核酸的功能与结构思维导图

这是一篇关于核酸的功能与结构的思维导图。包括核酸的化学组成以及一级结构，DNA的空间结构与功能，RNA的空间结构与功能，核酸的理化性质。

核酸的功能和结构

• 核酸
  • 核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息
• 核酸的化学组成及一级结构
  • 核酸的元素组成：由C、H、O、N、P五种元素构成。
  • 核苷酸和脱氧核苷酸——核酸的基本组成单位
    • 分子组成
      • 核酸（DNA和RNA）
        • 核苷酸
          • 脱氧核苷和核苷
            • 戊糖
              • β－D－核糖
              • β－D–2－脱氧核糖
            • 碱基
              • 嘌呤
                • 腺嘌呤（A）
                • 鸟嘌呤（G）
                • 存在于DNA和RNA中
              • 嘧啶
                • 胞嘧啶（C）:存在于DNA和RNA中
                • 尿嘧啶（U）：仅存在于RNA中
                • 胸腺嘧啶（T）：仅存在于DNA中
              • 稀有碱基
                • 如次黄嘌呤，二氢尿嘧啶
                • 主要存在于RNA中
          • 磷酸
    • 核苷的形成
      • 碱基和核糖（脱氧核糖）通过糖苷键连接形成核苷（脱氧核苷）
        • 连接方式:嘌呤环上的N–9或嘧啶环上的N–1与糖的C–1’以β–N–糖苷键相连
      • 核苷:AR,GR,UR,CR 脱氧核苷:dAR,dGR,dTR,dCR
    • 核苷酸的形成
      • 核苷（脱氧核苷）和磷酸以磷酸酯键连接形成核苷酸（脱氧核苷酸）
      • 核苷酸:AMP,GMP,UMP,CMP 脱氧核苷酸:dAMP,dGMP,dTMP,dCMP
    • 重要的游离核苷酸及其衍生物
      • 多磷酸核苷酸:NMP,NDP,NTP
      • 环化核苷酸:cAMP,cGMP
      • 含核苷酸的生物活性物质
        • AND+,NADP+,CoA-SH,FAD等都含有AMP
    • 核苷酸的生物学功能
      • 化学能载体:ATP 细胞信号转导的信使分子:cAMP 辅酶的结构分子:CoA,FAD,NAD+ 治疗肿瘤的化疗药物:5-FU
  • 核苷酸的连接方式
    • 连接键:脱氧核糖核苷酸之间以3’，5’–磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸
    • 方向性:DNA链的方向是5’→3’ DNA的骨架:交替的磷酸基团和戊糖
    • 核酸链的延长
      • 多聚脱氧核苷酸只能从3’–端得到延长
  • RNA:具有3’，5’–磷酸二酯键的线性大分子
    • 磷酸二酯键只能在C3’和C5’间形成
    • RNA也具有5’→3’的方向性
    • RNA的核糖不是脱氧核糖
    • RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶，没有胸腺嘧啶
  • 核酸的一级结构
    • 定义
      • 构成核酸的核苷酸或脱氧核苷酸从5’→3’末端的排列顺序
      • 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，又称为碱基序列
      • DNA:A,T,G,C RNA:A,U,G,C
    • 单位
      • 核酸分子的大小常用碱基数目或碱基对来表示
      • 寡核苷酸:＜50bp 多聚核苷酸:＞50bp
• 核酸的理化性质
  • 核酸的紫外吸收性
    • 碱基的杂环含有共轭双键，具有紫外吸收特征。
    • 核酸在波长260nm处有强烈的吸收
    • OD260的应用
      • 1.DNA或RNA的定量
        • A260=1.0相当于50μg/ml双链DNA，40μg/ml单链DNA（或RNA），20μg/ml寡核苷酸
      • 2.判断核酸样品的纯度
        • DNA纯品:A260/A280=1.8 RNA纯品:A260/A280=2.0
  • DNA的变性
    • 定义
      • 在某些理化因素作用下，一条双链DNA中碱基对之间的氢键断裂及破坏碱基堆积力，解离成为两条单链DNA
    • 因素
      • 加热，过量酸，碱，变性试剂（尿素，酰胺）以及某些有机溶剂（乙醇，丙酮）
    • 变化后的理化性质
      • 结构:螺旋→线团
      • 理化性质
        • 紫外吸收上升
        • 粘度下降
        • 比旋光度下降
      • 生物活性下降或丧失
    • DNA变性的本质——双链间氢键的断裂
    • DNA的增色效应
      • DNA变性时其溶液A260增加的现象
      • DNA的解链曲线
        • 解链温度
          • 解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大变化值的一半时所对应的温度
          • C+G含量越高，解链温度就越高
  • DNA复性与分子杂交
    • DNA的复性
      • 定义:在适当条件下，变性的DNA的两条互补链可恢复天然的双螺旋构象，这一现象称为复性
      • 热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火
      • 减色效应:DNA复性时，其溶液OD260降低
    • 核酸分子杂交应用
      • 基因结构分析
      • PCR扩增技术
      • 基因诊断
      • 基因治疗
      • mRNA分离
• RNA的空间结构与功能
  • RNA的一级结构与DNA比较
    • 组成上
      • （1）RNA是核糖，而DNA是脱氧核糖 （2）RNA是尿嘧啶，而DNA是胸腺嘧啶
    • 结构上
      • RNA是单链，仅有局部双链， 碱基配对关系为A–U，C–G 而DNA是双链螺旋结构， 碱基配对为A–T，C–G
  • RNA的分类
    • 编码RNA
      • mRNA
    • 非编码RNA
      • 组成性非编码RNA
        • tRNA，rRNA
      • 调控性非编码RNA
  • RNA结构特点
    • 1.RNA分子量较小，一般以单链存在 2.基本单位是四种核苷酸:AMP,GMP,CMP,UMP 3.可回折形成局部短的双螺旋结构
  • mRNA的结构与功能
    • 信使RNA:蛋白质生物合成的模板
      • 含量最少，占细胞RNA的2%-5%
      • 约有105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mRNA更复杂
    • mRNA结构特点
      • 大多数真核mRNA5’末端的帽子结构——转录后加上一个7–甲基鸟苷
      • 大多数真核mRNA的3’末端的多聚A尾——多聚腺苷酸
      • 帽子结构和多聚A尾的功能
        • mRNA核内向胞质的转位
        • mRNA的稳定性维系
        • 翻译起始的调控
      • 原核生物无帽子和多聚A尾的结构
    • 成熟mRNA的前体——hnRNA
    • mRNA的核苷酸顺序决定蛋白质的AA序列
  • tRNA的结构与功能
    • 转运RNA:氨基酸的载体参与多肽链合成，提供蛋白质合成必需的场所
      • 破译遗传密码 ——tRNA的反密码子识别mRNA的密码子
      • 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与翻译 ——通过tRNA3’–末端–CCA中的A与氨基酸共价连结，作为载体 ——不同的tRNA可以结合不同的氨基酸
    • 结构特点
      • tRNA的一级结构特点
        • 含稀有碱基最多（10%-20%）
          • DHU，m7G，Ψ
        • 3′末端为CCA－OH
        • 5′末端多为G
        • 分子量最小:核苷酸数目在74-95之间
      • tRNA的二级结构
        • 三叶草构型
          • 氨基酸臂
          • DHU环
          • 反密码子环
          • TψC环
          • 额外环
          • 概要
      • tRNA的三级结构
        • 倒“L”形
          • 氨基酸接纳臂
          • TΨC环
          • 反密码子环
          • DHU环
  • rRNA的结构与功能
    • rRNA的结构
      • 总RNA的80%以上
      • 由单链卷曲构成的多茎环结构
    • rRNA的功能
      • 参与组成核蛋白体的大、小亚基，作为蛋白质生物合成的场所
    • rRNA的种类（根据沉降系数S）
      • 真核生物
        • 5S
        • 28S
        • 5.8S
        • 18S
      • 原核生物
        • 5S
        • 23S
        • 16S
  • 其他RNA
    • snmRNAs
      • 细胞不同部位存在的其他种类的小分子RNA，统称为非信使小RNA
      • 包括核内小RNA，核仁小RNA，胞质小RNA，催化性小RNA，小片段干涉RNA
      • 参与hnRNA和rRNA的加工和转运
    • RNA组学
      • 研究细胞中snmRNAs的种类、结构和功能
    • 核酶
      • 某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，这种具有催化作用的小RNA被称为核酶或催化性RNA
      • 分类
        • 根据底物不同分类
          • DNA酶:专一水解DNA RNA酶:专一水解RNA
        • 根据切割部位不同
          • 核酸内切酶:分为限制性核酸内切酶和非特异性限制性核酸内切酶 核酸外切酶:5’→3’或3’→5’核酸外切酶
  • 核酸在细胞中的时空性
    • 原核生物:转录、翻译同时进行
    • 真核生物:转录在细胞核，翻译在细胞质进行
• DNA的空间结构与功能
  • DNA的二级结构
    • DNA双螺旋结构的实验基础
      • Chargaff规则
        • 不同生物种属的DNA碱基组成不同
        • 同一个体的不同器官或组织的DNA碱基组成相同
        • 特定组织DNA上的碱基组分稳定
        • 碱基组成规则
      • 碱基的理化数据分析
        • A－T、C－G以氢键配对较合理
      • DNA纤维的X–射线衍射图谱分析
        • 表明DNA是螺旋性分子，并且以双链形式存在
    • DNA双螺旋结构模型要点（B型）
      • 碱基堆积力:碱基平面之间的疏水作用力 氢键:垂直螺旋轴居双螺旋内側，与对侧碱基形成氢键配对
      • DNA分子由两条脱氧多核苷酸组成
        • 互相平行但走向相反，以右手螺旋方式绕同一公共轴盘旋
      • 互补碱基对
        • 碱基对平面垂直于螺旋轴 脱氧核糖平面垂直于碱基平面
        • 相邻碱基平面距离0.34nm
        • 螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基
      • 两链以脱氧核糖–磷酸为亲水性骨架，疏水性碱基，形成大沟及小沟
      • 氢键维持双链横向稳定性，碱基堆积力维持双链纵向稳定性
      • 概要
    • DNA双螺旋结构的多样性
      • A–DNA B–DNA Z-DNA
    • DNA的多链结构
      • DNA三链结构，DNA四链结构
    • 碱基互补配对是半保留复制的基础
  • DNA的高级结构
    • 超螺旋结构
      • 定义
        • DNA双螺旋链再盘绕和折叠，即形成超螺旋结构
      • 分类
        • 正超螺旋
          • 盘绕方向与DNA双螺旋方向相同
        • 反超螺旋
          • 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
    • 封闭环状的DNA的高级结构
      • 原核生物DNA多为环状，以负超螺旋的形式存在，平均每200碱基就有一个超螺旋形成
    • 真核生物DNA高级结构
      • 真核生物DNA以非常有序的形式存在于细胞核内
      • 在细胞周期的大部分时间里，DNA以松散的染色质形式存在
      • 在细胞分裂期，则形成高度致密的染色体
      • DNA染色质的电镜图像
        • DNA染色质呈现出的串珠样结构
      • 染色质的基本单位是核小体
        • 核小体的组成
          • DNA
            • 约200bp
            • 约146bp盘绕在组蛋白八聚体（约1.75圈） 约50bp连接核小体
          • 组蛋白
            • 蛋白质成分
              • 富含Lys和Arg的碱性蛋白质
            • H1
              • 结合在DNA连接段与核小体的进出口
            • 组蛋白八聚体
              • H2A*2
              • H2B*2
              • H3*2
              • H4*2
        • 核小体结构
          • DNA双螺旋形成超螺旋结构，再与核内的蛋白质结合形成核小体的结构
          • DNA缠绕八聚体1.75圈,然后与H1连接,形成串珠状结构
  • DNA的功能
    • 基因:是指编码RNA或多肽链的DNA片段，即DNA中特定的核苷酸序列 基因组:包含该生物的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
    • 以基因的形式负载遗传信息
    • 基因复制和转录的模板
    • 生命遺传的物质基础，也是个体生命活劫的信息基础