核酸化学

核酸化学的思维导图，核酸是生物大分子，即多聚核苷酸，是由多个核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键相连的多聚物，具有携带和传递信息的作用。

核酸化学

• 一、核酸的定义
  • 定义：是生物大分子，即多聚核苷酸，是由多个核苷酸通过3’，5’-磷酸二酯键相连的多聚物，具有携带和传递信息的作用。
  • 分类
    • 脱氧核糖核酸（DNA）：染色体DNA 、线粒体DNA、叶绿体DNA、质粒
    • 核糖核酸（RNA）：信使RNA、转运RNA、核糖体RNA
• 二、核酸的分子组成
  • 主要组成元素：C、H、O、N、P
    • 磷含量相对稳定，是核酸的特征元素，所以可通过测定有机磷含量来推算核酸含量 其中DNA含磷量为9.2% RNA含磷量为9%
  • 核苷酸（是核酸的基本组成单位）
    • 核苷酸的组成
      • 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）、尿嘧啶（U）
      • 戊糖（五碳糖）
        • 核糖
        • 脱氧核糖
      • 磷酸：核酸是含磷酸最多的生物大分子
    • 核苷酸的结构
      • 核苷与脱氧核苷酸
      • 核苷酸与脱氧核苷酸
    • 核苷酸的功能
      • 核酸合成原料（NTP、dNTP）
      • 直接为生命活动提供能量（ATP、GTP）
      • 合成代谢中间产物（UDP-葡萄糖、CDP-甘油二酯）
      • 构成辅助因子
      • 代谢调节
        • 化学修饰调节（ATP）
        • 变构调节（ATP、AMP）
        • 第二信使（cAMP（环状）、cGMP（环状））
  • 核酸的分子结构
    • 核酸的一级结构
      • 指核酸分子的核苷酸序列
      • 在核酸分子中，一个核苷酸的C-3’羟基与相邻核苷酸C-5’磷酸基脱水缩合，形成3’，5’-磷酸二酯键
      • 核酸主链（又称骨架）由磷酸与戊糖以3’，5’-磷酸二酯键交替连接构成，侧链即碱基
      • 核酸链有方向性：5’端（有游离磷酸基）→3’端（有游离羟基）
    • DNA的分子结构
      • DNA的一级结构：DNA分子中的脱氧核苷酸的排列顺序
      • DNA的二级结构（右手双螺旋结构）
        • 两股DNA链反向互补形成双链结构（碱基互补配对原则）
          • DNA主链位于外面，碱基侧链位于内部
          • 腺嘌呤（A）=胸腺嘧啶（T）
          • 鸟嘌呤（G）≡胞嘧啶（G）
        • DNA双链进一步形成右手双螺旋结构
          • 双螺旋直径为2nm、螺距为3.4nm、相邻碱基对之间的轴向距离为0.34nm
        • 氢键和碱基堆积力维持DNA双螺旋结构的稳定性
          • 氢键维持双链结构的横向稳定性
          • 碱基对平面之间的碱基堆积力（包括范德华力和疏水作用）维持双螺旋结构的纵向稳定性
      • DNA的三级结构
        • 超螺旋结构
          • DNA依双螺旋方向进一步缠绕形成正超螺旋
          • DNA依双螺旋相反方向旋转形成负超螺旋（DNA在细胞内通常处于负超螺旋）
        • 染色体结构
          • 染色体的组成
            • DNA和组蛋白：二者含量稳定，比例接近1：1 组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，属于碱性蛋白质
            • RNA：含量最低，1%-3%，随生理状态的变化而变化
            • 非组蛋白：富含酸性氨基酸，属于酸性蛋白质
          • 染色体的结构
            • 核小体：是染色体的基本结构单位，由组蛋白八聚体（核小体核心，含核心组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两分子）和180～200bp核小体DNA构成
        • 生理功能
          • DNA分子在长度上高度压缩，有利于组装
          • 超螺旋结构影响DNA的复制和转录
    • RNA的种类和分子结构
      • DNA是遗传物质，但直接指导蛋白质合成的是RNA
      • 分类
        • 信使RNA（mRNA）
          • • 真核生物细胞核内初合成的mRNA前体，被称为核不均—RNA，需经加工剪切等过程才能转录为成熟的mRNA发挥其功能
          • 带帽加尾
            • 带帽（5’非翻译区）：7-甲基鸟苷（m7GpppNm-）
              • 保护免遭核酸酶的降解
              • 作为蛋白质生物合成过程中被起始因子识别的标志
            • 加尾（3’非翻译区）：多聚A尾（polyA）
              • 增加mRNA的稳定性
              • 引导其由细胞核转移到细胞质
        • 转运RNA（tRNA）
          • 在蛋白质合成过程中负责转运氨基酸、解读mRNA遗传密码的RNA。tRNA占细胞总RNA的10%～15%，绝大多数位于细胞质中
          • tRNA的一级结构
            • 是单链小分子
            • 含稀有碱基最多（7～15个稀有碱基，占全部碱基的15%～20%）位于非配对区
            • 5’端核苷酸往往是鸟苷酸（GMP）
            • 3’端是CCA序列，其中腺苷酸的3’羟基是氨基酸结合位点（CCA-OH）
          • tRNA的二级结构
            • 呈三叶草形，存在四臂三环
          • tRNA的三级结构
            • 呈倒“L”形，DHU环向反密码子靠拢，氨基酸臂向T屮C靠拢
        • 核糖体RNA（rRNA）
          • 核糖体RNA是细胞内含量最高的RNA，80%～85%
        • 其他非编码RNA
• 核酸的理化性质与应用
  • 大小与粘度
    • 大小：DNA＞RNA
    • 黏度：DNA＞RNA
  • 两性解离性质
    • 核酸的等电点通常偏酸性
    • 核酸分子含有酸性的磷酸基团和碱性的碱基
  • 紫外吸收特征
    • 碱基中有共轭双键，所以核苷酸和核酸都有特征性紫外吸收光谱，在260nm附近存在吸收峰，可进行核苷酸和核酸的定量分析
    • 单链DNA的紫外吸收比双链DNA高30%～40%，可判断DNA变性程度
    • 判断DNA是否变性
      • 增色效应：在DNA变性过程中，DNA双链解开，碱基暴露而导致紫外吸收值增高
      • 减色效应：在DNA变性过程中，紫外吸收峰值降低
  • 变性、复性与杂交
    • DNA的变性（增色效应）：在某些理化性质作用下，DNA双链解离成单链的过程
      • CG之间有三对氢键，破坏时需较多的能量，因此DNA分子中CG含量越高，Tm越高
      • 蛋白质黏性升高
      • 核苷酸黏性降低
    • DNA的复性（减色效应）：缓慢降低温度可以使热变性DNA复性，即重新形成互补双链结构
    • DNA的杂交：DNA与RNA杂交、DNA与DNA杂交、RNA与RNA杂交
      • 理论基础：碱基互补配对、核酸变性与复性
      • 应用
        • 研究DNA分子中某一基因的位置
        • 鉴定两种核酸分子间的序列相似性
        • 检测某些专一序列在待检样品中存在于否
        • 是基因芯片技术的基础
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