【生物化学】06 核酸的结构与功能_思维导图模板

核酸的结构与功能

核酸的分类

基本组成单位

单核苷酸

连接方式

3',5'-磷酸二酯键

RNA理论上可以存在2',5'-磷酸二酯键

高等动物体内的干扰素可诱导靶细胞合成一种依靠此键连接的多聚腺苷酸

RNA与DNA的三大差别

RNA分子是核糖，DNA是脱氧核糖

区分RNA和DNA的唯一标准

2'-OH

会亲核进攻旁边的3',5'-磷酸二酯键，产生2',3'-磷酸二酯键

导致RNA的自发降解

适合mRNA

在碱性环境下RNA尤其不稳定

2'-OH变成O-，亲核性大大增加

RNA一般在酸性条件下存放

tRNA、rRNA等可能将2'-OH甲基化以增强自身稳定性

利用羟基的亲核进攻性，作为酶催化一些重要的生化反应

RNA含U，DNA含T

有时RNA也会有T，DNA经常含有少量U

RNA中的T来自U的甲基化

DNA的U

细胞中存在少量dUTP，在DNA复制时可直接参入

C自发脱氨基形成U

导致突变的产生

会被DNA修复系统视为损伤

将U切除

根据对面碱基合成新的碱基

DNA用T不用U的原因

防止C脱氨基产生的“坏U”和本来的“好U”混淆

RNA的C突变不会被修复的原因

密码子的简并性

RNA不是遗传物质

RNA比DNA小得多，发生自发脱氨基的概率小得多

同一种RNA有大量拷贝，个别突变不影响整体功能

细胞内有一套质量控制系统，能即时水解错误的RNA

RNA常单链，DNA常双链

RNA单链

使RNA能折叠成各种三维结构

DNA双链

保证了DNA行使其生物学功能

易于复制

易于修复

常见的RNA

snRNA

核小RNA

仅真核生物

参与真核细胞TNA前体的剪接

帮助确定外显子、内含子的交界

作为酶催化剪接反应

snoRNA

核仁小RNA

真核生物和古菌

通过碱基互补配对定位rRNA上需要修饰的碱基

RNAi

干扰RNA

特异性干扰翻译过程，控制基因表达

分类

microRNA

微RNA

细胞内源

仅真核生物

siRNA

小干扰RNA

细胞外源

tmRNA

转移信使RNA

仅细菌

兼有tRNA和mRNA的功能

参与细菌无终止密码子的mRNA的抢救翻译

Xist RNA

仅雌性哺乳动物表达

促进哺乳动物一条X染色体转变成高度浓缩的巴氏小体

RNA的分类

根据RNA是否具有编码蛋白质的功能

编码RNA

非编码RNA

管家ncRNA

呈组成型表达，是细胞的正常功能和生存所必须的

调控ncRNA

只在特定的细胞，或在生物发育的某个阶段，或受到特定的外界刺激后才表达

其表达能够在转录或翻译水平上影响到其他基因的表达

核酸的一级结构

定义

构成核酸的多聚核苷酸链上所有核苷酸或碱基的排列顺序

多聚核苷酸链的特征

有两个不对称的末端

称为极性

在生理pH下，多聚核苷酸链的磷酸基团大多处于解离的状态，带有大量负电荷

每一条链上的核苷酸残基都有一定的排列顺序

结构

线形

环形

细菌的染色体DNA

大多数质粒DNA

叶绿体DNA

大多数线粒体DNA

核酸序列的书写

5'→3'

一级结构的意义

生物体的遗传信息是贮存在有4种核苷酸编码的特定的序列之中，而与高级结构无关

核酸的二级结构

DNA的二级结构

引起DNA双链构象改变的主要因素

相对湿度

盐的种类和浓度

碱基组成和序列

超螺旋的数量和方向

螺旋的种类

B型双螺旋

由Watson和Crick提出

主要内容

DNA由两条反平行的多聚脱氧核苷酸链组成，两条链互相缠绕，形成右手双螺旋

最常见的双螺旋

组成右手双螺旋的两条链在碱基序列上是互补的

Watson-Crick碱基对

A-T

C-G

决定Watson-Crick碱基对的特异性的因素

碱基对间在几何形状上的完美互补

更重要

碱基对间能形成绝配的氢键

并未用尽碱基上的所有氢键供、受体

可以用于与其他生物分子发生特异性相互作用

碱基对位于双螺旋的内部，并垂直于螺旋轴，而磷酸脱氧核糖骨架位于螺旋表面

双螺旋的表面是不规则的

含有明显的大沟和小沟

大沟的特点

便于与其他生物分子相互作用

识别DNA序列的模体

螺旋-环-螺旋

螺旋-转角-螺旋

一个α螺旋深入大沟，与其中剩余的氢键供受体作用

大沟内碱基对暴露得非常清楚，可以区分GC、CG

双螺旋的其他参数

相邻碱基对距离

0.33nm

相差

36°

螺旋的直径

2.00nm

螺距

一圈螺旋的高度

3.32nm

一圈完整螺旋的碱基对数

10bp

细胞内实际约10.4-10.6bp

A型双螺旋

形成原因

相对湿度（含水量）的降低

盐浓度的上升

主要参数

每一圈螺旋

11bp

螺距

2.46nm

直径

2.6nm

碱基对相对于螺旋轴倾斜

19°

相邻碱基对的距离

0.23nm

大沟

窄而深

小沟

宽而浅

与A型双螺旋作用的蛋白质通常作用于小沟（包括与RNA作用）

存在场所

某些革兰氏阳性菌孢子内的DNA

DNA复制时与DNA聚合酶活性中心结合的大概3bp的双螺旋

活性中心是一个疏水环境

任何有RNA参与的双螺旋

因为2'-OH的空间位阻

Z型双螺旋

结构特点

螺旋上的脱氧核糖磷酸骨架呈锯齿状或Z字型伸展

螺旋的方向是左手

G的糖苷键是顺式

螺旋的各种参数发生变化

大沟

平坦

小沟

极度窄，很深

在体外存在的条件

高的盐浓度或者在有乙醇时

减少两条链间磷酸基团的斥力

嘌呤-嘧啶相间排列

在胞内存在的条件

体内带正电的多胺化合物

中和磷酸基团的负电，有利于Z-DNA的形成

某些带正电的蛋白质

在DNA周围创造局部的高盐浓度的微环境

C上的甲基被认为有助于B向Z的转变

有时负超螺旋也能促进Z-DNA的形成

机体内只会有少数片段以Z-DNA存在

其与B-DNA的交界处会各有一对碱基被从内部挤出来

生物学意义

一般认为与基因的表达调控有关

可能通过释放来自螺旋本身的拓扑学张力而促进同源重组

支持DNA双螺旋结构的证据

X射线衍射数据

Chargaff规则

A=T、C=G、A+G=C+T

碱基的互变异构

如果复制时某些碱基处于烯醇式或亚氨基式，会导致错配

稳定双螺旋结构的因素

氢键

碱基对之间的氢键

碱基堆积力

对螺旋稳定起决定性作用

定义

碱基对之间在垂直方向上的相互作用所产生的力

包括疏水键和范德华力

碱基堆积力的大小

嘌呤与嘌呤>嘌呤与嘧啶>嘧啶与嘧啶

碱基的甲基化能提高碱基堆积力

GC堆积力高于AT

AAAAA比ATATAT更稳定

碱基对接触面积更大

磷酸核糖骨架上负电荷的中和

通过金属阳离子中和

降低两条链的斥力

取决于DNA环境的离子强度

DNA的非标准二级结构

弯曲

产生条件

某区段含有成串的A序列（4-6个A），且相邻的串间隔10个碱基时，容易形成弯曲

受到某些蛋白质的作用

发生碱基错配或受到损伤时

作为DNA修复系统识别的一种信号

意义

有利于压缩比较大的基因组DNA

十字形

反向重复序列导致

补充：几种特殊的碱基序列

反向重复

回文序列

镜像重复

直接重复

意义

在人类基因组DNA的复制起始区和转录调控区，有许多反向重复序列

也许能充当某种控制DNA复制和基因转录的开关

三螺旋（H-DNA）

在双螺旋的基础上沿大沟引入第三条链

三条链的条件

全是嘌呤或全是嘧啶

2x嘌呤+1x嘧啶

1x嘌呤+2x嘧啶

第三条链上的C需质子化（低pH）

若分子内三螺旋

序列呈镜像重复

第三条链形成Hoogsteen碱基对

仍是A-T、C-G

利用嘌呤碱基两个潜在的氢键位点

分类

顺式

第三条链与嘌呤链呈平行排列

反式

第三条链与嘌呤链呈反平行排列

稳定三螺旋的因素

碱基堆积力

高盐浓度时对磷酸负电荷的中和

负超螺旋

意义

影响DNA的复制、重组和转录

阻止特定的蛋白质与DNA的结合

调控基因表达

碱基翻转

定义

DNA双螺旋上的某个碱基离开其配偶，突出在双螺旋之外

意义

参与同源重组的酶需要通过碱基翻转寻找同源的序列

催化碱基修饰的酶需要碱基通过翻转落入其活性中心被化学修饰

参与碱基切除修复的DNA糖苷酶需要受损伤的碱基通过翻转落入其活性中心

DNA分子上的U就是通过这种方式被尿嘧啶-DNA糖苷酶切除

滑移错配DNA

产生条件

直接重复序列

影响

可能导致某些基因发生移框突变

若此时复制，游离在外的环可能被跳过

四链DNA

形成条件

两个两侧含有两段G四联体（GGGG）重复序列的GCGC序列组成的DNA片段间

端粒是最可能形成四链结构的地方

RNA的二级结构

基本知识

主要取决于其碱基组成，即一级结构

已知一级结构，可以对其二级结构进行很好的预测

RNA只能形成A型双螺旋

2'-OH的空间位阻导致的

第三种碱基对

两个氢键

增加了形成局部双螺旋的可能性

最常见的二级结构是发夹结构（茎环结构）

tRNA的二级结构

三叶草形

大小

73-94个核苷酸

部分碱基常甲基化

rRNA的二级结构

分类

原核生物

16S

23S

真核生物

5.8S

18S

28S

有大量链内互补序列

使rRNA高度折叠

不同物种的rRNA一级结构并不相似，但二级结构相似度很高

mRNA的二级结构

mRNA的两端的二级结构对翻译有一定影响

可调控基因表达

最常见的是茎环结构

核酸的三级结构

DNA的三级结构

DNA的存在形式

松弛型

超螺旋

分类

正超螺旋

过度缠绕

左手螺旋

不利于解链

不利于复制、重组、转录

可通过DNA拓扑异构酶清除

负超螺旋

缠绕不足

右手螺旋

有利于解链

利于复制、重组、转录

表示参数

连环数（L）

在螺旋轴被限制在平面上，双螺旋DNA的一条链以右手的方向环绕螺旋轴的总次数

L=T+W

扭转数（T）

DNA的双螺旋的总转数

缠绕数（W）

双螺旋的轴环绕超螺旋轴的次数

比连环差（λ）

超螺旋密度

RNA的三级结构

较大RNA的折叠

需要RNA伴侣的帮助

典型的RNA三级结构模体

TPP核开关

功能

探测细胞内特定物质的浓度变化，并作出反应，影响相关基因表达

很多酶的辅酶

TPP浓度高时能结合TPP代谢有关的基因的RNA

假节结构

功能

参与形成多种核酶和自我剪接的内含子的活性中心

诱导多种病毒在翻译过程中发生核糖体移框

对端聚酶发挥活性十分重要

RNA部分充当端粒DNA合成的模板

“吻式”发夹

共轴螺旋

A-小沟模体

核糖拉链

弯曲-转角

驱动和稳定RNA三级结构的因素

金属离子

碱性蛋白质

在一级结构上相距较远的两端区域形成的Watson-Crick碱基对或非Watson-Crick碱基对

碱基堆积力

碱基和主链之间的相互作用

氢键

2'-OH也会参与形成氢键

中和RNA链上的负电荷

tRNA的三级结构

倒L型

有效隔开tRNA的两个功能端

mRNA

无三级结构

核酸与蛋白质形成的复合物

DNA与蛋白质形成的复合物

真核生物的核小体

定义

真核细胞的核基因组DNA在细胞核内与组蛋白结合形成的结构

可视为真核生物细胞核染色质的一级结构单位

在电镜下呈串珠状

每一个“珠子”由组蛋白核心和环绕其上的DNA组成

相邻“珠子”之间称为连线DNA

最容易受到DNA酶的水解

与H1结合

去除H1并不会破坏核小体结构

组蛋白

性质

一类较小的碱性蛋白

富含碱性氨基酸——Lys、Arg

生理pH下带负电

类型

保守性最低

某些组织中没有H1，用其他组蛋白取代

并不形成组蛋白核心

游离在外，与连线DNA结合，锁定核小体

有利于将核小体包装成更高层次的结构

H2A

保守性第三

H2B

保守性第三

保守性第二

保守性最高

上述5种形式相对应的变体

取代相应标准组蛋白并于DNA结合后

改变局部的核小体和染色质的结构，可能影响到基因的表达

H1°

结构相似

N端形成尾

C端形成组蛋白特有的模体

组蛋白折叠

组蛋白核心

八聚体

由四组二聚体通过组蛋白折叠结合

2x(H3+H4)

2x(H2A+H2B)

主要通过静电引力与DNA结合

表面环绕约146bp的DNA双螺旋

DNA序列在核小体选位中起重要作用

功能

用来调节特定基因的表达

可以通过启动远距离DNA序列之间的相互作用而激活基因表达

通过阻碍特定转录因子或调节蛋白与DNA的结合而抑制基因表达

DNA只有在从核小体上解离或部分解盘绕的情况下才可与转录因子或调节蛋白充分接触

组蛋白尾上的氨基酸残基可被化学修饰

修饰形式

乙酰化

甲基化

磷酸化

泛酰化

改变蛋白分子所带电荷

影响其与DNA的相互作用

对核小体的稳定和DNA的解螺旋起调控作用

古菌的核小体

古菌的基因组也是共价闭环的DNA

古菌也含有组蛋白，也会形成核小体

组蛋白

类型

HMfA

HMfB

短于真核生物

只形成四聚体核心

包被约80bp

没有伸出的N端或C端尾

无法进行化学修饰

细菌的拟核

细菌没有组蛋白

含有小的碱性蛋白质

可以与基因组DNA结合

形成高度浓缩的拟核或类核的结构

拟核

含有

DNA

以超螺旋形式存在

形成50-100kb的小环

小环被固定在由特定的蛋白质分子形成的基座上

拟核蛋白NAP

DNA拓扑异构酶

转录因子

mRNA

RNA与蛋白质形成的复合物

核糖体

信号识别颗粒（SRP）

识别多种真核细胞与粗面内质网核原核细胞与细胞膜结合的核糖体上合成的蛋白质在N端的信号肽，参与这些蛋白质的共翻译定向和分拣

核小RNA蛋白质复合物（snRNP）

参与细胞核内mRNA的剪接

核仁小RNA蛋白质复合物（snoRNP）

参与真核细胞rRNA的后加工

剪接体

切除真核细胞mRNA分子内的内含子

核糖核酸酶P

参与tRNA前体在5'端多余的碱基序列的切除

端粒酶

RNA病毒

核酸的功能

DNA

作为生生物体的主要遗传物质

证明实验

Avery的细菌转化实验

Chase的噬菌体实验

RNA

充当RNA病毒的遗传物质

核酶

参与蛋白质的生物合成

作为引物，参与DNA复制

参与RNA前体的后加工

参与基因表达的调控

参与蛋白质共翻译定向和分拣

参与X染色体的失活

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