《生物化学与分子生物学》----核酸----听课笔记（十二）

第十二章  核酸通论

6.1.1 核酸通论（1）

• 核酸（Nucleic acids）是一类重要的生物大分子，担负着生命信息的储存和传递。
• 核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研究对象和领域。
• 核酸的发现和研究历史
• 1868 Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）。
• 1879年Kossel经过10年的努力，搞清楚核素中有四种不同的组成成分：ATCG（1910年诺贝尔医学奖）
• 1889年Altmann建议将核质改名为核酸，并且已经认识到核素乃核酸与蛋白质的复合体。
• Leven在鉴定核酸中糖和阐明核苷酸化学键做出了重要贡献，但他关于“四核苷酸假说”曾严重阻碍核酸研究达30年之久。
• 1928年，荷兰细菌学家Griffith的细菌转化实验，证明DNA是遗传物质。
• 1944年美国的Avery、Macleod及Mccarty等人在Griffith工作的基础上，对转化的本质进行了深入的研究，证明蛋白质和荚膜多糖均不引起转化，而DNA却能引起转化，证明DNA是遗传物质。
• 1952年，病毒学家Hershey和Chase的噬菌体感染实验进一步证明DNA是遗传物质。
• 1953年 James Watson和Francis Crick建立了DNA结构的双螺旋模型，说明了基因的结构、信息和功能三者间的关系，推动了分子生物学的迅猛发展，因此他们与Wilkins一起获得了1962年的诺贝尔医学和生理学奖。
• 60年代RNA研究取得了大发展（操纵子说，遗传密码，逆转录酶）
• 70年代建立DNA重组技术，改变了分子生物学的面貌，并导致生物技术的兴起。
• 80年代RNA研究出现第二次高潮：ribozyme、反义RNA、“RNA世界”假说等。
• 90年代以后，实施人类基因组计划（HGP），开辟了生命科学新纪元。
• 2001年美英等国完成人类基因组基本计划框架，生命科学进入后基因组时代。
• 核酸的分类和分布

1. 脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid, DNA）
2. 核糖核酸（Ribonucleic acid，RNA）

• 
• 小分子RNA： 真核生物除mRNA、rRNA和tRNA外，还有许多种小分子RNA，如核内小RNA，反义RNA、dsRNA、smRNA、siRNA和miRNA等。

6.1.2 核酸通论（2）

• asRNA：可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，asRNA除主要在翻译水平抑制基因表达外，还可抑制DNA的复制和转录。
• 2004年，发现一种小dsRNA能够作用于神经基因表达，并且能在转录水平上直接诱导神经干细胞向神经细胞分化。这种RNA在基因转录水平上直接参与调控，它被命名为smRNA（small non-coding RNA）。
• 双链RNA（dsRNA）经酶切后会形成许多小片段 siRNA（small interfering RNA）和miRNA（microRNA）。siRNA一旦与mRNA中的同源序列互补结合，会导致mRNA失去功能，即不能翻译产生蛋白质，也就是使基因“沉默”了。
• 核酸的生物学功能

1. DNA是主要遗传物质：基因（遗传因子）是遗传的物质基础，是编码蛋白质或RNA等具有特定功能产物的遗传信息的基本单位，是染色体或基因组的一段DNA序列。基因有三个基本属性: (1)通过复制，将遗传信息传给子代；（2）通过转录控制生物的表型；（3）通过突变形成各种等位基因。
2. RNA参与蛋白质的生物合成。有三类RNA控制蛋白质的合成：（1）rRNA：占总RNA的80%，组成核糖体，是蛋白质的合成场所。（2）tRNA：占总RNA的15%，是转换器，携带氨基酸起翻译作用。（3）mRNA，占总RNA的3%~5%，是蛋白质合成模板。
3. RNA功能的多样性：（1）某些病毒的遗传物质；（2）参与蛋白质的合成；（3）遗传信息的加工；（4）基因表达和细胞功能的调控；（5）催化功能。

第十三章  核酸的结构

6.2.1 核酸的结构（1）

• 核酸的基本结构单位：核苷酸（Nucleotide）
•   
• 碱基、核苷、核苷酸的概念和关系如上图所示。
• 基本碱基结构和命名：嘌呤、嘧啶
• 常见（脱氧）核苷酸命名：腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、尿嘧啶核苷酸、胞嘧啶核苷酸、脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧尿嘧啶核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸。
• 几种稀有核苷：假尿苷、二氢尿嘧啶等
• 细胞内游离核苷酸及其衍生物
• 核苷酸的生物学功能：

1. 作为核酸的单体
2. 细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP、TTP）
3. 酶的辅助因子的结构成分（如NAD）
4. 细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP）

• DNA的分子结构
• 核酸分子的共价键：核酸分子中核苷酸之间的共价键
• DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。不同的DNA分子具有不同的核苷酸排列顺序，因此携带有不同的遗传信息。
• 一级结构的表示法：结构式、线条式、字母式

6.2.2 核酸的结构（2）

• DNA碱基组成的Chargaff规则
• Chargaff首先注意到DNA碱基组成的某些规律性，在1950年总结出DNA碱基组成的规律：

1. 腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T。
2. 鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即G=C。
3. 含氨基的碱基总数等于含酮基碱基总数，即A+C=G+T.
4. 嘌呤的总数等于嘧啶的总，即A+G=C+T.

• DNA的二级结构
• DNA的双螺旋模型特点：两条反向平行的多聚核苷酸沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成；碱基配对原则，Chargaff定律等。
• DNA的双螺旋结构稳定因素：氢键，碱基堆集力，磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和，碱基处于疏水环境中。
• DNA的双螺旋结构的意义：该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值地确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是本世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。
• DNA双螺旋的不同构象：A-DNA，B-DNA，C-DNA, D-DNA, Z-DNA
• DNA分子的三股螺旋（triplex）
• DNA的三级结构指双螺旋DNA分子通过扭曲和折叠所形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用、单链和二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。
• 超螺旋DNA，松弛型DNA

6.2.3 核酸的结构（3）

• 超螺旋状态的定量描述
• DNA超螺旋结构形成的意义：

1. 使DNA形成高度致密状态从而得以装入核中。
2. 推动DNA结构的转化以满足功能上的需要。如负超螺旋分子所受张力会引起互补链分开导致局部变性，利于复制和转录。

• 原核生物两类拓扑异构酶
• 除连环数（L）不同外其他性质均相同的DNA分子称为拓扑异构体。DNA拓扑异构酶通过改变DNA的L值而影响其拓扑结构。
• 拓扑异构酶I通过使DNA的一条链发生断裂和再连接，能使超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每催化一次可消除一个负超螺旋，即使L增加1，反应无需供给能量。
• 拓扑异构酶II，作用刚好相反，可使松弛型环状DNA转变成负超螺旋DNA，每催化一次，L减少2，可引入负超螺旋。拓扑异构酶II亦称促旋酶，它可以使DNA的两条链同时断裂和再连接，当它引入超螺旋时需要ATP提供能量。
• 细胞内两类拓扑异构酶的含量受严格的控制，使细胞内DNA保持在一定的超螺旋水平。
• DNA与蛋白质复合物的结构
• 生物体内的核酸通常都与蛋白质结合形成复合物，以核蛋白的形式存在。DNA分子十分巨大，与蛋白质结合后被组装到有限的空间中。
• 噬菌体T2结构
• 组蛋白与DNA的结合
• RNA的一级结构： RNA分子钟各核苷酸之间的连接方式和排列顺序叫做RNA的一级结构。
• RNA与DNA的差异：1. 糖，DNA(脱氧核糖)；RNA（核糖）；2.碱基，DNA（AGCT,不含稀有碱基）;RNA(AGCU，含稀有碱基)。
• tRNA的结构
• 二级结构特征：单链，三叶草叶形，四臂四环
• 三级结构特征：在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒L型。
• 酵母tRNA的二级结构
• mRNA的分子结构：先导区+翻译区（多顺反子）+末端序列