生物化学 核酸

这是一篇关于生物化学 核酸的思维导图，核酸是脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的总称，是由许多核苷酸单体聚合成的生物大分子化合物，为生命的最基本物质之一。

核酸

• 核酸结构
  • 一级结构
    • 定义
      • 5'--->3'（脱氧）核苷酸/碱基序列
    • 书写
  • DNA空间结构
    • DNA功能团通过特殊的氢键、离子作用力、疏水作用力、空间位阻效应等，使DNA分子的各个原子在三维空间里具有确定的相对位置关系
  • 二级结构
    • DNA双螺旋结构的实验基础
      • Chargaff规则（4）
        • P36
        • 核苷酸是成对存在， dA与dT配对， dG与dC配对
      • X射线衍射
        • DNA分子呈螺旋状
      • 碱基对的结构参数
    • B型-DNA双螺旋结构模型的要点
      • 1. 两条多聚脱氧核苷酸链围绕同一个螺旋轴形成 反向平行 的 右手螺旋
        • 直径2.37nm，螺距3.54nm
      • 2. 两条多聚脱氧核苷酸链之间形成互补碱基对 两条链形成互补链
        • dAMP和dTMP之间形成2对氢键
        • dGMP和dCMP之间形成3对氢键
        • 每一个螺旋有10.5bp，碱基对平面之间的垂直距离有0.34nm
        • 每两个相邻的碱基对之间的相对旋转角度为36°
      • 3. 两条多聚脱氧核苷酸链的亲水性骨架将互补碱基对包埋在DNA双螺旋结构内部
        • 亲水性骨架：脱氧核糖、磷酸基团构成，外侧
        • 碱基对与磷酸骨架连接呈非对称性，在双螺旋结构上形成一个大沟和一个小沟
      • 4. 两个碱基对平面重叠产生疏水性碱基堆积力
        • 碱基堆积力和互补链之间碱基对的氢键作用力共同维系着DNA双螺旋结构的稳定
    • DNA双螺旋结构的意义
      • 1. DNA功能和结构联系起来
        • 揭示了DNA作为遗传信息载体的物质本质
        • 提供了DNA复制和转录的结构基础
      • 2. 解释DNA理化性质
      • 3. 是现代生物学和医学发展史里程碑
    • DNA双螺旋结构多样性
      • 溶液离子强度或相对湿度变化可使DNA双螺旋结构的沟槽、螺距、旋转角度、碱基对倾角等发生变化 不同结构与基因表达的调节和控制相适应
      • A型-DNA
        • 环境相对湿度降低后，维持双螺旋结构，但空间参数不同
      • Z型-DNA
        • 左手双螺旋结构，天然DNA分子中同样存在
    • DNA的多链结构
      • Hoogsteen氢键
        • 在酸性的溶液中，胞嘧啶N-3原子可以被质子化，使得它在大沟一侧与已有的GC碱基对中的鸟嘌呤N-7原子形成新的氢键；胞嘧啶C-4位氨基氢原子可与鸟嘌呤C-6位氧形成新的氢键
        • 含有三个碱基的C＋GC平面：GC之间是以Watson-Crick氢键结合，C＋G之间是以Hoogsteen氢键结合的
          • DNA也可以形成TAT的三碱基平面
        • Hoogsteen氢键的形成并不破坏原有碱基对中的Watson-Crick氢键
      • DNA三链结构
        • 当DNA双链中一条链的核苷酸序列富含嘌呤时，对应的互补链必然是富含嘧啶，它们形成了正常的DNA双链 第三条是富含嘧啶的单链，且具有碱基互补性，在环境条件为酸性时，第三条链就会与双链生成了DNA三链结构，可干扰调控因子结合，影响该基因复制、转录
      • 端粒——G-四链
        • 真核生物染色体3'端，高度重复，富含GT（人端粒碱基序列：TTAGGG），单链，柔韧，自身回折形成一个G-四链结构
        • 核心：4个G通过8对Hoogsteen氢键形成的G-平面，若干G-平面堆积形成G-四链结构，用来保护端粒的完整性
        • 可维持染色体的稳定性与DNA的完整性，与衰老和肿瘤发生有关
  • 高级结构
    • 超螺旋结构
      • DNA双链继续盘绕可形成超螺旋结构，使DNA处在一个低能量状态
      • 正超螺旋
        • 盘绕方向与双螺旋方向相同
      • 负超螺旋
        • 自然界中主要形式
        • 盘绕方向与双螺旋方向相反
        • 封闭环状DNA具有，产生DNA双链的局部解链效应，有助于复制、转录等生物过程进行
          • 线粒体DNA是真核细胞核以外的遗传物质，具有封闭环状的超螺旋结构
    • 染色质
      • 基本组成单位
        • 核小体
          • 组蛋白
            • 富含Lys和Arg的碱性蛋白质
            • 八聚体核心组蛋白
              • H2A (x2), H2B (x2), H3 (x2), H4 (x2)
            • 组蛋白H1结合在DNA连接段与核小体的进出口处
              • 稳定核小体结构
          • 一段双链DNA
            • 146 bp 盘绕在组蛋白八聚体 (1.75圈)
              • 核心颗粒
            • 0~50 bp（linker DNA）连接核小体
              • 非组蛋白结合区域
      • 染色质纤维
        • 核小体核心颗粒+DNA双链构成的10nm串珠状结构，是DNA双链在核内形成致密结构的第一次折叠
        • 其按照左手螺旋进一步缠绕，形成中空螺线管：外径30nm，内径10nm，每圈6个核小体，H1位于内侧（稳定螺线管），是DNA的第二次折叠
      • 染色体
        • 多级螺线管模型
          • 超螺线管--->染色单体--->染色体
        • 着丝粒富含AT
• DNA是主要遗传物质
  • 实验基础
    • P43
  • 概念
    • 基因
      • 遗传信息以基因形式存在，基因是DNA中特定的核苷酸序列，是编码RNA和多肽链的DNA片段 是DNA复制和RNA生物合成的模板，决定蛋白质氨基酸排列顺序
      • DNA利用四种碱基的不同排列编码生物体遗传信息，通过复制的方式遗传给子代 DNA利用转录过程，合成各种RNA。RNA参与蛋白质合成，保证细胞内生命活动有序进行、遗传信息世代相传
    • 基因组
      • 包含在生物体的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
      • 一般来讲，进化程度越高的生物体，基因组越大越复杂
  • 特点
    • 高度稳定性
      • 保持生物体系遗传特征的相对稳定性
    • 高度复杂性
      • 可发生重组、突变，适应环境变迁，为自然选择提供机会，给大自然表现出丰富的生物多样性
  • 功能
    • 生物体遗传信息的载体，为基因复制、转录提供模板
    • 生命遗传的物质基础，个体生命活动的信息基础
• 核酸理化性质
  • 强烈的紫外吸收
    • 嘌呤、嘧啶都是含共轭双键的杂环分子
    • 碱基、核苷、核苷酸、核酸在紫外波段都有较强烈的吸收
    • 中性条件下，最大吸收值在260nm附近
    • 根据吸收峰值大小可判断DNA/RNA含量，根据A260/A280可判断核酸样品纯度
  • 酸性、黏滞度、机械力抗性、沉淀
    • 核酸为多元酸，酸性强
    • 核酸为线性高分子，它们溶液的黏滞度大 RNA长度远小于DNA，黏滞度相比小得多
    • DNA在机械力下容易断裂，故提纯时应格外小心
    • 溶液中核酸分子在引力场中可以沉淀；超速离心引力场中，不同构象（环状、超螺旋、线性等）的核酸分子沉降速率差异很大，故可提纯不同构象的核酸
  • DNA变性是一条DNA双链解离为两条DNA单链的过程
    • 概念
      • DNA变性
        • 某些极端的理化条件（温度、pH、离子强度等）可以断裂DNA双链互补碱基对之间的氢键以及破坏碱基堆积力，使一条DNA双链解离成两条单链 仅破坏空间结构，不改变DNA核苷酸序列
      • 增色效应
        • DNA解链过程中，有更多的包埋在双螺旋结构内部的碱基得以暴露，因此含有DNA的溶液在260nm处吸光度增加
        • 应用
          • 监测260nm处吸光度变化来判断DNA双链是否变性
      • 解链曲线
        • 温度——A260nm
      • 解链温度Tm
        • 解链曲线上，紫外吸光度达到最大变化值的一半时所对应的温度 此时50%的双链解离成了单链
        • 影响因素
          • GC含量↑↑
          • 离子强度↑↑
  • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链
    • 概念
      • 复性
        • 把变性条件缓慢去除后，两条解离的DNA互补链可以重新互补配对形成DNA双链，恢复原来的双螺旋结构
      • 退火
        • 热变性的DNA经缓慢冷却后可以复性，这一过程称为退火
          • 将热变性的DNA迅速冷却到４℃，两条互补链来不及形成单链，故不能发生复性 可用来保持解链后DNA单链处在变性状态
      • 杂化双链
        • 如果将不同种类的DNA单链或RNA单链混合在同一溶液中，只要这两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基互补关系，就有可能形成杂化双链
      • 核酸分子杂交
        • 杂化双链可以是两条不同的DNA单链，可以是两条RNA单链，也可以是一条DNA单链和一条RNA单链
• 核酸
  • DNA
    • 定义
      • 多个脱氧核糖核苷酸聚合而成的线性大分子，脱氧核糖核苷酸之间通过3',5'-磷酸二酯键共价连接而成
    • 两端
      • 3'端
        • 连接在C-3'上的羟基
      • 5'端
        • 连接在C-5'上的磷酸基团
    • 3', 5'-磷酸二酯键
      • 3'-羟基+α-磷酸基团
    • 方向性
      • 5'--->3'
  • RNA
    • 与DNA区别
      • 戊糖环是核糖而非脱氧核糖
      • 嘧啶是C、U，一般不含T
  • 大小
    • 描述
      • RNA/单链DNA
        • 核苷酸数目nt
      • 双链DNA
        • 碱基对数目bp/kb
    • 寡核苷酸
      • 长度<50个核苷酸的核酸片段
    • 一个由n个脱氧核苷酸组成的DNA有4^n种不同排列组合
• 核苷酸/脱氧核苷酸
  • 碱基
    • 含氮杂环化合物
    • 受pH影响，碱基酮基可形成酮-烯醇互变异构体；氨基可形成氨基-亚氨基互变异构体
      • 为碱基之间及碱基与其他化学功能团之间形成氢键提供结构基础
  • 核糖
    • β-D-核糖
      • C-2'连羟基
    • β-D-2'-脱氧核糖
      • C-2'不连羟基
    • 脱氧核糖化学稳定性优于核糖
  • 核苷
    • 碱基+核糖缩合产物
    • 五碳糖C-1'与嘌呤N-9/嘧啶N-1缩合形成β-N-糖苷键
  • （脱氧）核苷酸
    • 结构
      • （脱氧）核苷+磷酸脱水缩合产物
    • 分类
      • （脱氧）核苷一磷酸(d)NMP
        • N-P
      • （脱氧）核苷二磷酸(d)NDP
        • N-P~P
      • （脱氧）核苷三磷酸(d)NTP
        • N-P~P~P
        • 细胞所需化学能主要来源 （ATP是最重要的能量载体）
      • 高能有机磷酸化合物
    • 功能
      • 1. 能量载体
        • 细胞内化学能载体，α-磷原子与β磷原子/β磷原子与γ-磷原子间通过酸酐键连接
      • 2. 第二信使
        • ATP、GTP分别可环化形成cAMP（环腺苷酸）、cGMP（环鸟苷酸），成为第二信使，调控基因表达
      • 3. 辅酶
        • 细胞内一些参与代谢的辅酶中含核苷酸：NAD+（辅酶I）、NADP+（辅酶II）、FMN、FAD、CoA
      • 4. 药物
        • 核苷酸及核苷酸细分衍生物具有药用价值：6-巯基嘌呤、5-氟尿嘧啶、阿糖胞苷（竞争性抑制剂，干扰肿瘤细胞核苷酸代谢，抑制核酸合成）

RNA

• mRNA
  • 特点
    • 丰度最小，2%~5%
    • 种类极多，大小、寿命各不相同
  • 结构
    • 5'-帽结构
      • 大部分真核细胞mRNA的5'端
      • 鸟苷酸转移酶将GTP加到mRNA5'端，形成5'-5'三磷酸键 5'端磷酸基团变为反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷（m7Gppp）的起始结构
    • 3'-Poly(A)（多聚腺苷酸尾）结构
      • 真核细胞mRNA的3'端
      • 80~250个腺苷酸连接而成，多聚腺苷酸聚合酶催化，每20个腺苷酸结合一个PABP【poly（A）结合蛋白】
    • 共同负责mRNA从细胞核向细胞质的转运、维持mRNA的稳定性以及翻译起始的调控 若去除，则mRNA迅速被降解
    • 5'-非翻译区
      • 5'-帽至第一个AUG（起始密码子）
    • 编码区/可读框ORF
      • 起始密码子至终止密码子（UAA、UAG、UGA）
      • 每三个连续核苷酸组成一个密码子，并编码一个AA，直到遇到终止密码子
    • 3'-非翻译区
      • 终止密码子至3'-Poly(A)尾
  • hnRNA
    • 细胞核内初级转录产物
    • 结构
      • 长度远大于mRNA
      • 含许多交替相隔的外显子（构成mRNA的序列片段）、内含子（非编码序列）
    • 变化
      • 向细胞质转移过程中，内含子被剪切掉，外显子连接，经加帽、加尾，形成成熟mRNA
  • 功能
    • 蛋白质合成的模板，决定蛋白质的氨基酸序列
• tRNA
  • 特点
    • 丰度：15%左右
    • 100多种 tRNA，长度为70～95 nt
    • 空间结构稳定
  • 结构
    • 含多种稀有碱基
      • 占10%~20%，转录后修饰而成
      • 双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶（ψ）、甲基化的嘌呤（m7G、m7A）等
    • 具有特定空间结构
      • 发卡/茎环结构
        • 一些核苷酸序列可通过碱基互补配对形成链内双螺旋，其间不能形成互补的核苷酸序列则突出呈环状或襻状
      • 三叶草（二级结构）
        • 两侧发卡
          • DHU环、TψC环（含稀有碱基）
        • 下方发卡
          • 反密码子环
        • 上方的茎
          • 氨基酸臂/接纳茎
        • 可变臂
          • TψC环和反密码子环之间，长短不一，几nt~几十nt不等
        • 除DHU环和可变臂外，其他部位核苷酸数目高度保守
      • 三级结构
        • 靠碱基间氢键和碱基堆积力稳定
        • 倒“L”形空间结构
    • AA载体
      • 3'端都以CCA三个核苷酸结束（CCA-OH）
      • 氨酰-tRNA合成酶将氨基酸通过酯键连接在腺嘌呤A的C-3'原子上，生成氨酰-tRNA，使tRNA成为AA载体 只有连接在tRNA上的AA才能参与蛋白质合成
  • 功能
    • 蛋白质合成中AA的载体
    • tRNA所载AA种类由反密码子决定，一个AA可有一种或几种tRNA作为载体，以适应密码子简并性需求
• rRNA
  • 特点
    • 丰度：>80%
    • 有确定的种类、保守的核苷酸序列
    • 纯化的核糖体蛋白和rRNA在试管内混合后，会自动组装成具有活性的大亚基和小亚基并进一步组装成核糖体
  • 结构
    • 二级结构
      • 许多茎环，为核糖体蛋白结合和组装提供了结构基础
  • 分类
    • • mRNA结合部位：大小亚基结合区域的沟槽
        • A位
          • 结合氨酰-tRNA的氨酰位
        • P位
          • 结合肽酰-tRNA的肽酰位
        • E位
          • 释放已经卸载了氨基酸的tRNA的排出位
  • 功能
    • 与核糖体蛋白共同组成核糖体，将蛋白质合成所需的mRNA、tRNA及多种蛋白质因子募集在一起，为蛋白质合成提供必需场所
• 其他组成性非编码RNA
  • 催化小RNA/核酶
    • 细胞内具催化功能的一类小分子RNA的统称
    • 具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用
  • 核仁小（sno）RNA
    • 位于核仁，参与rRNA的加工（rRNA核糖C-2'甲基化和假尿嘧啶修饰）
  • 核小（sn）RNA
    • 与大约20种蛋白质组成了细胞的核小核糖核蛋白
    • 5'端有类似mRNA的帽；富含U，称为U-snRNA
    • 识别mRNA中内含子、外显子接点，切除内含子
  • 胞质小（sc）RNA
    • 位于细胞质中，与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能
    • 举例：SRP-RNA与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒SRP，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网进行合成
• 调控性非编码RNA
  • 非编码小（snc）RNA
    • 长度<200nt
    • 分类
      • 微（mi）RNA
        • 20~25nt
        • 作用机制
          • miRNA与mRNA完全互补
            • miRNA与靶基因mRNA可读框中序列形成完全互补的RNA双链，miRISC将双链中mRNA降解
          • miRNA与mRNA不完全互补
            • miRNA与mRNA的3'-非翻译区的序列形成非完全互补的杂交双链，miRISC紧紧结合在杂交双链上，特异性地抑制基因表达
        • 功能
          • 参与细胞生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵袭等过程
      • 干扰小（si）RNA
        • 分类
          • 内源性
            • 细胞自身产生
          • 外源性
            • 外源入侵的基因表达的双链RNA，经Dicer切割产生的具有特定长度（21~23bp）和特定序列的小片段RNA
        • 功能
          • 与AGO蛋白结合，诱导靶mRNA的降解（降解外源mRNA）
          • 抑制转录
      • piRNA
        • 长度30nt
        • 分布
          • 哺乳动物生殖细胞和干细胞
        • 功能
          • 通过与PIWI蛋白家族成员结合形成piwi复合物来调控基因沉默
  • 长非编码（lnc）RNA
    • 长度200~10 0000nt
    • 分布
      • 细胞核、细胞质
    • 结构
      • 有Poly(A)尾和启动子，无可读框
    • 来源
      • 蛋白质编码基因
      • 假基因
      • 蛋白质编码基因之间的DNA序列
    • 特点
      • 组织特异性、时空特异性
        • 不同组织之间表达量不同，同一组织或器官在不同生长阶段，表达量也不同
    • 功能
      • 协助调控基因表达
    • 作用机制
      • P50
  • 环状（circ）RNA
    • 分布
      • 几乎完全定位于细胞核中
    • 来源
      • 或来自外显子，或兼有外显子和内含子的部分
    • 特点
      • 具有序列的高度保守性；具有一定的组织、时序和疾病特异性
      • 不受RNA外切酶的影响，表达更稳定，不易降解
    • 功能
      • circRNA分子富含miRNA的结合位点，在细胞中起到miRNA海绵（miRNA sponge）的作用
      • 通过结合miRNA，解除miRNA对其靶基因的抑制作用，上调靶基因的表达，产生相应的生物学效应
• 分类
  • 编码RNA
    • mRNA
  • 非编码RNA
    • 组成性非编码RNA
      • tRNA
      • rRNA
      • snRNA
      • snoRNA
      • scRNA
      • 丰度基本恒定
    • 调控性非编码RNA
      • 非编码小（snc）RNA
        • miRNA
        • siRNA
        • piRNA
      • 长非编码（lnc）RNA
      • 环状（circ）RNA
      • 丰度随外界环境和细胞性状而发生改变