核酸的结构和功能

这是一篇关于核酸的结构和功能的思维导图，主要内容有核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，具有复杂的空间结构和重要的生物学功能、核酸的化学组成及—级结构、DNA的空间结构与功能、RNA的空间结构与功能、核酸的理化性质。

核酸的结构和功能

• 核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，具有复杂的空间结构和重要的生物学功能
  • 脱氧核糖核酸
    • DNA存在于细胞核和线粒体内
    • 携带遗传信息，并通过复制的方式将遗传信息进行传代
  • 核糖核酸
    • RNA存在于细胞质、细胞核和线粒体内
    • RNA是DNA的转录产物，参与遗传信息的复制和表达
    • 在某些情况下，RNA也可以作为遗传信息的载体
• 核酸的化学组成及一级结构
  • 基本组成单位
    • DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸
    • RNA 是基本组成单位是核糖核苷酸
  • 核酸（DNA和RNA）
    • 核苷酸
      • 磷酸
      • 核苷
        • 碱基
          • 嘌呤
          • 嘧啶
        • 核糖或脱氧核糖
  • DNA是脱氧核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
  • RNA是核糖核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
  • 核酸的一级结构
    • 定义：RNA的核苷酸和DNA的脱氧核苷酸从5'-端至3'-端的排列顺序
    • 核酸分子大小表示
      • 核苷酸数目（nt），用于单链DNA和RNA
      • 碱基对数目（bp或kb），用于双链DNA
• DNA的空间结构与功能
  • 定义：在特定的环境条件下（pH、离子特性、离子浓度等），DNA链上的功能团可以产生特殊的氢键、离子作用力、疏水作用力以及空间位阻效应等，从而使得DNA分子的各个原子在三维空间里具有了确定的相对位置关系，这称为DNA的空间结构
  • DNA的二级结构是双螺旋结构
    • DNA双螺旋结构的实验基础
      • Chargaff规则
        • ①不同生物个体的DNA，其碱基组成不同
        • ②同一个体的不同器官或不同组织的DNA具有相同的碱基组成
        • ③对于一个特定组织的DNA，其碱基组分不随其年龄、营养状态和环境而变化
        • ④对于一个特定的生物体，腺嘌呤（A）的摩尔数与胸腺嘧啶（T）的摩尔数相等，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）的摩尔数相等
    • DNA双螺旋结构模型的要点
      • 1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成
        • 两条多聚脱氧核苷酸链围绕着同一个螺旋轴形成反向平行的右手螺旋的结构
      • 2.DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对
        • 一条链上的腺嘌呤与另一条链上的胸腺嘧啶形成了两对氢键；一条链上的鸟嘌呤与另一条链上的胞嘧啶形成了三对氢键。这种特定的碱基之间的作用关系称为互补碱基对，DNA的两条链为互补链
      • 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
        • 多聚脱氧核苷酸链的脱氧核糖和磷酸基团构成了亲水性骨架，位于双螺旋结构的外侧；疏水性的碱基对包埋在双螺旋结构的内侧
      • 4.两个碱基对平面重叠产生了碱基堆积作用
        • 与互补链之间碱基对的氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定
    • DNA双螺旋结构的多样性
    • DNA的多链结构
  • DNA双联经过盘绕折叠形成致密的高级结构
    • 封闭环状的DNA具有超螺旋结构
    • 真核生物DNA被逐级有序地组装成高级结构
      • 在细胞周期的大部分时间里，细胞核内的DNA以松散的染色质形式存在，只有在细胞分裂期间，细胞核内的DNA才形成高度致密的染色体
      • 电镜下观察染色质具有串珠样的结构，基本组成单位是核小体
  • DNA是主要的遗传物质
    • DNA是生物体遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板，是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础
• RNA的空间结构与功能
  • RNA的分类
    • 编码RNA
      • mRNA
    • 非编码RNA
      • 调控性非编码RNA
      • 组成性非编码RNA
  • mRNA是蛋白质生物合成的模板（丰度最小，种类最多）
    • 1.真核细胞mRNA的5'-端有帽结构
    • 2.真核生物和有些原核生物mRNA的3'-端有多聚腺苷酸尾的结构
    • 3.真核生物细胞核内的hnRNA经过一系列的修饰和剪接成为成熟的mRNA
      • 内含子被剪切掉，外显子连接在一起，再经过加帽和加尾修饰
    • 4.mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
      • 从AUG开始，每三个连续的核苷酸组成一个遗传密码子
  • tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体
    • 1.tRNA含有多种稀有碱基
      • 稀有碱基：除A、G、C和U外的一些碱基，包括双氢尿嘧啶（DHU）、假尿嘧啶核苷（Ψ）和甲基化的嘌呤m7G、m7A等
    • 2.tRNA具有特定的空间结构
      • ①具有茎环（发夹）结构
      • ②二级结构形似三叶草
      • ③各部位名称及功能
        • 位于两侧的发夹结构含有稀有碱基，分布称为DHU环和TΨC环
        • 位于上方的茎称为氨基酸臂，亦称接纳茎
        • 位于下方的发夹结构则称为反密码子环
        • 在反密码子环宇TΨC环之间还有一个可变臂（不同tRNA的可变臂长短不一）
      • ④除可变臂和DHU环外，其他部位的核苷酸数目和碱基对具有高度保守型
      • ⑤所有的tRNA都具有相似的“L”形空间结构
    • 3.tRNA的3'-端连接着氨基酸
      • tRNA所携载的氨基酸种类是由tRNA的反密码子所决定的
    • 4.tRNA的反密码子能够识别mRNA的密码子
  • 以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所（含量最多）
    • rRNA与核糖体蛋白共同构成核糖体
  • 组成性非编码RNA是保障遗传信息传递的关键因子
  • 调控性非编码RNA参与了基因表达调控
• 核酸的理化性质
  • 核酸具有强烈的紫外吸收
    • 嘌呤和嘧啶是含有共轭双键的杂环分子，最大吸收值在260mm附近
  • DNA变性是一条DNA双链解离为两条DNA单链的过程
    • 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双链解离成为两条单链（最简单和最直接的方法是加热）
    • DNA的增色效应：在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260mm处的吸光度随之增加
    • DNA的解链温度：在解链曲线上，紫外吸光度的变化（DA260）达到最大变化值的一半时所对应的温度（在此温度时，50％的DNA双链解离成为了单链）
  • 变性的核酸可以复性或形成杂交双链
    • DNA复性：把变性条件缓慢地除去后，两条解离的DNA互补链可重新互补配对形成DNA双链，恢复原来的双螺旋结构
      • 热变性的DNA经缓慢冷却后可以复性，这一过程也称为退火
    • 核酸分子杂交：如果将不同种类的DNA单链或RNA单链混合在同一种溶液中，只要这两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基互补配对关系，它们就有可能形成杂化双链