生物化学 话题 02：核酸

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1 核酸的化学组成

1.1 基本单位

  • 核酸的基本组成单位是核苷酸，每个核苷酸由三部分组成：
    • 五碳糖：
      • DNA 中为脱氧核糖（2'-脱氧-D-核糖），缺少2'位的羟基。
      • RNA 中为核糖（D-核糖），在2'位存在羟基。
    • 含氮碱基：
      • 嘌呤：包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），双环结构。
      • 嘧啶：包括胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）（仅存在于 DNA 中）和尿嘧啶（U）（仅存在于 RNA 中），单环结构。
    • 磷酸基团：
      • 一个或多个磷酸基团通过磷酸二酯键连接在五碳糖的 5' 位。

[!NOTE]
DNA 和 RNA 在五碳糖和碱基组成上的差异是它们功能差异的基础。DNA 的脱氧核糖和胸腺嘧啶使其更稳定，适合储存遗传信息；RNA 的核糖和尿嘧啶使其更灵活，适合参与蛋白质合成等动态过程。

1.2 核酸种类

  • 种类（DNA＆RNA）
    • DNA（脱氧核糖核酸）：
      • 主要功能是储存和传递遗传信息。
      • 由双螺旋结构组成，稳定性高，适合长期信息储存。
    • RNA（核糖核酸）：
      • 主要功能是将遗传信息转化为蛋白质，参与多种细胞功能。
      • 通常为单链结构，但能够形成复杂的三维结构。
      • 根据功能不同，RNA 可分为多种类型，如信使 RNA（mRNA）、转运 RNA（tRNA）、核糖体 RNA（rRNA）等。

2 DNA的结构与功能

2.1 碱基组成规律

  • DNA 由四种碱基组成：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）。
  • 碱基互补配对：
    • 腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）通过两个氢键配对。
    • 鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）通过三个氢键配对。
  • 反向平行排列：两条 DNA 链以反向平行方式结合，确保碱基的互补配对。

2.2 一级结构

  • 定义：DNA的一级结构是指其核苷酸序列的线性排列顺序。
  • 特点：
    • 确定了DNA的遗传信息。
    • 不同生物体的DNA序列存在差异，决定了生物的遗传特性。

2.3 二级结构（双螺旋）

  • 两条多聚核苷酸链在空间上的走向呈反向平行；
  • DNA 双螺旋结构的直径为 2.37 nm,螺距为 3.54 mm，10 个碱基对一螺旋;
  • 碱基对的疏水作用力与氢键共同维系 DNA 双螺旋稳定
  • 碱基堆积力纵向稳定（更为重要），氢键横向稳定

[!TIP]
碱基堆积力是维持 DNA 双螺旋结构纵向稳定的主要力量，而氢键则主要负责横向稳定。

2.4 高级结构（超螺旋）

  • 超螺旋结构：在染色质中，DNA 通过绕环和折叠形成更复杂的高级结构，以适应细胞核的空间限制。
  • 核小体：DNA 缠绕在组蛋白八聚体上，形成核小体，是染色质的基本结构单位。
  • 染色体结构：多级紧密包装，使得长 DNA 分子能够高效地存储在有限的细胞核内。

2.5 DNA功能

  • DNA 是主要的遗传物质。
  • 基因：是编码 RNA 或多肽链的 DNA 片段，即 DNA 中特定的核苷酸序列。
  • 基因组：是指包含在该生物的 DNA（部分病毒除外）中的全部遗传物质，即一套染色体中的完整的核苷酸序列。

3 DNA理化性质及其应用

3.1 变性与复性

  • 定义：
    • 变性：DNA 双螺旋结构在高温或极端 pH 条件下解开成为单链的过程。
    • 复性：变性后的 DN A单链在适当条件下（如降低温度）重新配对恢复双螺旋结构的过程。
  • Tm（熔解温度）：DNA 双链解链一半时所需的温度，与 GC 含量正相关。
  • 高色效应：在变性过程中，DNA 单链的紫外吸收值增加（260nm处）。

3.2 核酸杂交

  • 定义：DNA 或 RNA 单链之间通过碱基互补配对形成双链结构的过程。
  • 应用：
    • PCR（聚合酶链式反应）：利用核酸杂交扩增特定 DNA 片段。
    • 分子探针：检测特定序列的 DNA 或 RNA。

3.3 紫外光吸收特征

  • DNA 和 RNA 在 260 nm波长处有最大吸收峰，因碱基中的共轭双键。
  • 应用：
    • 凝胶电泳后染色检测核酸。
    • 分光光度法测定核酸浓度。

4 RNA结构与功能

4.1 mRNA

  • 结构：单链 RNA，通常较长，含有编码蛋白质的序列。
  • 功能：作为 DNA 遗传信息的传递者，将基因序列传递至核糖体进行翻译。

4.2 tRNA

  • 结构：单链 RNA，折叠成三叶草状结构，含反密码子区。
  • 功能：携带特定氨基酸至核糖体，与 mRNA 配对，参与蛋白质合成。

4.3 rRNA

  • 结构：单链 RNA，与蛋白质结合形成核糖体的核心结构。
  • 功能：核糖体的组成成分，催化肽键形成，促进蛋白质合成。

4.4 其它RNA

  • 小分子RNA：
    • 小核 RNA（snRNA）：参与 hnRNA 剪接等过程。
    • 小干扰 RNA（siRNA）和微小 RNA（miRNA）：调控基因表达，介导RNA干扰机制。
  • 核酶（Ribozyme）：具有催化活性的 RNA 分子，能够自身催化化学反应，包括肽酰转移酶。
  • 其他功能性 RNA：
    • 如长非编码 RNA（lncRNA），在基因调控、染色质重塑等方面发挥重要作用。