「知乎知识库」- 核酸

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概述

核酸,是一类由核苷酸构成的生物大分子,主要分为脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA)和核糖核酸(Ribonucleic acid,RNA)两类。

除朊病毒外,核酸是构成生命所必需的生物大分子,它在生命系统中主要起到作为遗传信息载体的作用,除此之外,还有部分核酸可作为及参与构成具有生物活性的酶分子或其他分子机器,主要是核酶(Ribozyme)脱氧核酶(Deoxyribozyme)及其参与构成的复合体。

核酸的化学本质

核酸是核苷酸多聚体,核苷酸由磷酸基团、戊糖、碱基构成,参与构成核酸的核苷酸有很多种,其主要的区分在于戊糖2'的脱氧和碱基的不同。带有脱氧核糖的称之为脱氧核糖核酸,DNA。

不同的碱基主要分为嘌呤嘧啶两种,一般来说,戊糖的1号碳与嘌呤的9号氮连接,与嘧啶的1号碳连接,特殊情况比如φ核苷酸,其尿嘧啶的5号碳与戊糖的1号碳相连。

三种嘧啶之间的关系
三种嘌呤之间的关系
DNA和RNA

DNA的高级结构

DNA在细胞中的主要存在形式是形成染色体,在原核细胞拟核和细胞质中的DNA无组蛋白包被,在真核细胞核内的DNA有组蛋白包被形成染色体。

图为真核生物染色体的包装形成过程


图为细菌的质粒Plasmid及其遗传特性

在通常状况下,环装的DNA会处于超螺旋状态,这是因为环装的线性分子内的张力无法得到释放,因此会像电话线一样发生超螺旋,如下图所示:

在细胞中,B型DNA双螺旋结构是最常见的DNA细微结构,此外在体外条件下DNA还有A型Z型等多种构象,以及三链DNA四螺旋(G四联体)等特殊构象。

值得一提的是,我们常见的DNA构象图有两种形态,一种看起来像是两条线扭起来的,一种看起来像是两条线缠在一根不存在的杆上(上图中),其中前者是对双螺旋结构的错误认知,在B型双螺旋结构中,两条核苷酸链是成36°夹角且偏向同侧、反向平行的右手螺旋,并且在“缠绕”过程中,DNA双螺旋还会交替产生大沟和小沟,这是由于碱基之间形成的夹角小于180°因此邻近磷酸基团间相互靠近形成的,磷酸骨架靠近的一侧形成小沟,另一侧为大沟。

图为碱基对的16种构象

碱基堆积力是DNA双螺旋结构保持稳定的主要原因,这种作用力是由相邻碱基对杂环电子云共享形成π-π键导致的,除此之外,疏水作用也是DNA双螺旋保持稳定的原因。

除了双螺旋结构外,DNA还有三链体、G-四联体两种高级结构。

RNA的高级结构

在细胞内,tRNA和rRNA都具有与其功能密切相关的高级结构,除了它们以外,很多核酶也有着各式各样的高级结构。

核酸可作为分子机器(Molecular machine)在细胞中发挥作用。常见的核酸分子机器有:mRNA、tRNA、rRNA、RNAi、circRNA、snRNA、lncRNA、Small RNA、其他核酶和脱氧核酶等。

RNAi(RNA interference, RNA干扰)是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象。使用RNAi技术可以特异性剔除或关闭特定基因的表达,该技术已被广泛用于探索基因功能和传染性疾病及恶性肿瘤的治疗领域。

RNA干扰

circRNA(Circular RNA,环形RNA分子)是一类不具有5' 末端帽子和3' 末端poly(A)尾巴,并以共价键形成环形结构的非编码RNA分子。部分circRNA分子含miRNA应答元件(MRE),可充当竞争性内源RNA(ceRNA),与miRNA结合,在细胞中起到miRNA海绵的作用,进而解除miRNA对其靶基因的抑制作用,上调靶基因的表达水平。

circRNA

IncRNA (Long non-coding RNA,长链非编码RNA)是长度大于 200 个核苷酸的非编码 RNA。lncRNA 在剂量补偿效应、表观遗传调控、细胞周期调控和细胞分化调控等众多生命活动(如干扰下游基因的表达;干扰mRNA的剪切;调节相应蛋白的活性;改变该蛋白质的细胞定位等)中发挥重要作用。

IncDNA

Small RNA分两类:一类是snRNA,存在于细胞核中;另一类是scRNA,存在于细胞质中。snRNA是细胞内有小核RNA。它是真核生物转录后加工过程中RNA剪接体的主要成分,参与mRNA前体的加工过程。snRNA中的蛋白质部分具有核酸酶和连接酶活性,能把转录在内含子-外显子接点处切断,并把两个游离端连接起来。

snRNA

scRNA(small cytoplasmic RNA,细胞质小RNA)主要位于细胞质内,种类较多,参与蛋白质的合成和运输,其主要功能是识别信号肽, 并将核糖体引导到内质网。

scRNA

参考资料

  1. "What is DNA". What is DNA. Linda Clarks. Retrieved 6 August 2016.
  2. Dahm, R (January 2008). "Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research". Human Genetics. 122 (6): 565–81. doi:10.1007/s00439-007-0433-0. ISSN 0340-6717. PMID 17901982.
  3. 【孢子学院基础知识专题】专题一:核酸化学与细胞中的核酸 V1

Wikipedia and Textbook:

en.wikipedia.org/wiki/N

《生物化学(第四版)》朱圣庚 王镜岩著

编辑于 2018-10-09