核酸的功能与结构

核酸的知识干货思维导图，包括：核酸的分子组成、核酸的分子结构、核酸的理化性质三部分内容。

核酸的功能和结构

• 核酸的分子组成
  • 核酸的元素组成：由C、H、O、N、P五种元素构成。
  • 核苷酸
    • 戊糖
      • β－D－核糖
      • β－D－脱氧核糖
    • 碱基
      • 嘌呤
        • 腺嘌呤（A）
        • 鸟嘌呤（G）
        • 两类核酸共同拥有
      • 嘧啶
        • 胞嘧啶（C）：两类核酸共同拥有
        • 尿嘧啶（U）：为RNA所特有
        • 胸腺嘧啶（T）：为DNA所特有
      • 稀有碱基
        • tRNA中稀有碱基含量最高，约为10％。
  • 核苷
    • 概念
      • 是戊糖和碱基缩合而成的糖苷类化合物。
    • 核糖核苷
    • 脱氧核糖核苷
  • 核苷酸
    • 脱氧核糖核苷酸
      • 3'－脱氧核苷酸
      • 5'－脱氧核苷酸
    • 核糖核苷酸
      • 2'－核苷酸
      • 3'－核苷酸
      • 5'－核苷酸
• 核酸的分子结构
  • 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，又称为碱基序列
    • 书写方法
      • 核酸具有方向性，一端称5'-端，一端称3'-端
  • 核酸的空间结构与功能
    • DNA的结构与功能
      • DNA的二级结构－双螺旋结构
        • 研究背景
          • 碱基组成规则
          • A－T、C－G以氢键配对较为合理
        • 模型要点
          • 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，与对側碱基形成氢键配对
          • DNA分子是反向平行的互补双链结构 碱基在内，骨架为脱氧核糖－磷酸
          • 为右手螺旋结构
          • 螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟
          • 相邻碱基平面距离0.34nm
          • 螺旋一圈螺距3.4nm，一圈10对碱基
          • 维系键:疏水作用力，氢键
          • 概要
        • 碱基互补配对是半保留复制的基础
      • DNA分子的超螺旋结构
        • 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
        • 意义
          • DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。
      • 真核生物细胞核内的DNA
        • 真核生物染色体由DNA和蛋白质组成
        • 基本单位为核小体
          • 核小体的组成
            • DNA 约200bp
            • 组蛋白
              • H1
              • H2A
              • H2B
              • H3
              • H4
          • 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
          • 意义
            • 有规律压缩体积，减少占用的空间
      • DNA的功能
        • DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗传信息，并作为基因复制和转录的模板。它是生命遺传的物质基础，也是个体生命活劫的信息基础
        • 基因从结构上定义，是指DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列順序决定了基因的功能。
        • 基因 : DNA 分子中具有特定生物学功能的片段 基因組: -一个生物体的全部DNA序列称。
    • RNA的结构与功能
      • mRNA的结构与功能
        • 种类多 含量少：占细胞RNA总量的2％-5％ 代谢快
        • 结构特点
          • 原核生物
            • 原核生物mRNA一般5'端有一段非编码区(NCR)，称前导序列，3'端有一段非编码区，中间是蛋白质的编码区，一般编码多个多肽链。
          • 真核生物
            • mRNA 5'末端帽子结构
              • 多数真核生物mRNA的5'端以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸腺苷（m7GpppN）为帽子结构。5'端的帽子结构可以保护mRNA免遭核酸酶的降解，也是翻译起始因子识别、结合的一种标志
            • mRNA3'末端多聚A（poly A）结构
              • 真核生物mRNA前体hnRNA转录合成后，由poly A转移酶催化成poly A结构，称为多聚A尾。poly A尾可引导mRNA由细胞核向细胞质转运，增加mRNA稳定性及参与翻译起始的调控。
        • 功能
          • 转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序，并携带式至细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序。
      • tRNA的结构与功能
        • 相对分子质量最小
        • 结构特点
          • 一级结构
            • 小分子单链RNA，由73-95个核苷酸构成
            • 稀有碱基多
            • 5'端核苷酸多是鸟苷酸
            • 3'端为CCA－OH序列，是氨基酸结合位点。 该序列多是转录后在核苷酸转移酶作用下连接到tRNA3'末端的。
          • 二级结构
            • 呈三叶草形
            • 四臂四环结构
              • 反密码子环的第3、4、5位核苷酸组成反密码子。反密码子可通过碱基互补的关系识别mRNA上的密码子。
              • 氨基酸臂（amino acid arm）
              • 反密码子臂（anticodon arm）
              • 反密码子环
              • TψC臂（TψC arm）
              • TψC环
              • DHU臂（DHU arm）
              • DHU环
              • 额外环（extra loop）
              • 概要
          • 三级结构
            • 呈倒L形
        • 功能
          • 在蛋白质合成过程中负责搬运氨基酸并解读mRNA密码子
      • rRNA的结构与功能
        • 含量最多 寿命长
        • 核糖体均由易于解聚的大，小两个亚基组成
          • 原核生物
            • 5S
            • 23S
            • 16S
          • 真核生物
            • 5S
            • 5.8S
            • 18S
            • 28S
          • 概要
        • 功能
          • 参与组成核蛋白体，作为蛋白质生物合成的场所
      • 其他小分子RNA
        • ncRNA
          • 催化性小RNA（核酶）
            • 具有催化作用，可催化特定RNA降解,其在RNA的剪接修饰中起重要作用
          • snRNA
            • 参与hnRNA的剪接、转运
          • snoRNA
            • rRNA的加工和修饰
          • siRNA
            • 与外源基因mRNA结合并诱导其降解
          • miRNA
            • 结合mRNA选择性调控基因表达
• 核酸的理化性质
  • 一般理化性质
    • 粘度
      • 分子量越大，粘稠度越大
      • 天然DNA的粘度较大，变性DNA的粘度降低
      • RNA的粘度比DNA的小
    • 溶解度
      • 微溶于水，不溶于乙醇，乙醚和氯仿等一般有机溶剂
      • 常用50％的乙醇沉淀DNA，75％的乙醇沉淀RNA
    • 酸碱度
      • 带负电荷，具有较强酸性
      • 其解离状态随溶液的pH而改变
    • 紫外吸收
      • 嘌呤和嘧啶都含有共轭双键，具有紫外吸收特征。
      • 各种碱基在240～290nm紫外波长有一明显的吸收峰
    • 沉降特性
      • 用超速离心法提纯核酸，核酸在不同介质中的密度梯度离心的效果不同
      • RNA分离常用蔗糖梯度离心，DNA常用氯化铯梯度离心分离
  • DNA的变性与复性
    • 核酸变性指在加热、强酸、强碱和有机溶剂等理化因素作用下，核酸碱基对之间的氢键断裂，变成单链的过程。变性不涉及核苷酸之间磷酸二酯键的断裂，变性核酸的分子量没有改变，其理化性质发生变化
    • 变化后的理化性质
      • 增色效应
      • 粘度下降
      • 沉降速度增加
      • 生物活性丧失
    • 复性
      • 变性的DNA去除变性因素后在适当条件下，两条互补链可重新结合恢复天然的双螺旋构象。