核酸的结构和功能

这是一篇关于核酸的结构和功能的思维导图，包括核算的化学组成、核酸的分子结构、核酸的理化性质及应用等内容。

核酸的结构和功能

• 核酸的种类、分布和化学组成
  • 证明DNA是遗传物质的三个直接证据
    • 1）1944年O.T.Avery等，肺炎双球菌转化实验
    • 2）1952年，Hersey和Chase等，噬菌体感染实验，用35S和32P分别标记T2噬菌体的蛋白质和DNA，感染大肠杆菌
    • 3）1956年，Fraenkel-Conrat等用含RNA的烟草花叶病毒进行了病毒重建实验，证明了RNA是遗传物质
  • 核酸的生物学功能
    • 核酸是遗传信息的载体
    • DNA是主要的遗传物质，通过复制将遗传信息传递给子代，即负责遗传信息的储存、传递和发布
    • RNA则负责遗传信息的表达，它转录DNA的遗传信息并翻译成各种蛋白，使生物体能够生长、发育、繁殖和遗传
  • 核酸的分布
    • 1）所有细胞都同时含有DNA和RNA 两种核酸2）病毒只含一种核酸，DNA或RNA，分为两类：DNA和RNA病毒 3）多数细菌病毒为DNA病毒，植物和动物病毒多为RNA病毒
    • DNA主要存在于细胞核，少量DNA存在于核外，如线粒体DNA(mtDNA) ，叶绿体DNA(ctDNA)，质粒DNA等
    • RNA主要存在于细胞质（如mRNA/tRNA/rRNA,其中rRNA含量最多)，少量存在于核仁中
  • 核酸的化学组成
    • 核苷酸
      • 磷酸
      • 核苷（嘌呤N-9或嘧啶N-1与核糖C-1’通过β-N-糖苷键相连形成核苷）
        • 碱基（含氮的杂环化合物）
          • 嘌呤
          • 嘧啶
        • 戊糖（核糖、脱氧核糖）
    • 稀有核苷酸
      • 核酸中的稀有核苷酸是碱基或戊糖被修饰后形成的
      • 核酸中的稀有核苷酸常以其核苷的形式表示。常见的为甲基化修饰以“m”表示，修饰集团在碱基上的写在碱基符号的左方（作茧自缚/左碱字符），修饰集团在戊糖上的写在碱基符号的右方（修饰集团个数写在其右下角，修饰位置写在右上角）
    • 细胞内游离核苷酸及其衍生物
      • 多磷酸核苷酸
        • dAMP/dADP/dATP
      • 环化核苷酸
        • cAMP、cGMP是细胞信号传导中的第二信使
      • 辅酶类核苷酸
        • 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD）
    • 核苷酸的生物学功能
      • 作为核酸的单体
      • 细胞中的携能物质（如ATP、GTP、CTP）
      • 酶的辅助因子的结构成分（如NAD）
      • 细胞通讯的媒介（如cAMP、cGMP)
• 核酸的分子结构
  • DNA的分子结构
    • DNA的一级结构
      • DNA的一级结构是组成DNA分子的脱氧核苷酸的连接方式和排列顺序
      • nt(核苷酸)bp(碱基对)5'GGAATCTCAT3' 3'CCTTAGAGTA5'(不说的话默认5'-3')
      • 基本特征
        • 由四种脱氧核苷酸通过3,5-磷酸二酯键连成不分枝的多聚核苷酸长链
        • 戊糖和磷酸构成了DNA的主链，碱基不参与主链而是向外伸出形成侧链，主链单调重复，侧链千变万化
        • 一级结构中重要的是核苷酸的组成（数量）及排列顺序（碱基序列）
    • DNA 的二级结构
      • DNA双螺旋结构的主要依据
        • 1）1949-1951年，Chargaff应用紫外分光光度法和纸层析等技术，对各种生物的DNA进行碱基组成分析，得出碱基组成规律---Chargaff定则
        • 2）DNA的X-射线衍射图
        • 3）Norweger和Furberg证实，戊糖糖环平面与DNA分子纵轴平行，碱基平面与纵轴垂直
        • 4）用电位滴定法证明DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的-NH、-CO则不能滴定，因此它们之间形成氢键
      • DNA双螺旋模型的特征
        • 1）DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链相互盘绕成双螺旋结构。两条链围绕同一个中心轴形成右手螺旋
        • 2）由脱氧核糖和磷酸间隔形成的亲水骨架在双螺旋的外侧，而疏水的剪辑队则在双螺旋内部，碱基平面与中心轴垂直，糖环平面则与中心轴平行3
        • 3）两条DNA链借助彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起
        • 4）DNA双螺旋结构中，两条链配对偏向一侧，形成一条大沟和一条小沟，这两条沟，特别是大沟对蛋白质识别DNA双螺旋结构上的特定信息非常重要，只有在沟内蛋白质才能识别不同碱基顺序
        • 5）结构参数：螺旋直径2nm;相邻碱基对平面的间距0.34nm;螺旋周期包含10bp;螺距3.4nm
      • DNA双螺旋结构的稳定因素
        • 主要因素
          • 氢键
          • 碱基堆积力
            • 碱基堆积力是由同一条核酸链中的相邻碱基之间的疏水基（输水碱基自发堆积）和范德华力构成的
        • 带负电荷的磷酸集团的静电斥力
        • 碱基分子内能
      • DNA双螺旋构象的多态性
        • B-DNA:DNA钠盐在相对湿度92%时制得的纤维结构
        • A-DNA:在以钠、钾或铯离子作为反离子，相对湿度75%时，X射线衍射获得的DNA双螺旋构象
        • Z-DNA:左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯齿（zip-zag)状排列
      • 三链与四链DNA
        • 三螺旋中的2条链形成正常的双螺旋结构，碱基间以Watson-Crick配对，第3条链位于双螺旋中的大沟中，与同方向平行链的碱基间以Hoogsteen方式配对
        • 四螺旋结构只出现在富含鸟嘌呤的序列片段
    • DNA的三级结构
      • 1965年，Vinogard等发现多瘤病毒的环状双链DNA可以形成双螺旋结构，又称三级结构，这是DNA在双螺旋结构的基础上进一步旋转产生的
      • 原核生物的DNA，质粒以及一些细胞器的DNA都为共价闭合环状（CCC）结构，它们也可以形成超螺旋结构
      • 正超螺旋:将DNA双螺旋向螺旋的相同方向旋转 螺旋圈数增加，双螺旋结构更紧密 反超螺旋:将DNA双螺旋向螺旋的相反方向旋转 螺旋圈数减少，更容易解开
      • 在自然条件下，DNA一般呈负超螺旋状态，负超螺旋可以使DNA分子内部张力减小，有利于解旋，这对于DNA的复制和转录有重要意义
      • 原核生物细胞虽然没有细胞核，但它的环状双链DNA分子与类组蛋白结合形成不规则的类似核小体结构，存在于拟合结构
  • RNA的分子结构
    • 一级结构
      • RNA分子中各核苷之间的连接方式（3'-5'磷酸二酯键）和排列顺序
    • tRNA
      • 二级结构
        • 特征：单链、三叶草叶形、四臂四环
          • 四臂:氨基酸臂
          • 四环:DHU环，反密码环，TψC额外环
      • 三级结构
        • 在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成到L型
    • rRNA
      • 分子结构特征:单链，螺旋化程度较tRNA低;与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能
      • 功能:参与组成核糖体，为蛋白质的生物合成提供场所
    • mRNA
      • 结构:原核生物mRNA一般为多顺反子;同一mRNA中含有编码多个蛋白质的信息（一个基因即一个顺反子） 真核mRNA通常是单顺反子
      • 结构特点:1.大多数真核mRNA的5'末端均在转录后加上一个7-甲基鸟苷，同时第一个核苷酸的C'2也是甲基化，形成帽子结构:m7GpppNmP 2.大多数真核mRNA的3'末端有一个多聚腺苷酸（polyA)结构，称为多聚A尾
      • 帽子结构和多聚A尾的功能:mRNA核内向细胞质的转位，mRNA的稳定性维系，抗核酸外切酶翻译起始的调控
• 核酸的理化性质及应用
  • 核酸的一般性质
    • 溶解度：RNA白色粉末状，DNA白色纤维桩固体，二者均溶于水，一般不溶于有机溶剂，常用2倍体积预冷乙醇或>0.6倍体积预冷异丙醇从水溶液中将核酸沉淀出来，RNA核蛋白易溶于0.14mol/lLNaCl,DNA核蛋白则不溶
    • 分子大小：DNA多用核苷酸对数来表示：5kb-3000Mb;RNA常用沉降常数来表示:18SrRNA,5.8SrRNA
    • 形状：线性，环形（原核DNA）
    • 粘度：DNA溶液粘度很高，分子极易断裂；RNA溶液粘度比较小
    • 核酸可被酸、碱或酶水解，DNA比RNA稀碱稳定
    • 核酸是两性电解质，但酸性强，与金属离子结合成盐，也可与碱性蛋白（组蛋白）结合；介质pH大于4时，呈阴离子，电泳时向阳极移动；DNA在pH4~11间最稳定，超出此范围易变性
  • 核酸的紫外吸收
    • 核酸分子中的嘌呤和嘧啶碱基中含有共轭双键体系，因而具有特殊的紫外吸收光谱，其最大吸收峰位于260nm处，用这一性质可定量测定核酸的含量或鉴定核酸的纯度
    • 纯DNA:OD260/OD280=1.8 纯RNA:OD260/OD280=2.0
    • 越不稳定吸收值越高
  • 核酸的变性、复性和分子杂交
    • 核酸变性:核酸的变性是指因某些理化因素的影响是维持核酸空间结构的氢键和疏水键断裂，双螺旋结构解体，但不涉及核苷酸间共价键的断裂 核酸复性:变性DNA在适当的条件下（除去变性因素），可使两条分开的链按照碱基配对规律重新缔合成双螺旋结构（影响复性的因素:温度、DNA大小、DNA浓度）
    • 增色效应:是指核酸变性后，紫外吸收值增高。此外，变性后DNA粘度降低，生物功能消失 减色效应:复性的DNA溶液紫外吸收下降，核酸紫外吸收值比其各核苷酸成分的紫外吸收值之和减少30%-40%的现象
    • 引起核酸变性的因素
      • 高温、离子强度、极端的pH值、疏水作用、尿素和甲酰胺和碱基堆积
    • Tm
      • DNA的热变性过程中光吸收达到最大吸收（完全变性）时一般的温度被称为DNA的解链温度（Tm）或熔点，即双螺旋结构失去一般时的温度，一般在70~85摄氏度间
      • 影响DNA的Tm值的因素（RNATm值较低）
        • DNA的均一性，DNA分子中碱基组成的均一性，只含有一种碱基对的多核苷酸片段，比天然DNA的Tm值范围窄
        • G-C含量，G-C含量越高，Tm值越高
        • 介质离子强度，越低Tm值低，越高Tm值高
    • 分子杂交
      • 概念
        • 不同来源的核酸分子一起热变性，然后慢慢冷却，让其复性，若这些异源核酸分子具有互补序列，则复性时会形成杂交分子
      • 原理
        • 热变性:90~100摄氏度 酸碱变性:常采用碱变性 化学试剂变性:尿素、甲酰胺、甲醛等
        • 类型:DNA/DNA、DNA/RNA、RNA/RNA
      • 基本方法
        • Southern印迹法:DNA/DNA
        • Northern印迹法:DNA/RNA
        • Western印迹法:protein
• 核酸的研究技术方法
  • 核酸一级结构的测定
    • DNA
      • 末端终止法（双脱氧法）
      • 碱基特异化化学断裂法（化学断裂法）
      • 焦磷酸测序
      • DNA序列分析自动化
      • 杂交测序法、单分子荧光显微镜法等新方法
    • RNA
      • 先将待测RNA反转录成cDNA,再用Sanger末端终止法测定
      • 用化学或酶方法将放射性同位素标记的RNA进行部分消化，再进行聚丙烯酰胺电泳分析
      • 质谱法
  • 核酸的化学合成
    • 研究以及疾病诊断、治疗需要
    • 优点:不受序列和结构限制，有特异性、碱基配对的稳定性，甚至产生新的功能
    • 基本步骤:起始原料的准备、偶联反应和去保护
  • 核酸的分离纯化和定量：核算的抽取、电泳、离心和层析