核酸化学知识导图

食品生物化学中核酸化学部分的知识点包括核酸化学的概述、化学组成、DNA结构、RNA结构、理化性质、分离提取、基因组等，希望梳理的内容对你有所帮助！

核酸化学

• 概述
  • 活细胞中最基本成分，占细胞干重的5%~15%
  • 1944年，肺炎双球菌实验证明DNA是遗传物质
  • 1953年，DNA双螺旋结构提出，并成为分子生物学诞生的最显著标志
• 化学组成
  • 核酸
    • 核糖核酸
      • • 植物病毒基因组
        • 细胞质（细胞总RNA的90%）
        • 线粒体、叶绿体、细胞核
        • 遗传的表达+其他生物功能
    • 脱氧核糖核酸
      • 真核-染色体线性双链，细胞器环状双链
      • 原核（染色体、质粒）-环状双链DNA
      • 质粒是染色体外能自主复制的遗传单位
      • 动物病毒染色体DNA-线性双链、环状双链
      • 唯一的功能：储存遗传信息
  • 核苷酸
    • 核糖
      • DNA，D-2-脱氧核糖
        • 2-脱氧-β-D-呋喃核糖
      • RNA，D-核糖
        • β-D-呋喃核糖
    • 碱基
      • 嘧啶碱
        • 胞嘧啶
        • 尿嘧啶
        • 胸腺嘧啶
      • 嘌呤碱
        • 腺嘌呤
        • 鸟嘌呤
      • 互变异构体
        • 含有氨基取代基的嘧啶碱（胞嘧啶）+嘌呤（腺嘌呤），氨基亚氨基互变异构体
        • 含有氧取代基的嘧啶碱（尿嘧啶、胸腺嘧啶）+嘌呤（鸟嘌呤），酮式烯醇式互变异构体
      • 稀有碱基
        • 常见于tRNA
    • 核苷
      • 戊糖+碱基，糖苷键为β-D-N-糖苷键（嘧啶中的N1或嘌呤中的N-9+戊糖中的C-1）
      • 假尿苷：碱基与核糖之间形成C-C键
    • 常见核苷酸
    • 环化核苷酸
      • 核苷酸中的磷酸与自身核糖中的-OH可以再生成酯键形成环化结构的核苷酸
      • 3',5'-环化腺嘌呤核苷酸（cAMP）由腺苷酸环化酶催化ATP而来
      • 四磷酸鸟嘌呤核苷（ppGpp），响应蛋白质合成速率降低的信号，一直rRNA和tRNA的合成
    • 核苷二磷酸与核苷三磷酸
      • NDP、NTP，解离状态下主要与Mg离子形成复合物
    • 衍生物
      • 参与辅酶的形成
        • NAD+
          • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸
        • NADP+
          • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸
        • FAD+
          • 黄素腺嘌呤二核苷酸
      • 糖的活化形式糖核苷酸中
        • 尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）
      • 磷脂合成中醇基的载体
        • CDP-胆碱
      • 作用
        • 遗传信息的储存、传递和表达过程中起核心作用
        • 大多数放能代谢途径产生的能量最终储存在核苷三磷酸中，主要是ATP
        • 大多数代谢途径收到核苷酸水平的调节：ATP、ADP参与糖代谢、脂代谢等途径的调控
        • 某些核苷酸衍生物作为辅酶参与酶的催化过程
• DNA结构
  • Chargaff规则
    • A=T,G=C,A+G=T+C，嘌呤碱数量=嘧啶碱数量，又叫当量定律
    • DNA碱基组成具有物种特异性，不同生物碱基组成不同，用不对称比率表示：不对称比率=(A+T)/(G+C)
    • 同种生物不同组织的DNA碱基组成相同
  • 一级结构
    • 3',5'-磷酸二酯键连接脱氧核苷酸残基
    • 2个重要特征
      • 多核苷酸链具有方向性，一端带有游离的5'-磷酸，一端带游离的3'-羟基
      • 每条多核苷酸链都是独一无二的，由组成多核苷酸链的核苷酸排练顺序或碱基排列顺序决定，也称为DNA序列
    • 表示方法
      • 线条式
      • 字母式
        • 5'→3'
  • 双螺旋结构（重点）
    • 三方面依据
      • 核苷的化学结构
      • DNA纤维的X射线衍射分析
      • 有关DNA碱基组成的Chargaff规则
    • 基本要点
      • DNA是由两条反向平行的双链构成的右手螺旋结构
      • 两条由磷酸和脱氧核糖交替排列形成的主链骨架处于双螺旋外侧，碱基位于双螺旋内侧
      • 两条链的碱基之间可以形成氢键，通常AT之间2个，GC之间3个
      • 双螺旋平均直径2nm，螺距3.4nm，每圈螺旋包含10个碱基对
      • 碱基平面与螺旋纵轴接近垂直，糖环平面与纵轴接近平行
      • 螺旋结构中，围绕中心轴形成两个螺旋形的凹槽
    • 意义
      • 确立了核酸作为信息分子的结构基础，提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式，从而最终确定了核酸是遗传的物质基础
      • 提出了作为遗传功能分子的DNA复制方式，半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式
    • 稳定因素
      • 氢键
      • 碱基堆积力
        • 稳定双螺旋结构的最主要因素
        • 相邻碱基碱非特异性相互作用
        • 疏水作用
          • 水使各个碱基相互靠拢，将碱基表面积降低，并处于双螺旋结构的内部
        • 范德华力
          • 扁平的碱基沿垂直方向堆积垛叠，垛叠碱基之间的π电子云相互重叠，形成范德华相互作用
          • 具有加和性
      • 离子键
        • 主链上的磷酸基团在生理条件下带有负电荷，在分子内产生排斥力，降低分子稳定性
        • DNA分子通过与环境中带的正电荷和物质形成离子键，以消除双螺旋主链上所带负电荷产生的排斥力，有助于双螺旋结构进一步稳定
    • 多态性
      • 双螺旋DNA在不同条件下以多种构象存在
      • B-DNA最接近生理条件下的DNA构象
      • 相对湿度降低后，DNA构象发生可逆変化，形成A-DNA
  • 超螺旋结构
    • 双螺旋圈数减少，DNA处于拧松状态时形成负超螺旋，右旋，绝大多数天然存在的DNA是右旋
    • 连接数，L
      • 双链DNA中一条链以右手螺旋沿另一条链缠绕的次数
      • 环状DNA，L一定为整数
    • 扭转数，T
      • 松弛状态DNA中，T=L=20
    • 缠绕数，W
      • 指DNA双链绕双螺旋轴的旋转数
      • L=T+W，L为整数，T、W可以为小数
    • 意义
      • 负超螺旋DNA所具有的张力使DNA在复制、重组和转录等过程中易于解链
      • 使DNA具有更紧密的结构形式，有利于其在体内的包装
  • 三链和四链
    • 三链：Hoogsteen配对
    • 四链：连续的4个鸟嘌呤碱基配对形成一个平面，即G-四链结构
  • DNA序列分析
    • 链终止法/双脱氧法/酶法测序
    • 加入ddATP，互补链终止合成
• RNA结构
  • 概述
    • 茎环/发夹结构
      • 单链RNA某些区段有碱基互补序列，通过单链回折形成局部双螺旋区域
      • RNA中的双螺旋称为茎区
      • 中间不形成碱基配对的单链区形成突环
    • 最主要因素是碱基堆积力，其次是氢键
  • tRNA
    • 一级结构
      • 细菌和真核生物细胞质中的tRNA残基数为73~94个，沉降系数约为4S
      • 含有较多稀有碱基
      • 大多数tRNA的5'端为pG，所以tRNA的3'端都为CCAOH-3'，是携带氨基酸的位置
    • 二级结构
      • 含有较多的发夹结构，呈现三叶草型
      • 氨基酸臂
      • 二氢尿嘧啶臂和二氢尿嘧啶环
      • 反密码臂和反密码环
        • 次黄嘌呤常出现
      • 可变环
        • 也叫额外环，是不同tRNA分子间差异最大的部分
        • tRNA分类指标
      • TΨC臂和TΨC环
        • T，胸腺嘧啶核糖核苷
        • Ψ，假尿嘧啶核糖核苷
    • 三级结构
      • 倒L形
  • mRNA
    • 蛋白质合成的模板
    • 编码区/翻译区
      • 与蛋白质的氨基酸序列对应
      • 5'端的叫5'UTR，3'端的叫3'UTR
    • 非翻译区
    • 原核生物
      • 所有密码子都连续排列，没有间隔和连续插入片段
      • 单顺反子：1个mRNA分子可以编码1条多肽链
      • 多顺反子：1条mRNA编码两条或多条多肽链
      • mRNA的合成和蛋白质的合成都发生在一个区域，mRNA半寿期很短，平均2min
    • 真核生物
      • 内含子
        • 是编码区中的插入序列，不编码蛋白质，在RNA成熟过程中被删除
      • 外显子
        • 另外一些编码蛋白质的序列在成熟过程中被拼接起来
      • 真核生物成熟mRNA为单顺反子
      • 5'帽子由7-甲基鸟苷酸（m7G）经焦磷酸与mRNA5'-末端核苷酸相连，形成5'-5'三磷酸相连
      • 3'-端poly（A）尾
      • 作用
        • 保护mRNA 免受核酸外切酶降解的作用
        • 增加mRNA稳定性
  • rRNA
    • • 修饰核苷：假尿苷、胸腺嘧啶核苷、其他含甲基化修饰碱基的核苷
      • 大量碱基配对的双螺旋区段→复杂二级结构
      • 二级结构进一步折叠称为三级结构
• 理化性质&分离提取
  • 溶解性
    • DNA和RNA含有极性基团，均微溶于水，其钠盐在水中溶解度较大
    • 核酸不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂
    • 常用有机溶剂（沉淀）：乙醇、异丙醇、氯仿、聚乙二醇
  • 核酸的水解
    • 糖苷键的稳定性
      • 在温和碱性条件下稳定
      • 稀酸
        • RNA糖苷键稳定
        • DNA
          • 嘌呤形成的糖苷键易被酸水解，使DNA脱去碱基嘌呤
          • 嘧啶形成的糖苷键不被酸水解
    • 磷酸二酯键的稳定性
      • DNA
        • 磷酸二酯键对碱不敏感，脱氧核糖上没有2'-OH
      • RNA
        • 容易被NaOH稀溶液随机水解
        • 产生2',3'-环核苷酸
    • 酶水解
  • 沉降特性
    • 蔗糖密度梯度超速离心——制备RNA的常用方法
    • 重金属盐氯化铯（CsCl）——分离DNA的离心介质，在离心场中可自行调节形成浓度梯度并保持稳定
  • 黏度
    • DNA是线性分子，分子细长而不对称，有高轴比性质，溶液黏度高
    • 通常纤维状线性分子溶液的黏度＞球形分子溶液的黏度
    • DNA变成单链的无规则线团（被降解）时，溶液黏度降低——黏度作为DNA变性的指标
    • RNA黏度比DNA小得多
  • 紫外吸收
    • 原因：组成核酸的嘌呤碱和嘧啶碱含有共轭双键，使核酸在紫外区有强烈吸收
    • 核酸溶液在260nm波长附近有一个最大的吸收峰
    • 紫外吸收法可以确定核酸的纯度和含量
      • 双链DNA的OD260/OD280为1.8时，样品纯度很高
      • ＜1.8时，混有蛋白质或酚类
      • ＞1.8时，DNA中的RNA没有除尽
    • 260nm，OD260=1
      • 浓度为50μg/ml的双链DNA溶液
      • 浓度为33μg/ml的单链DNA
      • 浓度为40μg/ml的单链RNA
      • 浓度为20μg/ml的单链寡聚核苷酸溶液
  • 变性与复性
    • 变性
      • 定义：一定条件下，受到某些物理和化学因素的作用，DNA的双螺旋结构破坏，氢键断裂，碱基有规律的堆积被破坏，双螺旋松散，双链分离成两条缠绕的无定形多核苷酸单链的过程
      • RNA因其结构中有大量双螺旋区，也有变性现象
      • 伴随变性过程，DNA一些物化性质发生变化：紫外吸收↑，黏度↓，沉降系数和浮力密度↑，比旋光值↓
      • 增色减色
        • 增色效应：DNA变性时，双链解开变成单链，碱基充分暴露，紫外吸收明显增加
        • 减色效应：变性DNA单链重新形成双螺旋结构时，碱基又处于双螺旋结构内部，DNA紫外吸收降低
      • 熔解温度Tm
        • DNA的加热变性称为熔解，DNA的变性是爆发式的，变性发生在一个较窄的温度范围内
        • 通常将增色效应达到一半时的温度或DNA分子有½发生变性时的温度称为该DNA的熔解温度或熔点
        • 影响因素
          • DNA的（G+C）含量，正比
          • DNA所处介质
            • 在离子强度较低的介质中，DNA的Tm较低，变性温度也较宽——DNA通常保存在浓度较高的盐溶液中
          • DNA分子均一性
            • 均一性越高，发生变性过程的温度范围越窄
        • RNA只存在局部双链结构，Tm值较低，但RNA双链比DNA双链更稳定
    • 复性
      • 变性DNA在适当条件下，两条分开的互补单链重新形成双螺旋结构的过程
      • 如果DNA加热后迅速冷却，两条互补链保持在单链状态，不能复性
      • 如果缓慢冷却，则两条分开的单链可以发生互补序列的重新配对，复原成天然状态的DNA，这种缓慢冷却的过程称为退火
    • 分子杂交
      • 具有碱基互补序列的不同来源的单链核酸分子，通过退火复性，碱基互补区段按照碱基配对原则结合在一起形成双链的过程
      • DNA-DNA,RNA-RNA,DNA-RNA
      • 常用方法
        • Southern印迹法
          • 被检对象为DNA，探针为DNA或RNA
        • Northern印迹法
          • 被检对象为RNA，探针为DNA或RNA
        • 原位杂交
  • 核酸的提取
    • 原则：保持核酸的完整性
    • DNA的提取
      • 用高盐溶液从细胞破碎液中提取DNA核蛋白，然后稀释得到DNA核蛋白沉淀
      • 因为RNA形成的核蛋白易溶于低盐溶液
    • RNA的提取
      • 关键：减少RNA酶的污染
  • 核酸的凝胶电泳
    • 两种凝胶介质：琼脂糖凝胶和聚丙烯酰胺凝胶
    • 凝胶具有分子筛效应，分离不同分子量大小的核酸
    • 常用指示剂：溴酚蓝
    • 常用染色剂：溴化乙锭
• 基因组
  • 病毒
    • 病毒的核酸即病毒的基因组
  • 原核生物
    • 大肠杆菌的类核称为细菌染色体，染色体基因组为环状双链DNA分子
    • 质粒：染色体外能进行自主复制的遗传单位
  • 真核生物
    • 染色体的包装
      • 核小体（考）
        • 核小体中，由组蛋白内部核心和盘绕在组蛋白核心外面的DNA片段形成核心颗粒
        • 组蛋白内部核心有四种组蛋白H2A,H2B,H3,H4各两分子构成致密八聚体
        • DNA链按左手螺旋在八聚体外部盘绕1¾圈
        • 这段DNA长146bp，与组蛋白结合紧密，被称为核心DNA
        • 核心DNA这种缠绕方式使DNA形成负超螺旋，不同生物核小体中的核心颗粒结构完全相同
        • 核心颗粒之间的连接部分为连接DNA
        • 组蛋白H1结合在核心颗粒外侧DNA双链的进出口端，犹如打扣将绕在八聚体外的DNA链固定，形成完整的核小体结构
        • 核小体是染色质上的重复结构单位
      • 由核小体包装成染色体
    • 结构特征
      • 编码区
      • 非编码区
      • 调节区