核酸学习笔记

下图梳理了核酸的概述、核酸的化学组成以及一级结构、DNA的空间结构与功能、核酸的理化性质、RNA的结构与功能。

核酸的结构与功能

• 概述
  • 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
  • 分类
    • 脱氧核糖核酸DNA
      • 分布
        • 存在于细胞核和线粒体
      • 携带遗传信息，并通过复制传递给下一代
    • 核糖核酸RNA
      • 分布
        • 存在于细胞核、细胞质、线粒体
      • 是DNA转录的产物，参与遗传信息的复制与表达。某些病毒的RNA也可作为遗传信息的载体
• 核酸的化学组成以及一级结构
  • 核酸的基本组成
    • 核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
      • 组成部分
        • 核苷和脱氧核苷
          • 组成部分
            • 碱基
              • 含氮的杂环化合物，是构成核苷酸的基本组分之一
              • 分类
                • 嘌呤
                  • 腺嘌呤A
                  • 鸟嘌呤G
                • 嘧啶
                  • 胞嘧啶C
                  • 胸腺嘧啶T
                  • 尿嘧啶U
                • ATGC存在于DNA中 AUGC存在于RNA中
            • 核糖(戊糖)
              • β-D-核糖
                • RNA中
              • β-D-2'-脱氧核糖
                • DNA中
          • 概念
            • 核苷是由碱基与核糖通过糖苷键结合构成的
        • 磷酸
      • 概念
        • 核苷酸是由核苷或脱氧核苷与磷酸通过酯键结合构成的
      • 核苷酸的衍生物
        • 环化核苷酸：cAMP、cGMP，是细胞信号转导中的第二信使
  • DNA是脱氧核糖核苷酸通过3'，5'-磷酸二酯键聚合而成的线型大分子
    • 概念
      • 一个脱氧核苷酸3'的羟基与另一个脱氧核苷酸5'的α-磷酸基团缩合形成磷酸二酯键
      • 多个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键构成了具有方向性的线性分子，称为多聚脱氧核苷酸，即DNA链
    • DNA链的方向是5'→3'
    • 交替的磷酸基团和戊糖构成了DNA的骨架
  • 核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
    • 核酸的一级结构定义
      • 核酸中核苷酸的排列顺序
      • 由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所以也称碱基序列
• DNA的空间结构与功能
  • 概念
    • DNA的空间结构指构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系
  • 分
    • 二级结构
      • 概念
        • DNA的二级结构是双螺旋结构
      • DNA双螺旋结构模型要点
        • 1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘旋
        • 2.两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行
          • 即一条链的5'→3'方向是自上而下，另一条链的5'→3'方向是自下而上
        • 3.碱基互补配对：A-T，G-C
        • 4.脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，疏水的碱基位于内侧。相邻碱基相互平行
        • 5.双螺旋结构的螺距为3.54nm，每一个螺旋有10.5个碱基对(核苷酸)，碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm
        • 6.碱基对的碱基堆积力和氢键共同维持着DNA双螺旋结构的稳定
          • 相邻两个碱基对会有重叠，产生了疏水性的碱基堆积力
          • 互补链之间的碱基对形成氢键
      • DNA双螺旋结构的多样性
        • A-DNA，B-DNA，Z-DNA
      • DNA的多链结构
    • 高级结构
      • 概念
        • DNA的高级结构是超螺旋结构
          • DNA的超螺旋结构是由DNA双螺旋链再盘绕形成的
          • 分类
            • 正超螺旋
              • 盘绕方向与DNA双螺旋方向相同
            • 负超螺旋
              • 盘绕方向与DNA双螺旋方向相反
      • 原核生物DNA的环状超螺旋结构
        • 原核生物DNA多为环状的双螺旋的分子，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以核小体为单位形成高度有序致密结构
        • 概述
          • 真核生物基因组DNA为线性分子
          • 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
        • 真核生物染色体由DNA和蛋白质构成，基本单位是核小体
          • 核小体由DNA和蛋白质组成
            • DNA：约200bp(碱基对的对数)
              • 146bp长度的核心组蛋白；0-50bp长度的连接段DNA，连接相邻核小体，是非组蛋白结合的区域
            • 组蛋白
              • H1
                • 结合在盘绕在核心组蛋白上的DNA双链的进口处，发挥稳定核小体结构的作用
              • H2A×2，H2B×2
              • H3×2
              • H4×2
              • 八聚体的核心组蛋白，长度约为146bp的DNA双链在核心组蛋白上盘绕1.75圈，形成核小体的核心颗粒
        • 双链DNA的折叠和组装
  • DNA是遗传信息的物质基础
    • DNA是生物遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板
    • 基因是携带遗传信息的DNA片段，它的核苷酸序列决定了其表达产物的特性
    • 基因组是细胞中全部DNA序列
• 核酸的理化性质
  • 溶解性
    • 不溶于乙醇或异丙醇，溶解于水中
    • 核酸的酸碱及溶解度性质
      • 核酸为多元酸，具有较强的酸性
    • 核酸的高分子性质
      • 粘度
        • DNA＞RNA
        • dsDNA(双链)＞ssDNA(单链)
      • 沉降行为
        • 不同构象的核酸分子的沉降的速率有很大差异，这是超速离心法提取和纯化核酸的理论基础
  • 核酸分子具有强烈的紫外吸收
    • 核酸在波长260nm处有强烈的吸收，是由碱基的共轭双键所决定的
      • 这一特性常用作核酸的定性和定量分析
    • 紫外吸收的应用
      • DNA或RNA的定量
        • A₂₆₀=1.0相当于 50μg/ml双链DNA(dsDNA) 40μg/ml单链DNA(ssDNA或RNA) 20μg/ml寡核苷酸
      • 确定样品中核酸的纯度
        • 纯DNA：A₂₆₀/A₂₈₀=1.8 纯RNA：A₂₆₀/A₂₈₀=2.0
    • DNA变性是双链解离为单链的过程
      • 定义
        • 某些理化因素导致DNA双链互补碱基对之间的氢键发生断裂，DNA双链解离为单链的过程
          • DNA变性的本质是双链间氢键的断裂
      • 增色效应
        • DNA变性时，其溶液在260nm处的吸光值增加的现象
      • DNA的解链曲线
        • 连续加热DNA的过程中以温度相对于A₂₆₀值作图，所得的曲线称为解链曲线
        • 解链温度Tm
          • 解链过程中，紫外吸光度的变化达到最大值的一半时所对应的温度
          • 影响Tm的因素
            • DNA的均一性
              • 均质DNA的熔解过程发生在一个较小的温度范围内；异质DNA的熔解过程发生在一个较宽的温度范围内
            • G-C的含量
              • 含量越高，Tm越高
            • 离子强度
              • I越高，Tm越大，DNA宜保存在高浓度盐中
      • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链
        • DNA复性
          • 当变性条件缓慢的除去后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来的双螺旋结构，这一现象称为DNA复性
        • 退火
          • 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，其溶液在260nm处的吸光值降低
        • 核酸分子杂交
          • 不同种类的DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在着一定程度的碱基配对关系，在适宜的条件可以在不同的分子间形成杂化双链
          • 这种可以在不同的DNA与DNA之间形成，也可以在DNA与RNA分子间或者RNA与RNA分子间形成。这种现象称为核酸分子杂交
          • 应用
            • 研究DNA分子中某一种基因的位置
            • 鉴定两种核酸分子间的序列相似性
            • 检测靶基因在待检样品中存在与否
• RNA的结构与功能
  • 概述
    • 组成RNA四种核苷酸是A、G、C、U
    • RNA的戊糖是核糖，2'位有羟基
    • RNA通常以单链的形式存在，但有复杂的局部二级结构或三级结构
    • RNA比DNA小的多
    • RNA的种类大小和结构远比DNA表现出多样性
    • 分类
      • rRNA
        • 核糖体RNA
      • mRNA
        • 信使RNA
      • tRNA
        • 转运RNA
      • micoRNA
        • 微RNA
      • hnRNA
        • 不均一核RNA
          • 成熟mRNA的前体
      • snRNA
        • 核小RNA
      • snoRNA
        • 核仁小RNA
  • mRNA是蛋白质合成中的模板
    • 概述
      • 信使RNA(mRNA)是细胞内合成蛋白质的模板
      • 特点
        • 丰度最小
        • 种类最多
        • 大小各不相同
        • 寿命最短
      • 初级产物为核不均一RNA(hnRNA)，含有内含子和外显子；剪切后成为成熟mRNA
    • 真核生物mRNA的5'-端有特殊帽结构
      • 5'-帽结构：m⁷GpppNm(反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸腺苷)
      • mRNA的帽结构可以与帽结合蛋白结合
    • 真核生物mRNA的3'末端有多聚腺苷酸尾
    • 帽子结构和多聚腺苷酸尾的功能
      • mRNA核内向胞质的转位
      • mRNA的稳定性维系
      • 翻译起始的调控
    • mRNA碱基序列决定蛋白质的氨基酸序列
      • 密码子：mRNA分子中每三个相邻的核苷酸组成一组，在蛋白质翻译合成时，代表一个特定的氨基酸，这种核苷酸三联体称为密码子
      • 位于起始密码子和终止密码子之间的核苷酸序列称为开放阅读框，决定了多肽链的氨基酸序列
  • tRNA
    • tRNA中含有多种稀有碱基
    • 结构特点
      • tRNA的一级结构特点
        • 含10-20%稀有碱基
        • 3'末端为—CCA-OH(氨基酸臂)
      • tRNA的二级结构
        • tRNA含有局部茎环结构(发卡结构)
          • 局部的双螺旋结构之间的核苷酸序列不能形成互补的碱基对，则膨出形成环状或襻状结构
        • tRNA的二级结构呈三叶草形
          • 氨基酸臂
          • DHU环
          • 反密码环
          • TΨC环
          • 额外环
      • tRNA的三级结构
        • 倒L形
    • 功能
      • 活化、搬运氨基酸到核糖体，参与蛋白质的翻译
    • 3'-末端的核苷酸与氨基酸以酯键相连生成氨基酰-tRNA
  • rRNA
    • 概述
      • 核糖体RNA(rRNA)是细胞内含量最多的RNA
      • rRNA与核糖体蛋白结合组成核糖体，为蛋白质的合成提供场所
    • rRNA种类(根据大分子物质在超速离心沉降中的沉降系数S)
      • 真核生物
        • 5S rRNA
        • 28S rRNA
        • 5.8S rRNA
        • 18S rRNA
      • 原核生物
        • 5S rRNA
        • 23S rRNA
        • 16S rRNA
      • 大亚基，小亚基
  • 其他非编码RNA参与基因表达的调控
    • 除mRNA,trna,rRNA外，细胞的不同部位存在的许多其他种类的小分子RNA，统称为非编码RNA