聚A尾结构

        • 定义：大多数mRNA的3'末端有一段由几十个到百余个腺苷酸聚合而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾(poly A tail)与poly A结合蛋白(polyA-binding protein, PABP)相结合而存在

        • 作用

          • 与mRNA 由核内向胞质的转位有关

          • 增加mRNA的稳定性

          • 参与翻译起始的调控

      • 携带遗传密码子

  • 转运RNA的结构与功能

    • tRNA的功能

      • 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质翻译

    • ​tRNA的结构特点

      • RNA的三级结构特点

        • 倒L形

      • tRNA的二级结构特点

        • 三叶草形，含有DHU环、 TC环、反密码环、氨基酸接纳茎等

      • tRNA的一级结构特点

        • 含 10~20% 稀有碱基，如 DHU

        • 3´末端为 — CCA-OH

  • 以rRNA为组分的核糖体是蛋白质合成的场所

    • rRNA的功能：

      • 参与构成核蛋白体

      • 核蛋白体是蛋白质合成的场所

      • 为肽链合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋白因子提供了相互结合的位点和相互作用的空间环境。

• ​核 酸 酶（Nuclease）

  • 依据底物不同分类

    • DNA酶(deoxyribonuclease, DNase)：

    • RNA酶 (ribonuclease, RNase)：

  • 依据切割部位不同

    • 核酸内切酶：分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶。

    • 核酸外切酶：5´→3´或3´→5´核酸外切酶。

• ​核 酸 的 理 化 性 质

  • 核酸分子具有强烈的紫外吸收

    • 核酸在波长 260nm 处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的。

  • DNA的变性是双链解离为单链的过程

    • 定义：在某些理化因素(温度、pH、离子强度)作用下，DNA双链的互补碱基对之间的氢键断裂，使DNA双链解离为单链。这种现象称为DNA变性(denaturation)

    • ​Tm值

      • 定义：解链过程中，紫外吸光度的变化△A260达到最大变化值的一半时所对应的温度称为DNA的解链温度，又称融解温度(melting temperature, Tm)

      • Tm值的高低与以下因素有关：

        • 所含碱基中的G和C所占比例

        • DNA分子大小

        • pH

        • 离子强度

  • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链