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3.5: 核酸

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    培养技能

    • 描述核酸的结构并定义两种类型的核酸
    • 解释 DNA 的结构和作用
    • 解释 RNA 的结构和作用

    核酸是生命连续性最重要的大分子。 它们携带细胞的遗传蓝图，并携带有关细胞功能的指令。

    DNA 和 RNA

    核酸的两种主要类型是脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。 DNA是在所有活生物体中发现的遗传物质，从单细胞细菌到多细胞哺乳动物。 它存在于真核生物的核以及细胞器、叶绿体和线粒体中。 在原核生物中，DNA不封闭在膜状包膜中。

    细胞的全部遗传内容被称为其基因组，而基因组的研究是基因组学。 在真核细胞中，但不在原核生物中，DNA与组蛋白形成复合物，形成染色质，即真核染色体的物质。 一条染色体可能包含成千上万的基因。 许多基因包含制造蛋白质产物的信息；其他基因编码 RNA 产物。 DNA通过 “开启” 或 “关闭” 基因，控制所有细胞活动。

    另一种类型的核酸RNA主要参与蛋白质合成。 DNA 分子永远不会离开细胞核，而是使用中间体与细胞的其余部分进行通信。 这个中间体是信使 RNA (mRNA)。 其他类型的 RNA（例如 rRNA、tRNA 和 microRNA）参与蛋白质合成及其调节。

    DNA和RNA由称为核苷酸的单体组成。 这些核苷酸相互结合形成多核苷酸、DNA 或 RNA。 每个核苷酸由三种成分组成：含氮碱、戊糖（五碳）糖和磷酸基团（图\(\PageIndex{1}\)）。 核苷酸中的每个含氮碱都附着在糖分子上，糖分子附着在一个或多个磷酸基团上。

    显示了核苷酸的分子结构。 核苷酸的核心是戊糖，其碳残基从一素数到五素数编号。 碱基附着在一个素碳上，磷酸盐附着在五个素碳上。 在核苷酸中发现了两种戊糖：核糖和脱氧核糖。 脱氧核糖在两个主要位置有 H 而不是 OH。 在核苷酸中发现了五种碱。 其中两个，腺嘌呤和鸟嘌呤，是嘌呤碱基，两个环融合在一起。 另外三个，胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶，有一个六元环。
    图\(\PageIndex{1}\)：核苷酸由三种成分组成：含氮碱、戊糖和一个或多个磷酸基团。 戊糖中的碳残留物编号为1英尺至5′（素数将这些残留物与碱基中的残留物区分开来，后者不使用素数表示法编号）。 基底附着在核糖的 1' 位置，磷酸盐附着在 5' 位置。 当多核苷酸形成时，传入的核苷酸的5英尺磷酸附着在生长链末端的3'羟基上。 在核苷酸中发现了两种类型的戊糖：脱氧核糖（存在于DNA中）和核糖（存在于RNA中）。 脱氧核糖在结构上与核糖相似，但它在 2′ 位置有 H 而不是 OH。 碱可以分为两类：嘌呤和嘧啶。 嘌呤具有双环结构，嘧啶具有单环。

    含氮碱基是核苷酸的重要成分，是有机分子，之所以这样命名，是因为它们含有碳和氮。 它们之所以成为碱，是因为它们含有有可能结合额外氢气的氨基，从而降低环境中的氢离子浓度，使其更具碱性。 DNA 中的每个核苷酸都含有四种可能的含氮碱基之一：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。

    腺嘌呤和鸟嘌呤被归类为嘌呤。 嘌呤的主要结构是两个碳氮环。 胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶被归类为嘧啶，其主要结构为单碳氮环（图\(\PageIndex{1}\)）。 这些基本碳氮环中的每一个都有不同的官能团附着。 在分子生物学速记中，含氮碱基仅以其符号 A、T、G、C 和 U 来表示 DNA 包含 A、T、G 和 C，而 RNA 包含 A、U、G 和 C。

    DNA 中的戊糖是脱氧核糖，在 RNA 中，糖是核糖（图\(\PageIndex{1}\)）。 糖之间的区别在于核糖的第二个碳上存在羟基，而脱氧核糖的第二个碳上存在氢气。 糖分子的碳原子编号为 1′、2′、3′、4′ 和 5′（1′ 被读为 “一个素数”）。 磷酸盐残基附着在一种糖的5'碳的羟基和下一个核苷酸的糖的3'碳的羟基上，后者形成了5'—3' 磷酸二酯键。 磷酸二酯键不是像连接大分子中单体的其他键那样由简单的脱水反应形成的：它的形成涉及去除两个磷酸基团。 多核苷酸可能有数千个这样的磷酸二酯键。

    DNA 双螺旋结构

    DNA 具有双螺旋结构（图\(\PageIndex{2}\)）。 糖和磷酸盐位于螺旋的外部，构成了 DNA 的支柱。 含氮碱成对堆叠在内部，就像楼梯的台阶一样；两对通过氢键相互结合。 双螺旋中的每个碱基对与下一个碱基对相隔 0.34 nm。 螺旋线的两条线朝相反的方向延伸，这意味着一根股线的5英尺碳端将面向其匹配链的3英尺碳端。 （这被称为反平行取向，对DNA复制和许多核酸相互作用很重要。）

    显示了 DNA 的分子结构。 DNA由两条在双螺旋中扭曲的反平行链组成。 磷酸盐骨干在外面，氮碱在内部相互面对。
    图\(\PageIndex{2}\)：原生 DNA 是一种反平行双螺旋。 磷酸盐骨干（用曲线表示）在外面，底座在里面。 来自一条链的每个碱基通过氢键与来自另一条链的碱基相互作用。 （来源：杰罗姆·沃克/丹尼斯·迈茨）

    只允许使用某些类型的基础配对。 例如，某种嘌呤只能与某种嘧啶配对。 这意味着 A 可以与 T 配对，G 可以与 C 配对，如图所示\(\PageIndex{3}\)。 这被称为基本互补规则。 换句话说，DNA链是互补的。 如果一条链的序列是 AATTGGCC，则互补链的序列将为 TTAACCGG。 在DNA复制过程中，每条链都被复制，从而产生一个包含一条亲本DNA链和一条新合成的链的子DNA双螺旋。

    艺术连接

    显示了胸腺嘧啶和腺嘌呤之间以及鸟嘌呤和胞嘧啶之间的氢键。 胸腺嘧啶与腺嘌呤形成两个氢键，鸟嘌呤与胞嘧啶形成三个氢键。 每根股线的磷酸盐骨干都在外面，朝相反的方向延伸。
    图\(\PageIndex{3}\)：在双链 DNA 分子中，两条链彼此反平行运行，因此一条链延伸到 5′ 到 3′，另一条链延伸到 3′ 到 5′。 磷酸盐骨干位于外面，底部位于中间。 腺嘌呤与胸腺嘧啶形成氢键（或碱基对），鸟嘌呤与胞嘧啶形成氢键（或碱基对）。

    发生突变，胞嘧啶被腺嘌呤取代。 你认为这将对DNA结构产生什么影响？

    RNA

    在DNA的指导下，核糖核酸或RNA主要参与蛋白质合成过程。 RNA 通常是单链的，由通过磷酸二酯键连接的核糖核苷酸组成。 RNA 链中的核糖核苷酸含有核糖（戊糖）、四种含氮碱基之一（A、U、G 和 C）和磷酸基团。

    RNA 有四种主要类型：信使 RNA（mRNA）、核糖体 RNA（rRNA）、转移 RNA（tRNA）和 microRNA（miRNA）。 第一种是mRNA，它传递来自DNA的信息，DNA控制着细胞中的所有细胞活动。 如果细胞需要合成某种蛋白质，则该产物的基因将 “开启”，信使RNA在细胞核中合成。 RNA 碱基序列与从中复制的 DNA 的编码序列互补。 但是，在 RNA 中，碱基 T 不存在，而是存在 U。 如果 DNA 链有 AATTGCGC 序列，则互补 RNA 的序列为 UUAACGCG。 在细胞质中，mRNA与核糖体和其他细胞机制相互作用（图\(\PageIndex{4}\)）。

    图中显示了核糖体的例证。mRNA 位于大亚基和小亚基之间。tRNA 分子结合核糖体并将氨基酸添加到生长中的肽链中。
    图\(\PageIndex{4}\)：核糖体有两个部分：一个大亚单位和一个小亚单位。 mRNA 位于两个亚基之间。 tRNA 分子识别 mRNA 上的密码子，通过互补碱基配对与其结合，并将正确的氨基酸添加到生长中的肽链中。

    mRNA 以称为密码子的三个碱基集合读取。 每个密码子编码一个氨基酸。 通过这种方式，可以读取mRNA并制成蛋白质产物。 核@@ 糖体RNA（rRNA）是核糖体的主要成分，mRNA与之结合。 rRNA 确保 mRNA 和核糖体的正确对齐；核糖体的 rRNA 还具有酶活性（肽基转移酶），可催化两个对齐的氨基酸之间肽键的形成。 转移 RNA (tRNA) 是四种 RNA 中最小的一种，通常长度为 70—90 个核苷酸。 它将正确的氨基酸带到蛋白质合成部位。 正是 tRNA 和 mRNA 之间的碱基配对允许在多肽链中插入正确的氨基酸。microRNA 是最小的 RNA 分子，它们的作用涉及通过干扰某些 mRNA 信息的表达来调节基因表达。 \(\PageIndex{1}\)下表总结了 DNA 和 RNA 的特征。

    表\(\PageIndex{1}\)：DNA和RNA的特征。

      DNA RNA
    函数 携带遗传信息 参与蛋白质合成
    地点 残留在原子核中 离开原子核
    结构 双螺旋 通常是单链
    糖 脱氧核糖 核糖
    嘧啶 胞嘧啶、胸腺嘧啶 胞嘧啶、尿嘧啶
    嘌呤 腺嘌呤、鸟嘌呤 腺嘌呤、鸟嘌呤

    尽管RNA是单链的，但大多数RNA类型在互补序列之间显示出广泛的分子内碱基配对，从而形成了对其功能至关重要的可预测的三维结构。

    如你所知，生物体中的信息流是从 DNA 到 RNA 再到蛋白质的。 在称为转录的过程中，DNA决定了mRNA的结构，而RNA在称为翻译的过程中决定了蛋白质的结构。 这被称为 “生命的中心教条”，适用于所有生物；但是，该规则的例外情况与病毒感染有关。

    链接到学习

    要了解有关 DNA 的更多信息，请浏览霍华德·休斯医学研究所以 DNA 为主题的 BioInteractive 动画。

    摘要

    核酸是由核苷酸组成的分子，用于指导细胞分裂和蛋白质合成等细胞活动。 每个核苷酸都由戊糖、含氮碱和磷酸盐基团组成。 有两种类型的核酸：DNA和RNA。 DNA携带细胞的遗传蓝图，由父母传给后代（以染色体的形式）。 它具有双螺旋结构，两股线朝相反的方向延伸，通过氢键相连，相互补充。 RNA 是单链的，由戊糖（核糖）、含氮碱和磷酸盐基团组成。 RNA参与蛋白质合成及其调节。 信使 RNA (mRNA) 从 DNA 中复制，从细胞核导出到细胞质，并包含蛋白质构造的信息。 核糖体RNA（rRNA）是蛋白质合成部位的核糖体的一部分，而转移RNA（tRNA）将氨基酸带到蛋白质合成部位。microRNA调节mRNA在蛋白质合成中的使用。

    艺术联系

    图\(\PageIndex{3}\): A mutation occurs, and cytosine is replaced with adenine. What impact do you think this will have on the DNA structure?

    Answer

    Adenine is larger than cytosine and will not be able to base pair properly with the guanine on the opposing strand. This will cause the DNA to bulge. DNA repair enzymes may recognize the bulge and replace the incorrect nucleotide.

    Glossary

    deoxyribonucleic acid (DNA)
    double-helical molecule that carries the hereditary information of the cell
    messenger RNA (mRNA)
    RNA that carries information from DNA to ribosomes during protein synthesis
    nucleic acid
    biological macromolecule that carries the genetic blueprint of a cell and carries instructions for the functioning of the cell
    nucleotide
    monomer of nucleic acids; contains a pentose sugar, one or more phosphate groups, and a nitrogenous base
    phosphodiester
    linkage covalent chemical bond that holds together the polynucleotide chains with a phosphate group linking two pentose sugars of neighboring nucleotides
    polynucleotide
    long chain of nucleotides
    purine
    type of nitrogenous base in DNA and RNA; adenine and guanine are purines
    pyrimidine
    type of nitrogenous base in DNA and RNA; cytosine, thymine, and uracil are pyrimidines
    ribonucleic acid (RNA)
    single-stranded, often internally base paired, molecule that is involved in protein synthesis
    ribosomal RNA (rRNA)
    RNA that ensures the proper alignment of the mRNA and the ribosomes during protein synthesis and catalyzes the formation of the peptide linkage
    transcription
    process through which messenger RNA forms on a template of DNA
    transfer RNA (tRNA)
    RNA that carries activated amino acids to the site of protein synthesis on the ribosome
    translation
    process through which RNA directs the formation of protein