生物化学核酸

这是一篇关于武汉大学第六版生物化学核酸的思维导图，主要内容有概述、核酸的分子结构。

核酸

• 概述
  • 核酸的种类与分布
    • 共价结构即一级结构
      • 指核酸中核苷酸的序列
    • DNA：由脱氧核糖核苷酸聚合而成的多核苷酸链
      • 遗传信息的载体，负责遗传信息的贮存和发布
    • RNA：由核糖核苷酸聚合而成的则称为RNA链
      • 转移RNA、信使RNA、核糖体RNA。三者共同参与遗传信息的表达
  • 化学组成
    • 完全水解产物
      • 碱基 + 戊糖 + 磷酸
      • 不完全水解含核苷 + 核苷酸
    • 核苷：碱基与戊糖通过糖苷键连接形成核苷
    • 核苷酸衍生物
      • ATP (腺嘌呤核糖核苷三磷酸)
        • 子主题
      • GTP (鸟嘌呤核糖核苷三磷酸)
      • 环化核苷酸cAMP 和 cGMP
        • • cAMP(3’,5’- 环腺嘌呤核苷一磷酸)和 cGMP( 3’,5’-环鸟嘌呤核苷一磷酸)的主要功能是作为细胞之间传递信息的信使。
          • cAMP 和 cGMP 的环状磷酯键是一个高能键。比 ATP 水解能高得多。
  • 生物学功能
    • 核苷酸
      • （1）参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。
      • （2）在能量转化中起重要作用，ATP是生物体内能量的通用货币。
      • （3）是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA。
      • （4）参与细胞中的代谢与调节（cAMP、cGMP）。
    • 核酸
      • DNA是主要的遗传物质
        • O.T.Avery（美）肺炎链球菌的转化实验
      • RNA参与蛋白质生物合成
• 核酸的分子结构
  • DNA的一级结构
    • 4种脱氧核苷酸：dAMP、dGMP、dCMP和dTMP）。DNA中的脱氧核糖核酸以3′-5′磷酸二酯键连接成在多聚核苷酸链，称为DNA链的一级结构。
    • • C5′带有一个自由磷酸基，称为5′-磷酸端，5 ′-P表示
      • C3′带有自由的羟基，称为3′-羟基端，3 ′-OH表示
      • 多聚核苷酸链具有方向性，须注明
  • DNA的二级结构
    • DNA的双螺旋结构：DNA的两条多聚核苷酸链间通过氢键形成的双螺旋结构。
    • 稳定因素
      • ①碱基堆积力（主要因素） 形成疏水环境。
      • ②碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。
      • ③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。
      • ④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。
    • 特点
      • 1.
        • DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链
        • 两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反
        • 旋结构上有大沟和小沟
      • 2.
        • 嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧，彼此以3 ′-5 ′磷酸二酯键连接，形成DNA分子的骨架
        • 碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90°角。
      • 3.
        • 螺旋横截面的直径约为2 nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.34 nm
        • 每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺矩（即螺旋旋转一圈）高度为3.4 nm。
      • 4.
        • 双螺旋内部的碱基按规则配对，称碱基互补配对
        • 双螺旋的两条链是互补关系
      • 5.
        • 遗传信息由碱基的序列所携带
  • DNA的三级结构 DNA超螺旋
    • DNA的三级结构指DNA分子（双螺旋）通过扭曲和折叠所形成的特定构象。
    • 包括不同二级结构单元间、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征。
    • 超螺旋是DNA三级结构的一种类型。超螺旋即DNA双螺旋的螺旋。
    • DNA的三级结构主要是指双螺旋DNA的扭曲或再螺旋
  • 结构
  • RNA的一级结构
    • 基本结构为线形的多核苷酸单链，由四种核苷酸以3‘－5’磷酸二酯键连接而成
    • 一级结构包括RNA链上的核苷酸顺序以及各个功能部位的排列顺序。
    • rRNA 的结构
    • tRNA的结构
      • 一级结构
        • tRNA是单链分子，含74~95个核苷酸，分子量24000~31000左右，沉降系数为4S左右
        • 3 ′-末端都具有CpCpAOH的结构。 5 ′端多为pG,也有pC。
      • 二级结构
        • • “ 三叶草” 形状
          • 四臂四环
      • 三级结构
        • • 在三叶草型二级结构的基础上，突环上未配对的碱基由于整个分子的扭曲而配成对
          • 目前已知的tRNA的三级结构均为倒L形

核酸

• 核酸的分子结构
  • mRNA的结构
    • 原核
      • 1）为多顺反子。（顺反子： mRNA上具有翻译功能的核苷酸顺序）
      • 2） 5’端无“帽子”， 3 ’端无 polyA片段。 （病毒除外）
      • 3）5’端有与翻译有关的“起始密码”， 3 ’端有“终止密码”。
      • 顺反子： mRNA上具有翻译功能的核苷酸顺序
      • 多顺反子。即一条mRNA链含有指导合成几种蛋白质的信息，可作为模板翻译出几种蛋白质。（原核生物一般为多顺反子）
    • 真核
      • 1）真核mRNA一般为单顺反子。即一条mRNA只翻译产生一种多肽链。
      • 2） 5’端有“帽子”， 3 ’端有“ polyA片段。
      • polyA片段：指20-250个多聚腺苷酸，其功能可能与mRNA的稳定性有关。
      • “帽子”结构： 5’-末端的G被甲基化，通过焦磷酸与另一个发生了核糖上甲基化的核苷酸以5’-5’-磷酸二酯键相连。
      • 帽子功能
        • （1）对核酸外切酶的降解表现出抗性：可抵抗5’核酸外切酶降解mRNA。
        • （2）为核糖体提供识别位点，使mRNA识别并结合核糖体，促使核糖体起始密码AUG处正确起始翻译，促进蛋白质合成起始复合物的形成 。
  • 其他类型RNA
• 蛋白质核酸复合物
  • 染色体
    • • 病毒
• 核酸的主要理化性质
  • 一般性质
    • DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末状固体，都微溶于水，其钠盐在水中的溶解度较大。但不溶于乙醇、乙醚和氯仿等一般有机溶剂。（用乙醇从溶液中沉淀核酸）
    • 细胞中常以核蛋白形式存在，盐溶液中
    • DNA溶液的粘度很大，而RNA溶液的粘度小得多。核酸发生变性或降解后其粘度降低。
    • 核酸受到强大离心力的作用时，可从溶液中沉降下来，其沉降速度与核酸的大小和密度有关。
  • 酸碱性质与电泳
    • • （1）DNA的等电点为4~4.5 （2）RNA的等电点为2~2.5. 用于核酸的电泳分离。
  • 光学性质
    • 碱基具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240~290nm的紫外波段有强烈的光吸收，最大吸收峰在260nm
    • 坚定纯度
      • 1）纯DNA的A260/A280应为1.8。
      • 2）纯RNA的A260/A280应为2.0。
      • 3）若溶液中含有杂蛋白或苯酚，则A260/A280比值明显降低
  • 变性
    • 核酸的变性——指核酸双螺旋区的碱基之间的氢键断裂，变成单链的过程。
    • 温度升高、酸碱度改变、甲醛和尿素等的存在
    • 利用紫外吸收的变化，可以检测核酸变性的情况
    • DNA变性后的表现
      • 增色效应—当双链核酸变性转变为单链核酸时，其在260nm的紫外吸收值增加
      • A260值增加
      • 粘度下降
      • 浮力密度增大
      • 分子量不变
    • 用加热的方法使核酸变性叫做热变性
    • 通常把加热变性使DNA的双螺旋结构失去一半时的温度称为DNA熔解温度或熔点，用Tm 表示
    • 一般DNA的Tm值在82-95度之间
    • 影响DNA的Tm因素
      • DNA的均一性
      • G-C的含量
      • 介质中的离子强度
        • 在离子强度低的介质中，DNA的Tm值较低，熔解的范围较宽
        • DNA的保存应在含盐的缓冲液中
    • RNA对的变性
  • 复性
    • 变性DNA在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性
    • 将变性的DNA缓慢冷却时，可以复性，这一过程也叫退火
    • 分子量越大复性越难。浓度越大，复性越容易
    • 减色效应—当单链核酸复性转变为双链核酸时,在260nm的紫外吸收值减少,值也降低
  • 核酸的杂交
    • 杂交DNA分子
      • 与在某些区域有互补序列的异源DNA单链形成双螺旋结构
      • DNA单链与互补的RNA链之间也可以发生杂交
• 核酸的提取与分析技术
  • 核酸的提取与纯化
    • 要求
      • 1、尽可能保持其天然状态。
      • 2、条件温和，防止过酸、过碱。
      • 3、避免剧烈搅拌，抑制核酸酶。
    • 质粒的提取（碱提取法）
      • ①菌体的培养和收集：一般采用丰富培养基对菌体进行培养，当细胞生长到指数期后期时，离心收集细胞。
      • ②碱变性处理：在SDS等表面活性剂存在下加NaOH液使pH升至12.4处理，破坏细胞壁和外膜，使质粒释放出来。
      • ③用酚、氯仿混合液去除上清液中的蛋白质，离心收集含有核酸的上清液。
      • ④用70%乙醇沉淀核酸并洗涤脂类和盐分。
      • ⑤添加RNA酶降解RNA，提取得到较纯的质粒。
    • 基因组DNA 的提取：氯仿-辛醇（或异戊醇）法
    • DNA 高盐浓度提取法
      • DNA主要以核蛋白（DNP）形式存在，在1mol/L NaCl盐溶液中DNP溶解度最大，而RNP溶解度最低。利用此特性可将DNP与RNA核蛋白分开，再利用氯仿、苯酚等去除蛋白质，或提取得到较纯的DNA。
    • RNA的提取（苯酚法）
    • RNA低盐浓度提取法
      • 在0.14mol/L NaCl盐溶液中DNP溶解度几乎为零，而RNP溶解度最大。利用0.14mol/L NaCl抽提，离心，上清中即为RNA核蛋白（RNP）。
      • 去蛋白：盐酸胍、苯酚等。
      • 必须防止RNA酶对RNA的破坏。
  • 核酸序列的测定
    • 第一代测序技术
      • 以Sanger双脱氧链终止法为核心技术
    • 第二代测序技术
      • 核心原理是边合成边测序
    • 第三代测序技术
      • 指单分子实时DNA测序技术
    • 第四代测序技术 （纳米孔测序技术）