核酸结构特征.doc

DNA和RNA都是遗传物质，但它们的结构组成不同，DNA的组成是：脱氧核糖核苷酸，它又是由脱氧核糖和核苷酸组成的，而RNA是由核糖核苷酸组成的，核糖核苷酸是由核糖和核苷酸组成的。RNA有好几种，每种的功能也不相同，比如信使RNA，就是转录DNA上的碱基的，还有转录RNA是将信使RNA上的碱基翻译到蛋白质，DNA就只有储存遗传物质的功能。  一、核酸的化学组成  
  核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子。包括两类：一类为脱氧核糖核酸（DNA），另一类为核糖核酸（RNA ）。DNA存在于细胞核和线粒体内，携带遗传信息；RNA存在于细胞质和细胞核中，参与细胞内遗传信息的表达。核酸的基本组成单质是核苷酸，而核苷酸又是由碱基、戊糖、磷酸组成。  (一)碱基  
  构成核苷酸的碱基主要有五种，分属嘌呤和嘧啶两类。嘌呤类化合物包括腺嘌呤A和鸟嘌呤G两种。嘧啶类化合物有三种，胞嘧啶C、胸腺嘧啶T和尿嘧啶U。  (二)戊糖与核苷、核苷酸    戊糖是核苷酸的另一个主要成分，构成DNA的核苷酸的戊糖是β-D－2-脱氧核糖，而构成DNA的核苷酸的戊糖为β-D—核糖。即RNA糖环上2号碳原子处连的是-OH，而DNA此处连的是-H。表示碱基和糖环上各原子次序时，在碱基杂环上标以顺序1，2，3…；在糖环上标以l′，2′，3′… 以作区别。碱基与戊糖通过糖苷键连接成核苷。连接位置是C-1′。核苷与磷酸通过磷酸酯键连接成核苷酸连接位置是C-5′。此处可连接一个、二个、三个磷酸基团，称为核苷一磷酸、核苷二磷酸、核苷三磷酸。
  二、DNA的结构与功能  
DNA与蛋白质一样，也有其一级、二级、三级结构。  （一） DNA的一级结构   指DNA分子中核苷酸的排列顺序。由于核苷酸的差异主要表现在碱基上，因此也叫做碱基序列。    四种核苷酸按一定排列顺序，通过磷酸二酯键连成主要核苷酸链，连接都是由前一核苷酸3′-OH与下一核苷酸5′-磷酸基形成3′-5′磷酸二酯键，故核苷酸链的两个末端分别是5′-游离磷酸基和3′-游离羟基，书写应从5′到3′。  
（二）DNA的二级结构  即双螺旋结构模型 1．Chargaff规则  
  DNA分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量相等，鸟嘌呤与胞嘧啶的含量相等；因此DNA中嘌呤与嘧啶的总数相等：即A＋G=C＋T  2．双螺旋结构模型  
  1953年Watson和Crick正式提出了关于DNA二级结构的右手双螺旋结构模型，主要内容有：  
  （1）DNA分子由两条反向平行的多聚核苷酸链围绕同一中心轴盘曲而成，两条链均为右手螺旋，链呈反平行走向，一条走向是5′→3′，另一条是3′→5′。
（2）DNA链的骨架由交替出现的亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧，碱基配对位于双螺旋的内侧。  
  （3）两条多聚核苷酸链以碱基之间形成氢键配对而相连，即A与T配对，形成两个氢键，G与C配对，形成三个氢键。碱基相互配对又叫碱基互补。RNA中若也有配对区，A是与U以两个氢键配对互补。  
  (4)碱基对平面与螺旋轴几乎垂直，相邻碱基对沿轴转36°，上升0．34nm。每个螺旋结构含10对碱基，螺旋的距为3．4nm，直径是2．0nm。DNA两股链之间的螺旋形成凹槽：一条浅的，叫小沟；一条深的，叫大沟。大沟是蛋白质识别DNA的碱基序列发生相互作用的基础，使蛋白质和DNA可结合而发生作用。DNA双螺旋结构要与蛋白质的相区别：DNA是两条核苷酸链通过碱基之间氢键相连而成，而蛋白质的α-螺旋是一条肽链自身盘曲而成，其氢键是其内部第一位肽键的N-H与第四个肽键的羰基氧形成的。  
  （5）DNA双螺旋结构的稳定主要由互补碱基对之间的氢键和碱基堆积力来维持。碱基堆积力是碱基对之间在垂直方向上的相互作用，可以使DNA分子层层堆积，分子内部形成疏水核心，这对DNA结构的稳定是很有利的，碱基堆积力对维持DNA的二级结构起主要作用。  
3．DNA结构的多样性  
  DNA右手双螺旋结构是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构，但并不是不变的，当改变溶液的离子强度或相对湿度时，DNA结构会发生改变，除了Waston－Crick模型（B－DNA）外，还存在Z－DNA和A－DNA 
 （三）DNA三级结构  
  真核生物DNA分子很大，DNA链很长，但却要存在于小小的细胞核内，因此DNA必须在二级结构的基础上紧密折叠，这就形成了三级结构。
  1超螺旋——原核生物DNA的三级结构  绝大部分原核生物DNA是共价闭合的环状双螺旋分子，此环形分子可再次螺旋形成超螺旋，非环形DNA分子在一定条件下局部也可形成超螺旋。  
2.真核细胞基因组DNA    真核细胞核内染色体即是DNA高级结构的主要表现形式。组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两分子组成组蛋白八聚体。DNA双螺旋缠绕其上构成核心颗粒，颗粒之间再以DNA和组蛋白H1连成核小体，核小体再经多步旋转折叠形成棒状染色体，存在于细胞核中。
  (四)DNA的功能  
  DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。 
 三、RNA的结构与功能  
  DNA是遗传信息的载体，遗传信息的作用通常由蛋白质的功能来实现，但DNA并非蛋白质合成的直接模板，合成蛋白质的模板是RNA。正常细胞遗传信息的流向是：    与DNA相比，RNA种类繁多，分子量相对较小，一般以单股链存在，但可以有局部二级结构。RNA分子比DNA分子小，它的功能多样，种类较多，主要有信使RNA、核蛋白体RNA、转运RNA、小核RNA及核不均一RNA等。各类RNA在遗传信息表达为氨基酸序列过程中发挥不同的作用。  （一）信使RNA（mRNA）  
  在细胞核内以DNA单链为模板转录生成hnRNA,hnRNA经过剪切变为成熟的mRNA,出核后在胞质内为蛋白质合成提供模板。成熟mRNA的结构特点：  1具有5′端帽子结构  
  即在5′端加上一个7-甲基鸟苷；且原来第一个核苷酸C２′也是甲基化，这种mGpppGm即为帽子结构，  2. 3′端多聚腺苷酸尾    在mRNA3′端有一段多聚腺苷酸节段，是在转录后切掉一段多余的RNA后逐个添加上去的，这个多聚尾可能与mRNA从核内向细胞质的转位及mRNA的稳定性有关。    3生物体内mRNA种类多，含量少，代谢活跃，在各种RNA分子中，mRNA半衰期最短，这是细胞内蛋白质合成速度的调控点之一。 
 (二)核蛋白体RNA(rRNA)的结构与功能  
  rRNA是细胞内含量最多的RNA，与核糖体蛋白共同构成核糖体——蛋白质的合成部位，参与蛋白质的合成。核蛋白体由大亚基和小亚基组成。  1.原核生物：小亚基由16SrRNA和20多种蛋白质组成。  大亚基由5S、23SrRNA与30余种蛋白质组成。  2.真核生物：小亚基由18SrRNA与30余种蛋白质组成。  大亚基由5S、5.8S、28SrRNA和近50种蛋白质构成。
  (三)转运RNA(tRNA)的结构与功能  1.tRNA的一级结构    tRNA是细胞内分子量最小的一类核酸，含有大量稀有碱基：如甲基化的嘌呤、双氢尿嘧啶、次黄嘌呤和假尿嘧啶核苷。tRNA的作用是携带相应的氨基酸将其转运到核蛋白体上以供蛋白质合成。  2.tRNA的二级结构  
  呈三叶草样二级结构：一些能局部互补配对的区域形成局部对链，不能配对的部分膨出成环状。此结构从5′末端起第一个环为二氢尿嘧啶环（DHU），第二个环为反密码子环，因其环中部的三个碱基可与mRNA中三联体密码子形成碱基互补配对，在蛋白质合成过程中解读密码子，把正确的氨基酸引入合成位点。第三个环为假尿嘧啶环（Tφ），所有tRNA3′末端为CCA-OH结构，与氨基酸在此缩合成氨基酰-tRNA，起到转运氨基的作用。  3．tRNA的三级结构  tRNA的三级结构呈倒L形。 
 （四）其他类型的RNA    如小核RNA（snRNA）参与hnRNA的加工。还有一类RNA分子本身具有自我催化功能，可完成rRNA的剪接。这种具有催化作用的RNA被称为核酶。  四、核酸的理化性质及其应用  （一）核酸的一般理化性质
  ①核酸为多元酸，具有较强的酸性。②DNA是线性高分子，粘度极大，在机械力作用下易断裂，因此提取DNA过程中应注意不能过度用力，比如剧烈震荡吹打等。③由于核酸所含的嘌呤和嘧啶分子中都有共轭双键，使核酸分子在紫外260nm波长处有最大吸收峰，这个性质可用于核酸的定量测定。这要与蛋白质在280mm波长处有最大的吸收峰相区别，又因为分子生物学实验核酸提取过程中，蛋白质是最常见的杂质，故常用UD260/UD280来检测提取的核酸纯度如何。  （二) DNA的变性、复性和杂交  
1．变性，这是DNA最重要的一个性质。  
  ①在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，变成单链，即为DNA变性。DNA变性只涉及二级结构改变，不伴随一级共价键的断裂。②DNA的变性从开始到解链完全，  
一、在细胞内，DNA的合成方式有两种：  
  DNA复制：以原有DNA为模板合成相同的DNA分子，具有普遍意义。    逆转录：以RNA为模板合成双链DNA，只存在于反转录病毒中。   
二、DNA的复制  
（一）DNA的半保留复制  
DNA由两条多核苷酸链组成。两条链的  碱基通过A-T、G-C之间的氢键连接在一起，所以这两条链是互补的。一条链上的核苷酸排列顺序决定着另一条链上的核苷酸排列顺序。所以任何一条链都包含合成它的互补链所需的全部信息。   
DNA半保留复制的理论  
  1953年，Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构模型时曾推测：DNA复制中碱基间的氢键破裂使双链解旋分开；以每一条链为模板在其上合成新互补链,原来一个亲代DNA分子变成核苷酸排列顺序完全相同的两个子代DNA分子，每个子代DNA分子的一条链来自亲代，另一条则是新合成的，这样的复制合成方式称为半保留复制。   
三、DNA复制的全过程可总结为八步：  
  ① 解链酶结合于复制起始区，局部解开DNA双链。然后，单链结合蛋白结合到已解开的单链上，避免已解开的单链重新互相配对，同时保护它不受核酸酶的水解。    ②引发体结合于被打开的DNA单链上，合成出小段RNA引物。  
  ③ DNA旋转酶在复制叉前面特定位点解旋，以释放复制叉前进过程中产生的张力。   
  ④ DNA聚合酶Ⅲ进入复制起点，它识别引物3-OH末端，并结合在模板上，以四种dNTP为底物，按碱基配对原则，催化与模板互补的脱氧核苷酸的5-磷酸基以磷酸酯键连接到引物3-OH上，同时释放焦磷酸，使链延长。  
  ⑤ 聚合反应继续到新链与前一个冈崎片段的RNA引物5'-端相遇时，DNA聚合酶Ⅲ脱离。   
  ⑥ DNA聚合酶Ⅰ以其5→3外切酶活力切除RNA引物，产生的空缺也由DNA聚合酶Ⅰ的5→3聚合酶活力补齐。  
  ⑦冈崎片段之间的裂缝由DNA连接酶连接，成为连续的新链。  ⑧ 新合成子链与它的亲链模板链缠绕成双螺旋。   
四、RNA生物合成   
  以DNA为模板进行RNA聚合反应，按碱基互补配对原则合成出与模板碱基顺序互补的RNA链，这一过程称转录。它是生物界RNA合成的主要方式。    转录出的RNA分子往往需经后加工才能转化成成熟分子。某些情况下，RNA也可以自身为模板进行RNA复制。   
一、转录 DNA指导的RNA合成，由RNA聚合酶催化，以四种NTP为底物，以DNA为模板，按dA－U，dG－C，dT－A，dC－G的互补原则合成出rRNA、mRNA、tRNA三类RNA。  
  转录过程中，DNA双链中只有一条链作为模板，另一条不作为模板。  RNA 3－UAACGUCCUA－ 5   DNA 5－ATTGCAGGAT－ 3 模板链（负链,有意义链）  3－TAACGTCCTA－ 5 编码链（正链,反意义链）    DNA两条链中并不总以一条链作为转录模板，有些基因可能以这条链为模板转录，    而另一些基因以另一条链为模板转录。转录过程是从模板DNA上特定点（启动子）起始的，并在特定点（终止子）上终止。每次只转录DNA分子上的一段序列、一个或几个基因的长度。  
（二）转录过程（以原核生物为例）  
转录过程可分为起始、延伸、终止三个阶段。  1、 转录的起始   RNA的转录是从DNA模板上特定部位开始的，这个特定部位叫做启动子(或称启动基因)。 RNA聚合酶识别启动子，并与之结合，开始转录一段DNA序列。原核生物的启动子约含40-60个碱基对。  启动区域有三个功能部位∶    ①启动部位：此处对应RNA链的第一个核苷酸，其后的核苷酸位于转录下游，用＋ 1、＋2、＋3等表示；转录起始点上游的核苷酸用－ 1、－2、－3等表示。  
  ②pribnow框∶也称紧密结合部位。它是位于转录起始点之前10位的一段富含AT的保守序列TATAAT），又称－10序列。  
  ③识别部位∶位于转录起始点前35个碱基附近，其序列特征为TTGACA，又称－35序列。－35序列提供了RNA pol识别的信号，而－10序列是DNA双链发生解链的位点。转录开始，RNA聚合酶σ因子识别启动子－35碱基序列，导致RNA聚合酶全酶与启动子特定部位紧密结合，并在－10序列局部打开DNA双螺旋，第一个核苷三磷酸底物插入转录起始部位，与模板配对结合使转录开始。  2、RNA链的延伸  模板上转录起始的第一个核苷酸一般是嘧啶核苷酸，故RNA上的第一个核苷酸是嘌呤核苷酸。  
  RNA的合成不需引物。当与模板互补的第二个核苷三磷酸的5-磷酸基与第一个核苷酸的3-OH形成3，5-磷酸二酯键，并释放出焦磷酸时，开始了RNA链的延伸。高能磷酸键断裂放出能量推动聚合反应不可逆进行。与模板链配对的NTP不断加入，新生RNA就不断延伸。   RNA链延伸到一定程度，σ因子从全酶脱落，由核心酶催化继续延伸。刚合成的RNA与模板DNA之间形成杂交双链，但这种双螺旋不稳定，核心酶移过一段后，杂交双螺旋解开，两条DNA单链重新缔合成双链，而新生RNA链游离出来。杂交双链一般长度在10－20个核苷酸。  3、转录的终止    当核心酶沿模板3→5方向移动到终止信号区域时，转录终止。提供终止信号的DNA序列称为终止子。   终止子在终止位点之前有一个二重对称序列(即回文序列)，当这段序列被转录，RNA能形成特殊的二级结构，这种二级结构能被RNA pol或其辅助因子所识别，并终止转录过程。   
RNA的转录后加工   由RNA聚合酶转录生成的RNA分子往往是不具有生物活性的分子量较大的前体RNA。前体RNA一般需经加工才能变成具有生物活性的RNA(即成熟RNA)。不同RNA分子加工过程有所不同，常见的包括断裂、剪接、修饰等步骤。
  DNA的复制与转录成RNA过程的不同点∶  
  ① 在正常复制中，DNA链解开，两条链分别作为新互补链合成的模板；而转录则是不对称的，只有一条链作为模板。DNA的复制是半不连续复制，  
  ② 复制时两条链保持分开，DNA-DNA子螺旋稳定；而转录时形成的DNA-RNA杂种双链不稳定，RNA链很快与DNA链分开移走。  
  ③ DNA复制时，子代DNA分子大小与亲代相同；而转录时，在一个DNA分子上可以合成许多个RNA分子，它们都比通常的DNA模板小得多。
  ④原料不同    DNA指导的RNA合成，由RNA聚合酶催化，以四种NTP为底物，以DNA为模板，按dA－U，dG－C，dT－A，dC－G的互补原则合成出rRNA、mRNA、tRNA三类RNA。    DNA的复制： 四种dNTP（以四种脱氧核苷三磷酸(dNTP)为底物，而不是用dNMP直接聚合）； 为底物，按碱基配对原则，催化与模板互补的脱氧核苷酸的5-磷酸基以磷酸酯键连接到引物3-OH上。  ⑤参与合成的酶不同  
  DNA的合成：解链酶，单链结合蛋白，DNA旋转酶，DNA聚合酶Ⅲ，DNA聚合酶Ⅰ，DNA连接酶 RNA的合成：RNA聚合酶，核心酶  
  ⑥RNA的合成不需引物。但是DNA的合成需要有引物参与（反应需3 ' -OH的引物存在，而不能从无到  有进行聚合；）。  
7，DNA链的聚合方向是5'→3' ，而模板链方向为3'→5'   复制时，以复制叉向前移动的方向为标准，对于3'→5'走向的一条模板链，在其上从5'→3'连续合成DNA新链，该新链称为先导链。另一条5'→3'走向模板，在其上也是从5'→3'合成DNA新链，但新链合成的方向与复制叉移动的方向正好相反，所以随复制叉的移动只能合成出许多不连续的DNA片段，该片段称为冈崎片段。冈崎片段在DNA连接酶的作用下，连成一条完整的DNA链，该链称为滞后链。先导链的复制是连续的而滞后链的复制是不连续的，故这种复制模式称为半不连续复制。   
  ⑧ RNA的合成要求模板方向3→5，而新链的延伸方向是5→3 ；反应需要Mg2+或Mn2+参与。              
DNA的修复。 
错配修复：在含有错配碱基的DNA分子中，使正常核苷酸序列恢复的修复方式；主要用来纠正DNA双螺旋上错配的碱基对，还能修复一些因复制打滑而产生的小于4nt的核苷酸插入或缺失。MMR的过程通过母链的甲基化区分母链和子链，做到只切除子链上错误的核苷酸，而不会切除母链上本来就正常的核苷酸。修复的过程是：识别出正确的链，切除掉不正确的部分，然后通过DNA聚合酶和DNA连接酶的作用，合成正确配对的双链DNA。 
碱基切除修复：所有细胞中都带有不同类型、能识别受损核酸位点的糖苷水解酶，它能够特异性切除受损核苷酸上的N-β-糖苷键，在DNA链上形成去嘌呤或去嘧啶位点，统称为AP位点。一类DNA糖苷水解酶一般只对应于某一特定的类型的损伤，如尿嘧啶糖苷水解酶就特异性识别DNA中胞嘧啶自发脱氨形成的尿嘧啶，而不会水解RNA分子中尿嘧啶上的N-β-糖苷键。DNA分子中一旦产生了AP位点，AP核酸内切酶就会把受损核苷酸的糖苷-磷酸键切开，并移去包括AP位点核苷酸在内的小片段DNA，由DNA聚合酶Ⅰ合成合成新的片断，最终由DNA连接酶把两者连成新的被修复的DNA链，这一过程即为碱基切除修复(base-excision repair, BER) 
核苷酸剪切修复：NER主要修复那些影响区域性的染色体结构的DNA损害，包括由紫外线所导致的双嘧啶键结(purimidine dimer),化学分子或蛋白质与DNA间的键结—DNA附加物(DNA adduct)，或者DNA与DNA的键结—DNA交互连结(cross-link)等。这些损害的形式若没有适时的排除，DNA聚合酶将无法辨识而滞留在损害的位置，这时细胞就会活化细胞周期检查点以全面停止细胞周期的进行。 分类：主要包含全基因组的核苷酸切除修复 和 转录偶联的核苷酸切除修复. 主要过程：损伤识别---蛋白复合体结合到损伤位点----在错配位点上下游几个碱基的位置上（上游5’端和下游3‘端）将DNA链切开----将两个切口间的寡核苷酸序列清除----DNA聚合酶合成新的片段填补gap----连接酶将新合成片段与原DNA链连接起来。 
直接修复：对于有的ＤＮＡ损伤，生物不剪切ＤＮＡ或碱基，而是直接进行修复，这样的损伤修复机制为直接修复。列入DNA损伤之一的胸腺嘧啶二聚体的形成的形成。 
真实度的保证：复制机制中的碱基互补配对原则。首先，DNA聚合酶本身具有校对作用，可以将不正确插入的核苷酸切除掉，重新加上正确的核苷酸。另外，DNA合成起始时及冈崎片段合成开始时都有RNA。由于RNA最终也要被切除掉，这样就提高了DNA复制的准确性。因为DNA复制开始时掺入的核苷酸往往容易出错，加在RNA引物中可以被切除，不会影响DNA的准确性。真核生物DNA聚合酶无3'→5'外切酶活性。还可以通过修复机制以保证DNA复制的准确性