核酸化学

核苷酸是一类由嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖以及磷酸三种物质组成的化合物，又称核甙酸。 戊糖与有机碱合成核苷，核苷与磷酸合成核苷酸，8种核苷酸组成核酸。核苷酸主要参与构成核酸，许多单核苷酸也具有多种重要的生物学功能，如与能量代谢有关的三磷酸腺苷（ATP）、脱氢辅酶等。

核酸化学

• 一、水解产物-核苷酸
  • 包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸
  • 组成
    • 磷酸：核酸是含磷酸最多的生物大分子
    • 核苷
      • 由戊糖和含氮碱基脱水缩合形成的化合物
      • 碱基
        • 嘌呤碱
          • 腺嘌呤A
          • 鸟嘌呤G
        • 嘧啶碱
          • 胞嘧啶C
          • 胸腺嘧啶T(DNA)
          • 尿嘧啶（RNA)
      • 稀有碱基
        • DNA稀有碱基多数是主要碱基的甲基化产物，如5-甲基胞嘧啶；某些病毒DNA含有羟甲基化碱基。作用保护遗传信息和调控个基因表达。
        • RNA稀有碱基作用是介导分子识别、抗降解等。
      • 戊糖
        • 核糖
        • 脱氧核糖
  • 结构
    • 核苷键与核苷：碱基与戊糖通过核苷键相连形成核苷
    • 磷酸酯建与核苷酸：磷酸与戊糖通过磷酸酯键连接，形成核糖核苷酸（一磷酸核苷，NMP，构成RNA。）和脱氧核糖核苷酸（一磷酸脱氧核苷，dNMP,构成DNA。）生物体内游离的核苷酸大多数是5'-核苷酸。
    • 酸酐键与高能化合物：（脱氧）核苷酸可以通过酸酐键结合第二个、第三个磷酸基，形成二磷酸（脱氧）核苷（NDP/dNDP)和三磷酸（脱氧）核苷（NTP/dNTP)
    • 磷酸二酯键与环核苷酸:环磷酸腺苷（环腺苷酸，cAMP)和环磷酸鸟苷（环鸟苷酸，cGMP）是两种结构特别的氨基酸，含有3',5'-l磷酸二酯键，是重要的第二信使。
  • 功能
    • 核酸合成原料
    • 直接为生命活动提供能量
    • 合成代谢中间产物
    • 构成辅助因子
    • 代谢调节
• 二、DNA的分子结构
  • 脱氧核糖核酸（DNA）
    • 一级结构：由dAMP,dTMP,dCMP,dGMP四种脱氧核苷酸组成的多聚脱氧核苷酸链。
      • dAMP脱氧腺苷酸
      • 核苷酸序列=碱基序列
      • 核酸主链（骨架）由磷酸与戊糖交替连接而成，具有亲水性。
      • 侧链即碱基，具有疏水性。
    • 二级结构
      • 右手双螺旋结构
        • Chargaff规则
          • DNA组成有物种差异，无组织差异。
          • DNA的组成不随个体的年龄，营养和环境变化而变化。
          • 物质的量关系：A=T,C=G,A+G=C+T
        • 模型特点
          • (1) 螺旋两条链反向平行，围绕其一假想中心轴呈右手双螺旋结构
          • (2) 疏水碱基在双螺旋内侧，平面与螺旋轴垂直。亲水磷酸和脱氧核糖在外侧，脱氧核糖平面与中心轴平行。
          • (3) 只能A与T（2个氢键）,C与G（3个氢键）碱基互补配对。
          • (4) 双螺旋表面大小两个凹槽，大沟（轴向沟宽2.2nm)和小沟(轴向沟宽1.2nm)，交替出现。
          • (5) 双螺旋截面直径2nm,相邻两个碱基平面距离（轴距)0.34nm.每10个核苷酸形成一个螺旋（螺距）3.4nm.
        • 稳定因素：离子键，氢键和碱基堆积力维持双螺旋结构的稳定性
          • 离子键和碱基对氢键维持双链结构横向稳定
          • 碱基对平面之间的碱基堆积力维持双螺旋结构纵向稳定
      • DNA双螺旋的多样性：由于DNA纤维的含水量不同，可分为三种：B-DNA、 A-DNA、Z-DNA
        • B-DNA：Waston and Crick提出的DNA双螺旋结构为 B-DNA，另外溶液和细胞中天然状态的DNA可能是B-DNA。
        • A-DNA：碱基与中心轴不相垂直，而呈20º倾角。
        • Z-DNA：可能存在于染色体与某些病毒的DNA中。Z-DNA为左手双螺旋结构。
    • 三级结构
      • 概念：DNA三级结构是指在二级结构的基础上，双螺旋进一步扭曲 或再次螺旋所形成的高级结构。
      • 原核生物：大部分原核生物的DNA是共价封闭的环状双螺旋， 这种双螺旋还可以再次螺旋化形成超螺旋。
        • 正超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方同相同，紧密
        • 负超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方向相反，松缠
          • DNA在细胞内通常处于负超螺旋状态，这有利于其复制和转录
      • 真核生物：DNA和蛋白质组装成染色体，染色体的基本单位 是核小体。
        • 染色体组成
          • 组蛋白
          • 非组蛋白
          • RNA
        • 核小体：核小体的组成 DNA：约200bp 组蛋白：H1，H2A， H2B，H3，H4，其中 H1，H2A，H3，H4是 核心组蛋白
      • DNA三级结构的生理功能
        • DAN分子在长度上高度压缩，有利于组装。人类46条染色体的DNA总长可达1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm;直径5μm 的细胞核，被压缩了8k-10k倍。
        • 超螺旋结构影响DNA复制和转录
• 四、核酸的理化性质
  • I. 紫外吸收特征
    • 原因：核酸中有嘌呤与嘧啶碱，碱基含有共轭双键
    • 碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm 的紫外波段有强烈的光吸收
    • 最大吸收峰 260nm 左右
  • II. 变性
    • 概念：在某些理化因素作用下，DNA双 链解开成两条单链的过程。
      • 氢键断裂，不涉及磷酸二酯键断裂，一级结构不变。
    • 方法：过量酸，碱，加热，变性试剂如尿素、 酰胺以及某些有机溶剂如乙醇、丙酮等。
    • 变性后其它理化性质变化： OD260增高 粘度下降 生物活性丧失 酸碱滴定曲线改变 比旋度下降 浮力密度升高
    • 增色效应：变性导致其紫外吸收增强的现象称为增色效应。
    • 解链温度：在DNA溶解曲线中，使吸光度变化值达到最大变化值一半时，此时有50%双链DNA解链，对应的温度为解链温度（Tm）。DNA的GC含量越高，解链温度越高。
  • III. 复性
    • 定义 在适当条件下，变性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。
    • 分子量越大复性越难； 浓度越大，复性越容易； DNA复性也与它本身组成和结构有关； （具有很多重复序列DNA，复性快）。
  • IV. 杂交
    • DNA与DNA杂交
    • DNA与RNA杂交
    • RNA与RNA杂交
• 三、RNA
  • RNA的分子结构
    • 一级结构：与DNA一致，是由四种核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键连接形成的长链。
      • 腺苷酸AM P
      • 鸟苷酸GM P
      • 胞苷酸CMP
      • 尿苷酸UMP
    • RNA是单链分子，因此在RNA分子中，嘌呤的总数不一 定等于嘧啶的总数。
    • RNA分子中，部分区域也能形成双螺旋结构，不能形成 双螺旋的部分，则形成单链突环。这种结构称为“发夹型” 结构
    • 在RNA的双螺旋结构中，碱基的配对情况不象DNA中严 格。G 除了可以和C 配对外，也可以和U配对。G-U 配对 形成的氢键较弱。不同类型的RNA, 其二级结构有明显的 差异。
    • tRNA中除了常见的碱基外，还存在一些稀有碱基，这类 碱基大部分位于突环部分。
    • 与DNA相比，RNA种类繁多，分子量较小，含量变化大。
  • RNA的种类
    • I. 信使RNA（mRNA)
      • (1) 含量低：约占总RNA的 2%-5%
      • (2) 种类多:达10⁵种
      • (3) 寿命短：细菌mRNA约1.5min，脊椎动物半衰期约3h
      • (4) 长度极不均匀：不同细胞的mRNA链长和分子量差异很大
      • (5) 功能：其功能是将DNA的遗传信息传递到蛋白质合成基 地 – 核糖核蛋白体
      • (6) 尾结构：3'端的聚腺苷酸。帽结构：5'端有一个甲基化的鸟苷酸。
    • II. 转移RNA（tRNA)
      • 特点
        • 约占总RNA的10-15%， 每一个AA至少有一个相应的tRNA， 一种tRNA只能携带一种氨基酸 在蛋白质生物合成中翻译AA信息、将相应AA转运到核糖核蛋白体。
      • 结构
        • 一级结构
          • tRNA分子大小相似，一般为73-93个nt核苷酸，沉降系数4S
          • 是含稀有碱基最多的RNA 10~15% ，如 DHU
          • 5'端核苷酸往往是鸟苷酸
          • 3'端都是CCA序列，其中腺氨酸（常称为A76）的3'-羟基是氨基酸结合位点
        • 二级结构
          • 呈三叶草形
          • 存在四臂三环
          • 
        • 三级结构
          • 呈L形
          • DHU环和TΨC环在三级结构中相邻
          • tRNA的功能 活化、搬运氨基 酸到核糖体，参与蛋 白质的翻译。
    • III. 核糖体RNA(rRNA)
      • (1) 含量高：是细胞内含量最高的RNA，约占全部RNA的80%-85%
      • (2) 寿命长：rRNA更新慢，寿命长
      • (3) 种类少：原核三种（5S,16S,23S），真核四种（5S,5.8S,18S,28S)，少量线粒体和 叶绿体rRNA
      • (4) 结构复杂
      • (5) 与核糖体蛋白形成一种称为核糖体的核蛋白颗粒