核酸化学

核酸化学知识总结，包括核酸的定义和发现过程、种类和分布、化学组成、生物学功能、结构、理化性质及应用等内容。

核酸化学

• 定义
  • 生物体遗传信息的携带者和传递者
  • 由核苷酸聚合而成的生物大分子
  • 生命的基础物质之一
  • 存在于所有生物之间
• 发现过程
  • Miescher从脓细胞中分离出含磷的酸性物质，命名为“核素”
  • Altman制备出了不含蛋白质的核酸，“核酸”一词开始应用
  • Feulgen发现核酸中戊糖有核糖和脱氧核糖两种
    • 因此核酸被分为核糖核酸和脱氧核酸
  • Kssel发现碱基的主要成分，A、G、T、C
  • 格里菲斯和艾弗里的肺炎双球菌的转化实验，表明DNA具有传递遗传物质的功能
  • 1952年赫尔希和蔡斯噬菌体侵染实验证明了遗传物质的化学本质是DNA
• 种类和分布
  • 所有生物均含有这两类核酸，病毒和噬菌体只含有一种核酸
  • DNA
    • 真核生物
      • 细胞核内（主要）
        • DNA与蛋白质组成的染色质的形式存在
      • 线粒体和叶绿体也有各自的DNA
        • 环状双链分子
    • 原核生物
      • 拟核区域
        • 一个环状双链分子
      • 拟核区域外（或某些真核生物核外）存在质粒
        • 环状结构、能够自主遗传复制
  • RNA
    • rRNA（82%）
    • tRNA（16%）
    • mRNA（2%）
    • 真核生物和原核生物均含有这三种RNA，线粒体和叶绿体有与细胞质不同的RNA
    • 不编码蛋白质的RNA
• 化学组成
  • 核酸
    • 核苷酸
      • 多为5’-核苷酸
      • 磷酸
      • 核苷
        • 戊糖
          • 核糖
          • 脱氧核糖
        • 碱基
          • 基本碱基
            • 嘌呤
              • 腺嘌呤
              • 鸟嘌呤
            • 嘧啶
              • 胞嘧啶
              • 胸腺嘧啶
              • 尿嘧啶
          • 稀有碱基
            • 含量稀少，是基本碱基的化学修饰（甲基化、氢化和硫化）产物；RNA中含有较多的稀有碱基
• 生物学功能
  • DNA
    • 是遗传物质，是遗传信息的载体，负责遗传信息的储存和传递
  • RNA
    • 负责遗传信息的表达
      • mRNA
        • 携带者DNA的遗传信息，作为蛋白质的合成模板
      • rRNA
        • 蛋白质的合成场所
      • tRNA
        • 密码子翻译为相应氨基酸的桥梁
• 结构
  • 一级结构
    • 核苷酸的排列顺序和连接方式
      • 从5'至3'(前端为磷酸基团，后端为羟基）
  • 二级结构
    • DNA
      • 双螺旋结构模型特点
        • 两条反向平行的多核苷酸链，围绕同一中心轴形成右手螺旋
        • 脱氧核苷和磷酸间隔而成的亲水骨架在双螺旋的外侧，疏水的碱基对在内侧，碱基平面与中心轴垂直，糖环平面与中心轴平行，旋转一周约为10个碱基对，螺距为3.4nm，相邻碱基平面间隔0.34nm，并有一个36°的夹角。
        • 两条链借助碱基之间的氢键结合在一起，嘌呤与嘧啶配对
        • 两条链配对偏向一侧，形成一条大沟，一条小沟
      • 影响稳定性的因素
        • 氢键
          • 碱基结构间形成
        • 碱基堆积力
          • 同一链相邻碱基间的疏水作用和范德华力
        • 维持
        • 带负电荷磷酸基团的静电斥力
          • 磷酸基团周围大量的负电荷会产生静电排斥作用
        • 碱基分子内能
          • 碱基分子内能增加，定向排列遭到破坏，削弱氢键结合力和碱基堆积力
        • 破坏
    • RNA
      • 链的回折形成局部二级结构，不能配对的区域形成突环，有发夹结构
        • tRNA
          • 三叶草型
            • 氨基酸接受臂
            • 二氢尿嘧啶环
            • 反密码子环
            • 额外环
            • 假尿嘧啶核苷-胸腺嘧啶核糖核苷环
        • rRNA
          • 真核生物核糖体含有四种rRNA（28S、5.8S、5S、18S)
        • mRNA
          • 真核生物
            • 由前体核内不均一RNA经剪切和修饰后才能进入细胞质中参与蛋白质的合成
            • 一个mRNA分子只包含一条多肽链信息
            • 转录后要在其5'端添加帽子结构和3’端添加多腺苷酸尾巴
          • 原核生物
            • 转录后不经加工修饰直接进行蛋白质的翻译
            • 一条mRNA含有几个功能上相关的蛋白质编码序列，可翻译出几种蛋白质
  • DNA的三级结构
    • 超螺旋结构
      • 正超螺旋结构
      • 负超螺旋结构
• 理化性质及应用
  • 一般性质
    • DNA
      • 白色纤维状固体，粘度大
    • RNA
      • 白色粉末，粘度较小
    • 在引力场中可以下沉
    • 在一定pH的缓冲液中带有电荷
  • 紫外吸收性质
    • 最大吸收值在260nm附近
  • 变性与复性
    • 变性
      • 条件：加热、酸、碱、尿素和甲酰胺
      • 氢键断裂，共价键不断裂
      • 增色效应：260nm紫外吸收值升高
      • 熔点、溶解温度：热变性时光吸收达到最大吸收一半时的温度
        • 与G-C含量及离子强度有关
    • 复性
      • 单链重新聚合成双链
      • 减色效应
  • 分子杂交
    • 具有互补序列的不同来源的单链核酸分子，按照碱基互补配对原则结合在一起
    • DNA-DNA、RNA-RNA、DNA-RNA
      • Southern、Western、Northern
• 由戊糖第一位碳原子与嘌呤的第九位氮原子或与嘧啶的第一位氮原子相连接（碱基平面与糖环平面相互垂直）
• 核苷
  • 定义
    • 核糖或脱氧核糖与嘌呤或嘧啶缩合生成的糖苷
  • 连接方式
    • 戊糖与碱基间以糖苷键相连
  • 稀有核苷
    • 修饰碱基组成的核苷
      • 常见的甲基化修饰基团以m表示
        • 修饰集团在碱基的位置写在碱基符号的左方，在核糖上的位置写在右方，个数写在m右下角，位置写在m右上角
    • 2'-O-甲基核糖组成的核苷
    • 碱基与核糖连接方式改变形成的核苷
• 酶解、酸解、碱解