生化第三章思维导图

小柴奶黄包

2024-10-19

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核酸结构

核酸功能

理化性质

核酸的理化性质，结构功能相关内容讲解

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思维导图大纲

核酸的化学组成及一级结构

元素组成为C，H，O，N，P（恒定，可用于核酸含量的测定）

由多个核苷酸通过3'，5'-磷酸二酯键连接而形成的聚合物

完全水解可以释放出含氮碱基，戊糖和磷酸，三种成分均以共价键依次连接而成

核苷酸

组成DNA的基本单位是四种脱氧核苷酸，而组成RNA的基本单位是四种核苷酸

碱基

含氮杂环化合物，分嘌呤和嘧啶

嘌呤

包含腺嘌呤A和鸟嘌呤G

嘧啶

包含胞嘧啶C，尿嘧啶U和胸腺嘧啶T，U仅存在于RNA，T主要存在于DNA

含有稀有碱基，大多数是碱基甲基化的产物

戊糖

组成核酸分子骨架的戊糖分为β-D-核糖与β-D-2'脱氧核糖

RNA含β-D-核糖，DNA含β-D-2'脱氧核糖

RNA比DNA更易产生自发水解，性质不如DNA分子稳定

核苷

由核糖和碱基通过糖苷键连接而成，即嘌呤碱的第9位氮原子（N-9）或嘧啶碱的第一位氮原子（N-1）与核糖或脱氧核糖的C-1'脱水缩合相连

形成核糖核苷或脱氧核苷

核苷酸

由核苷和磷酸通过磷酸酯键连接而成

生物体内游离存在最多的是5'-核苷酸

腺苷三磷酸（ATP）作为能量的通用载体在生物体的能量转换中起核心作用

UTP，GTP，CTP在某些专门的生化反应中起传递能量的作用

是某些重要辅酶的组成部分

核酸的一级结构

核酸是由核苷酸通过3'，5'-磷酸二酯键连接而成的无分支结构的生物大分子

一级结构指的是核苷酸的排列顺序（碱基序列）

相邻两个核苷酸由3'，5'-磷酸二酯键连接

多聚核苷酸结构书写

从左到右按碱基排列的顺序，左侧端标5'端（磷酸基），右侧端标3'端（羟基）

核酸的理化性质

紫外吸收

核酸为两性电解质

可用电泳和离子交换等方法进行分离提取，鉴定

核酸分子中有共轭双键，使得在紫外260nm波长有最大吸收峰

对核酸进行定性、定量分析

用A260/A280值判断提取核酸纯度

可作为核酸变性、复性指标

DNA是线性高分子，黏度大，机械力下易断裂。较稳定

RNA易水解，分子小且短，黏度小

DNA的变性

受到某些理化因素作用时，DNA双链互补碱基对之间的氢键和相邻碱基之间的堆积力受到破坏，解开形成单链，形成无规则线团构象称DNA变性

变性不涉及核苷酸间共价键的断裂

增色效应：双螺旋结构解体（增色基团暴露），两条链分开，如260nm紫光吸光度值升高

热变性

爆发性，变性作用发生在一个很窄的温度范围内

图形曲线呈“S”形

下方平坦表示DNA氢键未破坏；加热到一定温度次级键破裂，DNA裂解伴随吸光度上升；而后出现平坦现象

将热变形是DNA分子结构破坏一半时的温度称为DNA的熔点/溶解温度，Tm

相当于吸光率增加的中点处

影响因素

DNA的均一性

指DNA分子中碱基组成的均一性

若样品中只有一种DNA，Tm范围较窄；若有多种则较宽

G-C碱基对含量

含量越高Tm值越高

介质中的离子强度

DNA链长度

DNA的复性与分子杂交

变性的DNA去除变性因素后，两条互补链可重新结合恢复天然的双螺旋构象，称复性

热变形的DNA经过冷却可以复性，称退火

DNA片段越大，复性越慢

将不同来源的DNA单链分子或RNA分子放在同一种溶液中，只要两种单链分子之间存在一定程度的碱基配对关系，在适宜条件下可以使不同分子间形成杂化双链

可以在DNA与DNA，DNA与RNA，RNA与RNA之间形成

杂交的本质是在一定条件下使互补核酸链形成氢键形成复性

DNA的空间结构与功能

研究背景

1944Avery证实遗传物质是DNA

1951Pauling发现了蛋白质的α螺旋结构

1952Chargaff发现了DNA碱基的组成规律

二级结构—双螺旋结构模型

特点

B型双螺旋结构

DNA分子由两条脱氧多聚核苷酸围绕同一中心轴盘曲而构成右手螺旋结构，反向平行，一条是5'-3'，一条是3'-5'

DNA链骨架由交替出现亲水脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧；碱基配对位于内侧

两条脱氧多聚核苷酸链以碱基之间形成氢键配对相连，即A与T两个，C与G三个，称互补碱基对。两条链为互补链

碱基对平面与螺旋轴几乎垂直

每相邻两个碱基对平面之间的距离为0.34nm，每个螺旋结构含有10.5个碱基对，螺距为3.54nm，双螺旋结构直径为2.37nm

DNA两条链形成大沟和小沟

大沟是蛋白质识别DNA碱基序列发生相互作用的基础

两链形成的大沟小沟都相同

稳定主要由互补碱基对之间的氢键和碱基堆积力共同维持

碱基堆积力主要指疏水作用力，即一条链中相邻碱基之间的非特异性作用力

维持纵向

氢键维持横向

多样性

B型是最稳定和最普遍的构象

降低环境相对湿度，B会发生可逆改变为A

A较粗，每个相邻碱基对平面之间的距离为0.26nm，每圈螺旋结构有11个碱基对，直径为2.55nm

比B刚性强

右手螺旋

Z型

左手螺旋

相邻碱基对平面距离为0.37nm，每一螺旋含有12个碱基对，直径是1.8nm

可增强某些基因的转录，有助于负超螺旋结构的打开，一些特异的调节蛋白可以与之结合，与基因的调控有关

DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装

DNA在双螺旋结构基础上通过扭曲，折叠所形成的特定三维构象称三级结构

超螺旋最常见

DNA分子两端固定或环状分子，当双螺旋缠绕过分或缠绕不足，双螺旋由旋转产生的额外张力会使DNA发生扭曲以抵消张力，称超螺旋

若盘旋方向与双螺旋方向一致，即右手螺旋，会造成双螺旋分子旋转过度，称正超螺旋；反之为负超螺旋

负超螺旋在蛋白质同DNA结合时可能起到促进作用，自然界DNA主要为负超螺旋形式存在

原核生物DNA的环状超螺旋结构

绝大部分为共价闭环双螺旋分子

在体内紧密缠绕成致密小体，称拟核

超螺旋可以相互独立存在，形成超螺旋区

真核生物DNA的组装

染色质的基本组成单位是核小体，由五种组蛋白和长度约为200bp的重复序列DNA所组成

组蛋白是一种碱性蛋白质

富含两种碱性氨基酸：赖氨酸和精氨酸

组蛋白H2A，H2B，H3和H4各两分子组成一个八聚体构成核心组蛋白。

长度为146bp的DNA双链以左手螺旋缠绕核心组蛋白1.67圈形成核心颗粒

余下的DNA双链作为连接DNA和组蛋白H1构成的连接区将两相邻核心颗粒连接起来，彼此靠近

染色体由DNA和蛋白质及少量RNA构成的不同层次缠绕线和螺线管结构

DNA的功能

以基因的形式携带遗传信息，并作为复制和转录的模板

基因指的是在染色体上占有一定位置的遗传基本单位，含有编码一种RNA，大多数情况是编码一种多肽的信息单位

DNA的结构特点是具有高度的复杂性和稳定性

RNA的结构和功能

基本结构是以3'-5'-磷酸二酯键连接而成的多聚核苷酸链

组成的四种核苷酸：AMP，GMP，CMP，UMP

通常为单链线型分子，但可自身回折在碱基互补区形成局部短的双螺旋结构

核糖环的C-2'位含有游离的羟基，使RNA的化学性质不如DNA稳定

种类，大小，结构比DNA多样化

信使RNA的结构与功能

mRNA在细胞内含量较少，但种类最多

原核生物中mRNA的转录和翻译在细胞内同一空间完成，两个过程紧密偶联同时发生

真核细胞中mRNA的转录和翻译不在同一空间内完成

一个多肽链对应的DNA序列及其翻译起始信号和终止信号称顺反子

编码单个多肽的mRNA是单顺反子，真核生物都是单顺反子；编码多个肽链的mRNA分子是多顺反子，原核生物属于此类

特点

5'端具有共同的帽子结构

5'端加上一个甲基化鸟苷酸于末端起始核苷酸以5'，5'-焦磷酸键连接，形成m7G-5'ppp5'-N-3'帽子结构

原始转录产物的第一，二个核苷酸残基的C-2'通常也被甲基化

m7G代表甲基化的G在7号位上

N代表核苷酸链中不同的碱基代号

mRNA的帽子结构可以和帽结合蛋白形成复合物

对于mRNA从细胞核向细胞质的转运、与核糖体结合、与翻译起始因子的结合及mRNA稳定性的维持等有重要作用

3'-端具有多聚腺苷酸尾巴结构

3'-端由许多腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称多聚A尾

催化的酶为polyA转移酶

多聚A尾和帽子结构共同负责mRNA从核内向胞质的转运、mRNA的稳定性维系及翻译起始的调控

mRNA分子的长短决定了它要翻译出的蛋白质的分子大小

功能是转录细胞核内DNA遗传信息，指导蛋白质合成，决定蛋白质多肽链中的氨基酸排列顺序

每相邻3个核苷酸为一组，决定多肽链上的一个氨基酸，称三联体密码或密码子

完整的mRNA包括5'非翻译区，编码区，3'非翻译区

编码区包括起始密码子，编码其他氨基酸的密码子和终止密码子

转运RNA的结构与功能

占15%，分子质量最小

由70-90个核苷酸组成

特点

含有较多的稀有碱基（10%）

二氢尿嘧啶（DHU），甲基化的嘌呤（mG，mA），假尿苷（φ）

二级结构呈三叶草形

组成tRNA的几十个核苷酸中存在着一些能局部互补配对的区域，形成局部的区域，中间不能配对的部分膨出成环，称为茎环结构

使得tRNA形状类似于三叶草形

包括三环四臂一可变环

三环四臂一额外环

二氢尿嘧啶环（DHU）

5'-端起第一个环，由8~12个核苷酸组成

由3~4对碱基组成的双螺旋区（二氢尿嘧啶臂）与tRNA分子其余部分相连

反密码环

由7个核苷酸组成。环中部的3个碱基可以与mRNA的密码子形成碱基互补配对，构成反密码子

反密码环通过由5对碱基组成的双螺旋区（反密码臂）与tRNA其余部分相连

TφC环

由7个核苷酸组成的近3'-端的环结构

与核糖体的大亚基起作用，与自身三级结构折叠有关

额外环

由3~8个核苷酸组成，不同tRNA此环大小可变

是tRNA分类的重要指标

氨基酸臂

由5'-端和3'-端7对碱基组成，富含鸟嘌呤，所有tRNA的3'-端均为CCA，是活化氨基酸的结合部位，又称氨基酸接纳臂

tRNA的三级结构呈倒“L”形

tRNA在蛋白质生物合成过程中具有转运氨基酸和识别密码子的作用，在蛋白质生物合成的起始过程、DNA逆转录合成及其他代谢调节过程起重要作用

核糖体RNA的结构与功能

是细胞内含量最多的RNA，与核糖体蛋白共同构成核糖体

主要功能

与多种蛋白结合构成核糖体，为多肽链合成所需要的mRNA、tRNA及多种蛋白质因子提供相互结合的位点和相互作用的空间环境

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