核酸的结构与功能

  • Published on 2023-04-07
  • Modified on 2023-11-02
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核酸的化学组成和一级结构

  • 由于 U 会自发的脱氨基变成 C，故出于遗传稳定性的考虑，DNA 中不使用 U 作为遗传密码。
  • 组成 DNA/RNA 的核酸为 dNMPs/NMPs，但合成 DNA/RNA 的原料为 dNTPs/NTPs。
  • 由于脱氧核糖的稳定性优于核糖，DNA 分子在化学结构上比 RNA 更稳定。
  • 核苷酸的磷酸基团位于 C-5′ 上，P-C-5′ 与 HO-C-3′ 连接形成 3′,5′-磷酸二酯键。

核苷酸和脱氧核苷酸的功能：

  • 能量载体：核苷酸是细胞内化学能的载体，核苷二磷酸和核苷三磷酸均属于高能有机磷酸化合物，细胞活动所需的化学能主要来自核苷三磷酸，其中 ATP 是最重要的能量载体。
  • 调控基因表达：核苷三磷酸 ATP 和 GTP 可以环化形成环腺苷酸（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，具有调控基因表达的作用。
  • 电子传递链：细胞内一些参与物质代谢的酶分子的辅酶结构中都含有腺苷酸，如辅酶 Ⅰ（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD+）、辅酶 Ⅱ（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NADP+）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）及辅酶 A（CoA）等，它们是生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中发挥重要的作用
  • 抗肿瘤作用：核苷酸及核苷酸组分的衍生物具有临床药用价值，6-巯基嘌呤（6-MP）、阿糖胞苷、5-氟尿嘧啶（5-FU）都是碱基的衍生物，可以通过干扰肿瘤细胞的核苷酸代谢、抑制核酸合成来发挥抗肿瘤作用。

核酸的一级结构：

  • RNA 的核苷酸和 DNA 的脱氧核苷酸从 5’-端至 3’-端的排列顺序为核酸的一级结构；也可以说是的碱基序列。
  • 核酸分子的大小常用核苷酸数目（nt）或碱基对数目（bp）来表示，长度短于 50 nt 的核酸的片段常被称为寡核苷酸。
  • DNA 携带的遗传信息完全依靠碱基排列顺序变化。

DNA 的空间结构和功能

  • 两条单链，即正向和反向的链，均为右手螺旋。
  • 碱基对平面与双螺旋结构的螺旋轴近乎垂直。
  • DNA 双螺旋结构的直径为 2.37 nm，螺距为 3.54 nm，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 0.34 nm。
  • DNA 双螺旋结构结构的稳定性依靠互补链之间碱基对的氢键和碱基对平面之间的疏水性的碱基堆积力（纵向）。

双螺旋结构的多样性

  • B 型-DNA：常规 DNA
  • A 型-DNA：当环境的相对湿度降低后，改变 B 型的螺旋参数，但是仍然是右手双螺旋
  • Z 型-DNA：左手双螺旋

DNA 的多链结构

  • DNA 的三链结构：正常的 DNA 双链+一条富含嘧啶的单链，环境条件为酸性，则嘧啶就会与双链中的嘌呤形成 Hoogsteen 氢键
    • 特殊的氢键——Hoogsteen 氢键的形成并不破坏原有碱基对中的 Watson-Crick 氢键，这样就形成了含有三个碱基的 C+GC 平面，其中 GC 之间是以 Watson-Crick 氢键结合，而 C+G 之间以 Hoogsteen 氢键结合。
  • 端粒（DNA 的四链结构）：真核生物染色体 3’-端的一段髙度重复的富含 GT 的单链。
    • 具有较大的柔韧度，可以自身回折形成一个称为 G-四链的特殊结构，G-四链结构的核心是由 4 个鸟嘌呤通过 8 对 Hoogsteen 氢键形成的 G-平面，若干个 G-平面的堆积使富含鸟嘌呤的重复序列形成了 G-四链结构。
    • 这种 G-四链结构是用来保护端粒的完整性。

DNA 的高级结构

DNA 的合成与损伤修复#真核生物 DNA 复制过程
  1. 第一次折叠（核小体核心颗粒 + DNA 双链 → 染色质纤维）：DNA 先绕在组蛋白上，形成风筝盘线样的结构特点其中 H2A、H2B、H3 和 H4 各两个，作为盘绕的基础结构构成核小体核心颗粒；H1 结合在盘绕在核心组蛋白上 DNA 双链的进出口处，起到稳定核小体的作用。
  2. 第二次折叠（→ 中空状螺线管）：在组蛋白 H1 的参与下形成，H1 位于螺线管内侧继续发挥稳定螺线管的作用。
  3. → 超螺线管
  4. → 染色单体，在核内组装成染色体

RNA 的空间结构与功能

  • 编码 RNA：
    • 仅有 mRNA 一种，丰度最小，种类最多，半衰期最短
    • 从基因组上转录而来、其核苷酸序列可以翻译成蛋白质的 RNA
  • 非编码 RNA：
    • 组成性非编码 RNA：tRNA、rRNA、端粒 RNA、信号识别颗粒 RNA 等
    • 调控性非编码 RNA：丰度随外界环境（应激条件等）和细胞性状（成熟度、代谢活跃度、健康状态等）而发生改变，在基因表达过程中发挥重要的调控作用

三种 RNA 对比

mRNAtRNArRNA
分布细胞核、胞质胞质胞质
功能蛋白质合成模板运载氨基酸组成核糖体
比例2%–5%（丰度最小）15%80% 以上
分子量种类多，大小也各不相同最小差异大
二级结构单链有茎环（或发夹）结构，三叶草形有许多茎环结构
结构特点5′ 端有 m7Gpppp 帽，
3′ 端有 poly(A) 尾，
开放阅读框（ORF）/
可读框携带遗传信息		含稀有碱基最多；
三环一臂：DHU 环、TΨC 环、
反密码子环，氨基酸臂/接纳茎
（3’ 端 -CCA-OH）		原核细胞有 4 种沉降系数不
同的 rRNA，真核生物 5 种

非编码 RNA

长度功能
组成性 ncRNA
转运 RNA，tRNA74–95 nt*识别密码子；作为氨基酸的载体参与蛋白质合成
核糖体 RNA，rRNA构成核糖体
催化小 RNA
核酶，ribozyme		催化特点 RNA 降解，参与 RNA 合成后的剪接修饰
包括 snRNA、RNase P、肽酰转移酶
核小 RNA，（U-）snRNA参与真核细胞 mRNA 的成熟过程，
识别 hnRNA 上的外显子和内含子的接点，切除内含子；
与蛋白质组成核小核糖核蛋白（snRNP）
核仁小 RNA，snoRNA定位于核仁，主要参与 rRNA 的加工
胞质小 RNA，scRNA存在细胞质中，与蛋白质结合形成复合体后发挥功能，
如 SRP- RNA 与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒，
引导含有信号肽的蛋白质进入内质网。
调控性 ncRNA
微 RNA，miRNA20–25 nt沉默基因转录后的表达；抑制基因表达
干扰小 RNA，siRNA21–23 bp**诱导外源性基因表达的 mRNA 降解
piRNA30nt与 PIWI 蛋白家族成员结合形成 piwi 复合物来调控基因沉默
长非编码 RNA，lncRNA200-10000 nt结合在编码蛋白质的基因上游启动子区，干扰下游基因的表达
环状 RNA，circRNA通过结合 miRNA，进而解除 miRNA 对其靶基因的抑制作用，
升髙靶基因的表达水平，产生相应的生物学效应
*长度单位，核苷酸数；**长度单位，碱基对

核糖体 RNArRNA

核糖体的组成

原核细胞（大肠杆菌）真核细胞（小鼠肝）
核糖体
70S80S
小亚基30S = 16S + P40S = 18S + P
大亚基50S = 23S + 5S + P60S = 28S + 5.8S + 5S + P

核糖体有三个重要的部位：

  1. A 位：结合氨酰-tRNA 的氨酰位
  2. P 位：结合肽酰-tRNA 的肽酰位
  3. E 位：释放已经卸载了氨基酸的 tRNA 的排出位

miRNA 与 siRNA 对基因表达的调控

  • miRNA：对基因表达的调控作用表现在转录后水平上，参与了细胞的生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵袭等多种过程。
    • 与靶基因 mRNA 完全互补：沉默基因转录后的表达：与靶基因 mRNA 的可读框中的序列形成完全互补的 RNA 双链，miRISC 将双链中的 mRNA 降解，沉默基因转录后的表达。
    • 与靶基因 mRNA 不完全互补：抑制基因表达（翻译）：与靶基因 mRNA 的 3’-非翻译区的序列形成非完全互补的杂交双链，miRISC 紧紧地结合在杂交双链上，特异性地抑制基因表达。
  • tiRNA：
    • 内源性 siRNA：是由细胞自身产生。
    • 外源性 siRNA：
      • 来源：来源于外源入侵的基因表达的双链 RNA，经 Dicer 切割所产生的具有特定长度（21-23bp）和特定序列的小片段 RNA。
      • 功能：
        • 可以与 AGO 蛋白结合，并诱导这些（外源性）mRNA 的降解。
        • siRNA还有抑制转录的功能

长非编码 RNA 的特征与作用

  • 特征：
    1. 由 RNA 聚合酶 Ⅱ 转录生成，经剪切加工后，形成具有类似于 mRNA 的结构，lncRNA 有 poly（A）尾巴和启动子，但序列中不存在可读框。
    2. lncRNA 可以来源于蛋白质编码基因、假基因以及蛋白质编码基因之间的 DNA 序列。
    3. lncRNA 定位于细胞核内和细胞质内。
    4. lncRNA 具有强烈的组织特异性与时空特异性。
  • 作用：以粗略的认为是一个只有内含子的 hnRNA，所以具有所有小分子 RNA 的作用。
    1. 结合在编码蛋白质的基因上游启动子区，干扰下游基因的表达。
    2. 抑制 RNA 聚合酶 Ⅱ 或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因的表达
    3. 与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链，干扰 mRNA 的剪切，形成不同的剪切形式
    4. 与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链，在 Dicer 酶的作用下产生内源性 siRNA
    5. 与特定蛋白质结合，lncRNA 转录本可调节相应蛋白质的活性
    6. 作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体
    7. 结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位
    8. 作为小分子 RNA（如 miRNA，piRNA）的前体分子

转运 RNAtRNA

tRNA 中的稀有碱基占所有碱基的 10%–20%，包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶核苷（Ψ，尿嘧啶与 C-1′ 相连）、甲基化的嘧啶（m7G、m7A），是含稀有碱基最多的 RNA。

核酸的理化性质

  1. 核酸具有强烈的紫外吸收：
    • 原因：嘌呤和嘧啶是含有共轭双键的杂环分子。
    • 在中性条件下，最大吸收值在 260 mn 附近，根据 260 nm 处的吸光度（A260），可以判断出溶液中的 DNA 或 RNA 的含量。
    • 还可以利用 260 nm/280 nm 的吸光度比值判断核酸样品的纯度。DNA 纯品 A260/A280 比值应为 1.8；RNA 的则应为 2.0。
  2. DNA 变性：某些极端的理化条件（温度、pH、离子强度等）可以断裂 DNA 双链互补碱基对之间的氢键以及破坏碱基堆积力，使一条 DNA 双链解离成为两条单链，这种现象称为 DNA 变性。
    • 使 DNA 变性的最简单和最直接的方法是加热。
    • DNA 变性后溶液黏度降低（蛋白质变性黏度增加）：DNA 双螺旋是紧密的刚性结构，变性后柔软，松散的无规则单股线性结构。
    • 增色效应：在 DNA 解链过程中，有更多的包埋在双螺旋结构内部的碱基得以暴露，含有 DNA 的溶液在 260nm 处的吸光度随之增加。
    • 解链温度（Tm）/熔解温度：在解链曲线上，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。
      • 此温度下，50% 的 DNA 双链解离成为了单链。
      • GC 的含量越高、离子强度越高、DNA 越长，Tm 值也越高。
  3. DNA 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。
    • 一般认为最佳复性温度为比 Tm 低 25℃ 的温度。
    • 缓慢冷却（退火）：热变性的 DNA 经缓慢冷却后可以复性，称为退火。
    • 迅速冷却：将热变性的 DNA 迅速冷却至 4°C 时，两条解离的互补链还来不及形成双链，所以 DNA 不能发生复性。这一特性被用来保待解链后的 DNA 单链处在变性状态。
    • 核酸分子杂交：将不同种类的 DNA 单链或 RNA 单链混合在同一溶液中，只要这两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基互补关系，它们就有可能形成杂化双链。
      • Southern 印迹、Northern 印迹、斑点印迹、原位杂交、PCR 扩增、基因芯片等。
      • 用来研究 DNA 片段在基因组中的定位、鉴定核酸分子间的序列相似性、检测靶基因在待检样品中存在与否等。
生物化学与分子生物学