知识整理|《生物化学与分子生物学》第二章：核酸的结构与功能
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编辑：菜瓜
知识整理|《生物化学与分子生物学》第二章：核酸的结构与功能
核酸的结构与功能
核酸( mudeic acid)是以该苷酸为基本组成单位的生物信息大分子，具有复杂的结构和重要的生物学功能。核酸可以分为脱氧核糖核酸( doexyrihonucleic acid，DNA） 和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA)两类。
真核生物DNA存在于细胞核和线粒体内,携带遗传信息，并通过复制的方式将速传信息进行传代细胞以及个体的基因型( genotrpe)是由这种遗传信息组成的。在绝大多数生物中，RNA是DNA的转录产物，参与遗传信息的复制和表达真核生物RNA存在于细胞质、细胞核和线粒体内。在某些病毒中,RNA也可以作为遗传信息的载体。
01
核算的化学组成以及一级结构
1.核苷酸是构成核酸的基本组成单位
核苷酸是构成核酸的基本组成单位。碱基(base)是构成核苷酸的基本组分之一。碱基是含氮的杂环化合物，可分为嘌呤( purine)和嘧啶( pyrimidine )两类。常见的嘌呤包括腺嘌呤( adenine，A)和鸟嘌呤( gua-nine，G),常见的嘧啶包括尿密啶( uracil，U)、胸腺嘧啶( thymine ，T)和胞嘧啶( cytosine，C)。DNA中的碱基有A、G、C和T；而RNA中的碱基有A、G、C和U。
①五种碱基的酮基或氨基所处的环境PH的影响可以形成酮-烯醇互变异构体或氨基-亚氨基异构体，这为碱基之间形成氢键提供了基础。
②核糖有β-D-核糖和β-D-2-脱氧核糖
③脱氧核糖化学稳定性比核糖好，所以DNA成了遗传信息的载体
④在天然条件下，由于空间位阻效应，核糖和碱基在反式构象上
AMP 腺苷一磷酸 dAMP 脱氧腺苷一磷酸
GMP 鸟苷一磷酸 dGMP 脱氧鸟苷一磷酸
CMP 胞苷一磷酸 dCMP 脱氧胞苷一磷酸
UMP 尿苷一磷酸 dMP5脱氧胸苷一磷酸
DNA是脱氧核苷酸通过3'，5'-磷酸二脂键连接成的大分子
DNA链的方向，5'一3'的方向性，
RNA链的方向，5'一3'的方向性。
单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸（muclectide ）数目表示，双链DNA则用碱基对( base pair，bp)或千碱基对( kilobase pair，kbp)数目来表示。小的核酸片段( <50bp)常被称为寡核苷酸。自然界中的DNA和RNA的长度可以高达几十万个碱基。DNA携带的遗传信息完全依靠碱基排列顺序变化。
02
DNA的空间结构和功能
1.一级结构
核酸的一级结构是构成DNA的脱氧核苷酸或RNA的核糖核苷酸自5'-端至3'-端的排列顺序。
2.二级结构
Chargaff规则:
①不同生物个体的DNA其碱基组成不同
②同一个体不同器官或不同组织的DNA具有相同的碱基组成
③对于特定组织的DNA、其碱基组分不随其年龄、营养状态和环境而变化
④对于特定的生物体而言，腺嘌呤(A)与胸腺噙啶(T)的摩尔数相等.而鸟嘌吟(G)与胞嘧啶(C)的摩尔数相等。这一规则暗示了DNA的碱基之间存在着某种对应的关系。
双螺旋结构的特点：
①DNA由双两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链组成
右手螺旋，直径2.37nm，螺距3.54nm；
②核糖与磷酸位于外侧，有大沟和小沟；
③DNA双链之间形成了碱基互补配对；
碱基对平面与双螺旋旋结构的螺旋轴垂直
④碱基对的硫冰作用力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定。
DNA双螺旋结构的多样性：
B型-DNA A型-DNA Z型-DNA
DNA有多链结构
3.DNA的高级结构是超螺旋结构
原核生物DNA的环状超螺旋结构
绝大部分原核生物的DNA是环状的双螺旋分子。在细胞内进一步盘绕后,形成了类核(nu-cleoid)结构。类核结构中的80%是DNA，其余是蛋白质。在细菌DNA中，超螺旋结构可以相互独立存在形成超螺旋区。各区域间的DNA可以有不同程度的超螺旋结构。
真核生物DNA以核小体单位形成高度有序致密结构
核小体（由DNA和H1，H2A，H2B，H3和H4等5种组蛋白共同构成）→中空螺旋管→超螺旋管纤维→染色单体
着丝粒：在有丝分裂中发挥重要的作用
端粒：在维持染色体结构的稳实和维特DNA复制过程中DNA的完整性方面有重要作用，还有衰老和肿癌瘤的发生发展有关系。
DNA的功能: DNA是生物遗传信息载体,并为基因复制和转录提供模板。
03
RNA的结构与功能
RNA与蛋白质共同相负起基因的表达和表达调控功能。RNA比DNA小得多，但是它的种类，大小和结构却远比DNA复杂的多。
mRNA
①真核生物mRNA的5'-端有特殊帽结构。
②真核生物mRNA的3'-端有多聚腺苷酸尾，在真核生物mRNA的3'-端，有一段由至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( poly( A)-tail)或多聚A尾。
③mRNA的碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列。mRNA为蛋白质的生物合成提供模板。成熟的mRNA由编码区和非编码区组成。
tRNA
① tRNA 含有多种稀有碱基：稀有碱基是指除A,G,C,U外的些碱基，包括双氢尿嘧啶、假尿嘧啶核苷和甲基化的嘌呤等。
②tRNA含有茎环结构（三叶草的形状）
③tRNA的3'-端可连接氨基酸，所有的tRNA的3'-端都是以CCA三个核苷酸结束的。
④tRNA的反密码子能够识别mRNA密码子
rRNA
核糖体RNA( rRNA)是细胞内含量最多的RNA,约占RNA总量的80%以上。RNA与核糖体蛋白共同构成核糖体，它为蛋白质生物合成所需要的mRNA，tRNA以及多种蛋白因子提供了相互结合和相互作用的空间环境。
其他非编码RNA参与基因表达的调控
核内小RNA 胞质小RNA 催化性小RNA 小干扰RNA 微RNA
04
核算的理化性质
1.核算分子具有强烈的紫外线吸收
在中性条件下，碱基、核苷、核苷酸和核酸在紫外波段有较强的光吸收，最大吸收值在260nm附近。
核酸为多元酸，具有较强的酸性。
2.DNA变性是双链解离为单链的过程
DNA变性及复性:在某些理化因素下(如PH、温度，离子强度下)会导致DNA双链之间的互补碱基对之间的氢键发生断裂。
在变性条件缓慢去除后，两条解离的互补链可以重新互补配对，形成DNA双螺旋结构。
DNA增色主应: DNA分子变性后，双链之词的双链解离，使得更多的共轭双建得以暴露，在含有DNA的溶液在260nm处的吸光度随之增加。
Tm：在解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大值的一半时所对应的温度定义为DNA的解链温度或融解温度。
05
核酸酶
核酸酶是所有可以水解核酸的酶。依据核酸酶底物的不同可以将其分为DNA酶d和RNA酶两类。DNA 酶能够专一性地催化脱氧核糖核酸的水解，而RNA酶能够专一性地催化核糖核酸的水解。 按照对底物级结构的专一性，核酸陷还有单链酶和双链酶之分。
依据对底物的作用方式可将核酸醇分为核破外切酶和核酸内切酶。核酸外切酶仅能水解位于核酸分子链末端的磷酸二脂键。
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