生物化学与分子生物学核酸知识点总结

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核酸

• 定义
  • 定义：以核苷酸为基本组成单位的生物大分子
  • 元素组成：C、H、O、N、P（9～10%）
  • 分子组成：磷酸、戊糖、碱基
• 功能
  • DNA：携带遗传信息，将遗传信息进行传代，决定细胞和个体的基团型
  • RNA：参与细胞内DNA遗传信息的表达，某些病毒RNA（如丙肝、艾滋病毒、新冠等）的遗传信息载体
• 化学组成及一级结构
  • 碱基
    • 共轭双键，存在共振互变异构体
    • 嘌呤
      • 腺嘌呤（A）
      • 鸟嘌呤（G）
    • 嘧啶
      • 胞嘧啶（C）
      • 胸腺嘌呤（T）
      • 尿嘧啶（U）
  • 核糖
    • C-1'原子上的半缩醛羟基反应活性高
    • 脱氧核糖
      • C-2'原子所连羟基脱氧
        • C表示碱基上的碳，C'表示核糖上的碳
    • 核糖
      • C-2'原子连羟基
        • C表示碱基上的碳，C'表示核糖上的碳
  • 核苷
    • 核糖/脱氧核糖C-1'原子与嘌呤的N-9原子缩合形成β-N-糖苷键， 与嘧啶的N-1原子缩合形成β-N-糖苷键
      • 核糖脱羟基，碱基脱氢，形成C-N-糖苷键
  • 核苷酸
    • 脱氧核苷的C-5'原子上的羟基与磷酸脱水形成磷酯键
  • 核苷酸衍生物
    • ATP、cAMP、cGMP
    • NAD+、NADP+、FAD、CoA
  • 多聚核苷酸链
    • 5'➡️3'，5'端游离磷酸、3'端游离羟基
    • 通过3'-5'-磷酸二酯键聚合形成
  • 缩写
    • DNA
      • 脱氧核苷（dAR、dGR、dCR、dTR）
      • 脱氧核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）
    • RNA
      • 核糖核苷（AR、GR、CR、UR）
      • 核糖核苷酸（AMP、GMP、CMP、UMP）
  • 一级结构
    • 定义
      • 从5'端至3'端的排列顺序（碱基序列）
      • 具有方向性
    • 缩写
      • nt
      • b
      • 单链
      • bp
        • 双链碱基对数
    • 寡核苷酸
      • 长度短于50个核苷酸的核酸的片段
• DNA的空间结构与功能
  • 二级结构
    • Chargaff规则
      • 不同生物个体的DNA，其碱基组成不同
      • 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
      • 碱基组分不随其年龄、营养状态和环境而变化
      • 对于一个特定的生物体，A=T，G=C
    • 双螺旋结构
      • DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成
        • 反平行右手螺旋
        • 直径为2.37nm，螺距为3.54nm
      • DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对
        • 碱基对平面、氢键方向与螺旋轴垂直
        • 每个螺旋有10.5个碱基对，碱基对平面间距0.34nm
      • 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
        • 脱氧核糖和磷酸基团构成亲水性骨架
        • 双螺旋结构表面有一个大沟、一个小沟
          • 蛋白质识别、结合位点
      • 两个碱基对平面重叠产生了碱基堆积作用
        • 相邻碱基对平面彼此重叠产生疏水性碱基堆积力（范德华力）
        • 碱基堆积力与氢键共同维持双螺旋结构稳定
    • 多链结构
      • Hoogsteen氢键
      • C+GC三碱基平面
      • TAT三碱基平面
      • 端粒
        • 染色体3'端的高度重复富含GT
        • 人体端粒序列（TTAGGG）n
        • G-四链
  • 高级结构
    • 正超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋方向相同（绕上） 负超螺旋：盘绕方向与DNA双螺旋结构相反（解开）
    • 原核生物DNA
      • 环状双螺旋DNA（cccDNA）
      • 平均每200个碱基一个负超螺旋
    • 真核生物DNA
      • 细胞周期大部分时间为染色质，细胞分裂期形成染色体
      • 染色质（串珠状）
        • 基本单位：核小体
          • 200bp双链DNA
          • 四种组蛋白（H1、H2A、H2B、H3、H4）
        • 核小体形成
          • 八聚体核心组蛋白（H2A、H2B、H3、H4各两个）
          • 146bp的DNA双链盘绕1.75圈
          • H1盘绕于DNA双链进出口（稳定核小体）
      • 染色体
        • 端粒
          • 由端粒DNA与DNA结合蛋白构成
          • 富含GT，有G-四链，人体端粒序列（TTAGGG）n
          • 稳定性、完整性、衰老与肿瘤
        • 着丝粒：富含AT序列，细胞分裂时分开
  • 功能
    • 生物体遗传信息的载体（以基因形式荷载遗传信息）
      • 基因：DNA分子中的特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能
    • 基因复制和转录的模板
    • 高度稳定性：保持遗传特征相对稳定
    • 高度复杂性：发生重组和突变，适应环境
• RNA的空间结构与功能
  • 特点
    • 比DNA小
    • 比DNA种类、大小、结构多样
    • 通常以单链形式存在，可形成局部双链二级结构和特定空间三级结构
  • 分类
    • 编码RNA
      • mRNA
        • 种类最多，丰度最小（2%～5%） 更新最快，寿命最短
        • 产生
          • 核内初级产物hnRNA（不均一核RNA）
          • 包括内含子（非编码序列，剪切）和外显子
        • 5'-端帽结构
          • m7Gppp（反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷）
          • 5'-端无磷酸基团，形成5'-5'三磷酸键
          • 与帽结合蛋白结合形成复合体
        • 3'-端尾结构
          • AAAAAAAA（多聚腺苷酸尾）
          • 每20个与1个poly（A）结合蛋白（PABP）结合
        • 共同点
          • 不来源于DNA，是RNA加工而成
          • 功能
            • mRNA核内向胞质转运
            • mRNA稳定维系
            • 加速翻译起始调控
        • 相关概念
          • 5'-非编码区：成熟mRNA帽结构到核苷酸序列第一个AUG
          • 可读框：起始密码子到终止密码子（三联体密码）
          • 3'-非翻译区：可读框下游至多聚A尾
    • 非编码RNA
      • 组成性非编码RNA
        • tRNA
          • 分子量最小，74～95个核苷酸组成 重量占比15%
          • 5'-端：pG；3'-端：CCA-OH
          • 含多种稀有碱基：占所有碱基的10%～20%
          • 特定空间结构
            • 局部链内双螺旋
            • 茎环（发卡）结构
              • 互补双链为柄
              • 不互补双链鼓出为头
            • 二级结构：三叶草形（三环一臂一附加环） （DHU、TΨC、反密码子环、附加叉、氨基酸臂）
            • 三级结构：倒“L”形
          • 3'-端连接氨基酸
            • 氨基酸通过酯键连接在腺嘌呤的C-3'原子上，生成氨酰-tRNA
            • 反向互补配对：tRNA右侧为5'-端
        • rRNA
          • 丰度最高（80%以上）
          • 与核糖体蛋白构成核糖体，为蛋白质生物合成提供必需场所
          • 由大亚基和小亚基组成
          • 二级结构：多茎环结构（如：18SrRNA）
        • 其他
          • 催化小RNA：核酶，催化，RNA剪切修饰
          • 核仁小RNA：核仁，参与rRNA加工、甲基化
          • 核小RNA：内含子加工剪切
          • 胞质小RNA：细胞质，引导含有信号肽的蛋白质进入内质网合成
      • 调控性非编码RNA（丰度随外界环境和细胞性状改变）
        • 功能：转录调控、RNA剪切和修饰、mRNA翻译、蛋白质稳定和转运、染色体的形成和结构稳定
        • miRNA（微RNA）：结合mRNA选择性调控基因表达
        • siRNA（干扰小RNA）：外源性siRNA具有特定长度和序列，诱导外源入侵的mRNA降解
        • piRNA
        • 非编码小RNA
• 理化性质
  • 特性
    • 260nm紫外吸收
      • 单核苷酸＞ssDNA（或RNA）＞dsDNA （双螺旋结构碱基分子包埋在内部，生色效果受影响）
      • 决定因素：碱基共轭双键
      • 标准
        • A260＝1.0对应50μg/mldsDNA、40μg/mlssDNA或RNA 20μg/ml寡核苷酸
        • DNA纯品A260/A280＝1.8；RNA纯品A260/A280＝2.0
    • 酸性
      • 双性大分子，有磷酸基和碱基，酸性更强
    • 黏滞度
      • DNA＞RNA；dsDNA＞ssDNA
    • 引力场中可沉淀
      • 不同构象核酸分子沉降速率有很大差异 （超速离心法提取和纯化不同构象核酸）
    • 可与金属离子成盐，不溶于乙醇或异丙醇
  • 变性
    • 定义
      • 某些极端理化条件下可以断裂DNA双链互补碱基对之间的氢键及碱基堆积力，使一条DNA双链解离成两条单链
    • 手段
      • 酸、碱、加热（最简单直接）、尿素、酰胺、乙醇、丙酮
    • 变性后理化性质
      • 增色效应
        • 定义：260nm处吸光度增加的现象
        • DNA解链曲线：温度相对于A260值作图所得曲线
        • DNA解链温度（Tm）：在解链曲线中，紫外吸光度的变化达到最大变化值一半时对应的温度（Tm时50%的DNA双链解离成单链）
        • GC含量越高，Tm值越高；离子强度越高，Tm值越高
        • 小于20bp的寡核苷酸片段：Tm＝4（G+C）+2（A+T）
      • 黏度下降
      • 比旋度下降
      • 浮力升高
      • 酸碱滴定曲线改变
      • 生物活性丧失
  • 复性
    • 定义
      • 变性条件缓慢除去后两条解离的DNA互补链重新配对形成DNA双链，恢复双螺旋结构
    • 退火
      • 热变性DNA迅速冷却至4℃不能复性
      • 热变性的DNA经缓慢冷却后复性
    • 核酸分子杂交
      • 不同种类DNA单链或RNA单链混合，若存在一定程度的碱基互补关系，可能形成杂化双链
  • 核酸酶
    • 分类
      • 核酸内切酶：在DNA或RNA分子内部切断磷酸二酯键
      • 核酸外切酶：水解核酸分子链末端的磷酸二酯键
    • 功能
      • 参与DNA的合成、修复、RNA的剪接
      • 清除多余的结构和功能异常的核酸以及侵入细胞的外源性核酸
      • 降解食物中的核酸
      • 体外重组DNA技术中的重要工具酶