碱基堆积力

  • 在DNA双螺旋结构的旋进过程中，相邻的两个碱基对平面彼此重叠，产生碱基堆积力

  • 碱基堆积力和互补链之间碱基对的氢键作用力共同维系着DNA双螺旋结构的稳定

    沟的特征

  • DNA中的沟在遗传信息表达调控过程中起关键作用

  • 调控蛋白都是通过其分子上氨基酸侧链与沟中碱基对两侧潜在的氢原子供体(=NH)或受体(O和N)形成氢键而识别DNA遗传信息的
  • 沟的宽窄和深浅直接影响调控蛋白的识别和结合，通常在大沟中进行

DNA的多链结构

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DNA三链结构的设想

  • 当DNA双链中一条链的核苷酸序列富含嘌呤时，对应的互补链必然是富含嘧啶，它们形成了正常的DNA双链。
  • 第三条是富含嘧啶的单链，且具有碱基互补性。在环境条件为酸性时，第三条链就会与双链生成了DNA三链结构。

  • 三链DNA的第三股链可来自分子内或分子外

    DNA四链结构的设想

  • 人染色体的3’-端是被称为端粒的单链。

  • 该单链富含G和T的重复序列，如(TTAGGG)n 。
  • 自身可以回折形成的四链结构。
  • 作用: 稳定端粒的单链结构

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DNA的高级结构

DNA的三级结构-超螺旋结构

  • DNA双螺旋再盘旋即形成超螺旋结构
    • 正超螺旋：盘旋方向与DNA双螺旋方向相同
    • 负超螺旋：盘旋方向与DNA双螺旋方向相反

  • 封闭环状DNA具有超螺旋结构

    • 绝大部分原核生物的DNA是环状的双螺旋分子
    • 不同的DNA区域有不同的超螺旋结构，形成能够独立存在的超螺旋区
    • 每200碱基就有一个负超螺旋形成（大肠肝菌）
    • 负超螺旋结构：有利于DNA双链的解链，避免DNA双链之间的相互纠缠

      染色质和染色体

  • 真核生物中，双螺旋的DNA分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体(nucleosome)。核小体结构属于DNA的高级结构。

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  • 蛋白质成分：富含Lys和Arg的碱性蛋白质
  • 组蛋白八聚体：H2A(x2),H2B(x2),H3(x2),H4(x4)
  • 组蛋白H1结合在DNA连接段与核小体的进出口处

  • DNA成分：~146bp盘绕在组蛋白八聚体（～1.75圈）,~50bp连接核小体

    染色体在真核生物中的组装过程

    DNA-核小体(直径11nm)-30nm的螺线管（6个核小体）-DNA复制环-微带（18个复制环）-染色体纤维-子染色体（106个微带）-染色单体-染色体

    基因

  • 基因是是一段有功能的DNA片段，生物细胞中的DNA分子的最小功能单位（交换单位）

  • 产物：蛋白质（mRNA、蛋白质）；RNA（tRNA和rRNA）
  • 和基因有关的几个概念
    • 基因座：基因相对于在基因组的位置
    • 等位基因：正链和负链相对应的基因
    • 复等位基因：同源染色体的相同位点上，可以存在两种以上的等位基因
    • 操纵子
      • 是指一组关键的核苷酸序列，包括了一个操纵基因（Operator），一个普通的启动子，及一个或以上的结构基因被用作生产信使RNA（mRNA）的基元。

  • 基因座DNA按其结构和功能分为

    • 基因序列和非基因序列
    • 编码序列和非编码序列
    • 单一序列和重复序列

      基因组

  • 基因组是指包含在该生物的DNA（部分病毒除外）中的全部遗传信息，即一套染色体中的完整的核苷酸序列。

  • 进化程度越高的生物体，其基因组越大越复杂。各种生物体基因组的大小、所包含的基因数量和种类都有所不同。
  • 病毒颗粒的基因组可以是DNA，也可以是RNA。
  • 病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的，也可以是双链的。
  • 原核生物和真核生物基因组的特点

真核生物基因组的特点

  • 以染色体存在
  • 重复序列多（高度重复序列，中度重复序列，单一重复序列）
  • 间隔序列和插入序列
  • 回文结构（通常是核酸内切酶的位点）

原核生物基因组的特点

  • 重复序列少，多为编码区
  • 多为操纵子形式组织，每个mRNA包括多个顺反子
  • 重叠基因

RNA的空间结构与功能

  • RNA是DNA的转录产物
  • 编码RNA：核苷酸序列可以翻译成蛋白质

  • 非编码RNA：不编码蛋白质

    • 组成性非编码RNA：确保实现基本生物学功能，丰度基本恒定

      tRNA、rRNA、snRNA、snoRNA、scRNA

    • 调控性非编码RNA：具有调控基因表达的作用，其丰度随外界环境和细胞性状发生改变

      lncRNA、miRNA、circRNA、siRNA、piRNA

  • RNA的种类、分布 | | 细胞核和胞液 | 线粒体 | 功能 | | :—-: | :—-: | :—-: | :—-: | | 核蛋白体RNA | rRNA | mt RNA | 核蛋白体组分 | | 信使RNA | mRNA | mt mRNA | 蛋白质合成的模版 | | 转运RNA | tRNA | mt tRNA | 转运氨基酸 | | 核内不均一RNA | hnRNA | | 包含内含子和外显子的在细胞核内生成的长短不一的RNA，是成熟mRNA的前体 | | 核内小RNA | snRNA | | 参与hnRNA的剪切，转运 | | 核仁小RNA | snoRNA | | rRNA的加工、修饰 | | 胞浆小RNA | scRNA/7SL-RNA | | 蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组分 |

  • 单链RNA由碱基堆积而成的右手螺旋形成

    mRNA是蛋白质合成的模版

  • 信使RNA（mRNA）蛋白质生物合成的模版

  • 仅占细胞RNA总重量的2-5%
  • 约有10^5个不同种类
  • 大小、丰度和稳定性差异巨大

  • 真核生物mRNA比原核生物的mRNA更复杂

    mRNA的加工成熟

  • 真核生物mRNA在核内由DNA作为模版转录而成的核不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA,hnRNA）进过一系列剪辑后修饰而成

    mRNA的5’-有帽结构

    m7Gppp

  • 大部分真核细胞的mRNA的5’-端有反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷（m7Gppp），称为5’-帽结构

  • 5’-帽结构可以与帽结合蛋白(cap binding protein )

  • 是mRNA识别发育结合，保护mRNA不被降解的结构

    • 是mRNA翻译起始的必要结构，是核糖体对mRNA识别提供了信号，协助核糖体与mRNA结合，使翻译从AUG开始
    • 帽子结构可增加mRNA的稳定性，保护mRNA免遭5’-3’核酸外切酶的攻击

      真核生物mRNA的3’-端有多聚核苷酸尾的结构

  • 真核生物mRNA的3’-端有一段长度约20-250腺苷酸，称为多聚核苷酸尾(poly-A tail)

  • 多聚A尾结构可以与多聚A结合蛋白结合。
  • 该结构与 mRNA 从核内向胞质的转移以及mRNA的稳定性有关。

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hnRNA经过修饰成为成熟mRNA

  • 细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为不均一核RNA (heterogeneous mRNA，简称hnRNA)。
  • hnRNA有外显子（exon）和内含子（intron）。
  • 外显子是编码氨基酸的序列，内含子是非编码序列。
  • hnRNA经过剪接和加工过程，剔除内含子，连接外显子，成为成熟mRNA。

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tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体

  • 转运RNA(transfer RNA, tRNA)：氨基酸的载体参与多肽链合成
  • 约占RNA总量的15%；100多种 tRNA；长度为70～95nt；结构非常稳定。
  • tRNA含有较多稀有碱基（10%-20%）。

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  • 氨基酸在相对应的氨基酸合成酶催化下连接在3’-端的A的C3’-OH上
  • 一种tRNA只能携带一种氨基酸；一种氨基酸可以背多种tRNA所携带
  • 连接在tRNA上的氨基酸才可以用来进行蛋白质的生物合成

  • 反密码子决定了tRNA携带的氨基酸类型


    tRNA的三级结构-倒L形

  • tRNA的功能

活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译

以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所

  • 核糖体RNA (ribosomal RNA，rRNA)：与核糖体蛋白共同组成了蛋白质生物合成的场所 - 核糖体 。
  • 细胞内含量最多的RNA：~80％
  • 稳定的结构
  • 保守的核苷酸序列
  • RNA的功能
    • 占总量80%，参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所

核糖体合成蛋白质

组成性非编码RNA是基因表达中不可缺少的因子

  • 真核细胞中还有其他类型的组成性非编码RNA。

  • 这些RNA作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰、蛋白质的转运以及调控基因表达。

    组成性非编码RNA

  • 催化小RNA： 也称为核酶（ribozyme）具有催化特定RNA降解的活性；在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。

  • 核仁内RNA（small nucleolar RNA，简称snoRNA）：snoRNA定位于核仁；参与rRNA的加工，如tRNA的核糖的甲基化和假尿嘧啶化修饰。
  • 核内小RNA（small nuclear RNA，简称snRNA）：snRNA富含尿嘧啶，故命名为U-snRNA。
    • 参与真核细胞mRNA的成熟过程，如U1,U2,U4,U5,U6和U7。它们的作用是识别hnRNA上的外显子和内含子的结点，切除内含子。
    • 这些snRNA的5´-端有一个与mRNA相类似的5´-帽结构
  • 胞质小RNA（small cytoplasmic RNA，简称scRNA）：scRNA存在细胞质中；与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能，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`网进行合成。

调控性非编码RNA参与了基因表达调控

  • 调控性非编码RNA不编码蛋白质 。
  • 具有重要的生物学功能：转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA的翻译、蛋白质的稳定和转运、染色体的形成和结构稳定等
  • 参与了胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生命活动中以及疾病（如肿瘤、神经性疾病等）的发生和发展
  • 种类
    • 短链非编码RNA（small non-coding RNA, 简称 sncRNA）
    • 长链非编码RNA（long non-coding RNA, 简称 lncRNA）
    • 环状RNA（circular RNA，简称 circRNA）
    • 微小RNA（microRNA, 简称miRNA）
    • 小干扰RNA（small interfering RNA, 简称siRNA）
    • 与PIWI蛋白家族成员结合的小RNA（piwi-interacting RNA，简称piRNA）

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核酸的理化性质

  • 酸性化合物
    • 两性解离，但酸性强，pI较低
    • 电泳行为-泳向正极
  • 高分子性质
    • 沉淀行为-加盐（中和电荷）；乙醇
    • 粘度DNA>RNA
  • 核酸具有强烈的紫外吸收
    • 碱基是含有杂环的分子
    • 共轭双键具有强烈的紫外吸收

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DNA的变性

  • 定义：在某些理化因素作用下，DNA双链解开成两条单链的过程
  • 方法；过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、乙醇、丙酮等
  • 变性后理化性质变化
    • OD260增高
    • 比旋度下降
    • 酸碱滴定曲线改变
    • 粘度下降
    • 浮力密度升高
    • 生物活性丧失
  • 变性引起紫外线吸收值的改变
    • 增色效应(hyperchromic effect):DNA变性时其溶液OD260增高的现象
    • 减色效应(hypochromic effect):复性后的DNA在260nm的OD值吸收降低到原来的水平

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  • 解离曲线：OD260随温度变化的曲线
  • 溶液离子强度增高

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核酸分子杂交

  • Southern bolting DNA-DNA
  • Northern bolting DNA/RNA-RNA
  • Western bolting pro-pro