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相关科目：830生物化学 相关知识点：核酸
#1、核酸 1、核苷酸的结构（DNA、RNA区别） 核酸的基本结构单位是核苷酸，核苷酸由核苷和磷酸组成，核苷由戊糖和碱基组成。 碱基：在RNA中为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶等四种；在DNA中，为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶（代替尿嘧啶），也是四种。
（一） 核苷酸： 由所含戊糖不同分为（核糖）核苷酸和脱氧（核糖）核苷酸，所含戊糖分别为D-核糖和D-2-脱氧核糖。 （1） 碱基：携带遗传信息，5种基本碱基化学组成。 1.嘧啶碱： 胞嘧啶 2-氧-4-氨基嘧啶 Cyt C 尿嘧啶 2，4-二氧嘧啶 Ura U 胸腺嘧啶 5-甲基尿嘧啶 Thy T 2.嘌呤碱： 腺嘌呤 6-氨基嘌呤 Ade A 鸟嘌呤 2-氨基-6-氧嘌呤 Gua G
（2）核苷酸：核苷的磷酸酯： 核糖核苷糖环上有3个自由羟基，可生成三种核苷酸。 脱氧核糖糖环上有2个自由羟基，可生成二种核苷酸。 生物体内游离存在多为5‘-核苷酸。 常见核苷酸见 P481 表13-4，为核糖-5‘-一磷酸。 AMP GMP CMP UMP dAMP dGMP dTMP dCMP 若为核苷-3‘-磷酸或-2‘磷酸，应标出3‘或2‘，如3‘-AMP，2‘-AMP。 核糖-5‘-二磷酸：如ADP，核糖-5‘-三磷酸：如ATP。 环核苷酸一般为3‘，5‘-环化，如c-AMP。
2、DNA的结构
(1) DNA一级结构： DNA中D-核糖没有2‘-OH，所以只能形成3‘，5‘-磷酸二酯键，DNA无支链。 DNA相对分子量非常大，分子量可超过108bp（碱基对），可编码信息量十分巨大。为阐明生物的遗传信息，首先要测定生物基因组的序列。 原核生物基因序列是连续的，常组成操纵子，很少重复序列；真核生物基因序列是断裂的, 有内含子，不组成操纵子，含有较高比例的重复序列，调控序列比占比例大。人类基因组大小为32亿碱基对，真正用于编码蛋白质的序列仅占基因组的1.1%到1.4%，编码蛋白质基因大约为3.1万个。
（2）DNA的高级结构： W-C DNA分子双螺旋结构模型要点如下： 两条反向平向的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。 碱基位于双螺旋内侧，核酸与核糖在外侧，彼此通过3‘，5‘-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子骨架。碱基平面与纵轴重直，糖环平面与纵轴平行。多核苷酸链方向3‘→5‘为正向，形成一条大沟和一条小沟。 双螺旋平均直径为2nm，两个相邻碱基对之间相距高度为0.34nm，两核苷酸之间夹角为360，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转的高度（螺距）为3.4nm。 两条链被碱基之间形成的氢键连成一体，互相匹配，A与T配对，形成两个氢键，G与C配对，形成三个氢键。 碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制，一条链序列确定后则决定另一条互补链序列。遗传信息由碱基序列所携带。
DNA结构可受环境影响而改变，有A、B、C、D、E和Z型等不同构象存在。 B型是DNA基本构象，E型为左手双螺旋。 B型：为W-C双螺旋结构，DNA钠盐在较高湿度下（92%）制得的纤维结构。 A型：螺体较宽而短，RNA分子双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链具有与A-DNA相似结构。 DNA二级结构主要是形成双螺旋，但在某些情况下也能形成三股螺旋，第三股的碱基可与W-C碱基对中嘌呤碱形成配对。三股螺旋DNA碱基配对。 H-DNA是通过分子内折叠形成的三股螺旋，它存在于基因调控区，因而有重要生物学意义。
（3）DNA三级结构： DNA三级结构指DNA分子（双螺旋），通过扭曲和折叠形成的特定构象，包括不同二级结构单元间的相互作用，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三级结构的一种形式，是双螺旋的螺旋。 将环状DNA分子再额外多转几圈或少转几圈，都会使双螺旋中存在张力，为抵消张力，环状DNA分子的轴再曲绕而形成超螺旋，左旋为负，右旋为正。 由于DNA双螺旋为右旋，负超螺旋（左旋）有利于双螺旋解旋，自然界存在的环状DNA几乎全是负超螺旋。 DNA复制、重组或转录时，必须解旋解链，暴露出DNA结合位点，使各种调控蛋白发挥作用，随后再形成超螺旋，存在拓扑学问题。生物过程需负超螺旋程度不同，可通过DNA拓扑异构来调节其功能。 DNA拓扑异构：除连环数不同外（如上述L=25，L=23），其他性质均相同的DNA分子。 双螺旋DNA在拓扑异构变化中T相同，是W不同导致L不同。 DNA拓扑异构现象：为DNA超螺旋状态与解旋状态之间的相互转换，不发生碱基组成或顺序（一级结构）的任何变化，是DNA复制、重组或转录时所必需的。
拓扑异构酶：引起DNA拓扑异构之间转变的酶，可改变DNA拓扑异构体的L值，有两类： Ⅰ类：使双链超螺旋DNA转变成松弛型环状DNA，每一次催化作用可消除一个负超螺旋，L值增加1。 Ⅱ类：使松弛型环状DNA转变成负超螺旋型DNA，每次催化作用使L减少2，又称促旋酶。 两类酶含量严格控制，使细胞内DNA保持一定超螺旋水平。
DNA与蛋白质复合物的结构（四级结构） 病毒、细菌拟核和真核生物的染色体都存在DNA的组装和一定程度的压缩。核小体是真生物染色质的基本结构单位，由核小体链形成纤维，进而折叠螺旋化，组装成不同层次结构的染色质和染色体。 病毒：通常只有几个至几十个基因，主要由核酸和蛋白质组成，有时还含有脂质和糖类。病毒的侵染性由核酸决定。核酸位于内部，蛋白质包裹着核酸为衣壳，有的还有脂蛋白被膜。 由宿主不同，病毒分为噬菌体（宿主细菌与放线菌），植物病毒和动物病毒。动物病毒含DNA或含RNA，有的还有被膜，如流感病毒（冠状病毒），表面有许多突起，流感病毒为RNA病毒。
3、DNAchargaff定律 1953年Watson与Crick提出的DNA双螺旋结构模型，主要有三方面依据： 核酸化学结构和核苷酸键长和键角数据。 DNA X-射线衍射分析。 DNA碱基组成的Chargaff规则；同一物种不同组织和器官，DNA碱基组成 具有生物种特异性。且摩尔数为A=T， G=C， A+C=G+T。 DNA二级结构；
4、RNA种类及结构
(1)RNA一级结构： 虽有2‘-OH，但仍为无分支线型多聚核糖核苷酸，组成RNA核苷酸仍为3‘，5‘-磷酸二酯键彼此连接。 1. tRNA：通常由73~93个核苷酸组成，沉降系数45。3‘端为CpCpAOH，5‘端多为pG，也有为pC的。 2. rRNA：含有较多甲基化的核糖。细菌的rRNA有5S、16S和23S三种，哺乳动物rRNA有5S、5.8S、16S和28S四种。rRNA除作为核糖体骨架外，还分别与mRNA和tRNA作用，催化肽键的形成，促使蛋白质合成的正确进行。 3. mRNA：原核生物一条mRNA链上有多个编码区，5‘端和3‘端各有一段非翻译区；真核生物mRNA一级结构通式，5‘端有帽子，可记作m7G5’ppp5’NmpNp，（m在字母左，表示碱基被甲基化，右上角数字表示甲基化位置，m在字母右侧表示核糖被甲基化，G-鸟苷，N为任意核苷，p磷酸）。这种结构有抗5‘-核酸外切酶的降解作用，并有助于核糖体对mRNA的识别和结合，使翻译得以正确开始。3‘端大多有一尾巴，为20~250个A的聚腺苷酸poly(A)，与mRNA的半寿期有关。
（2）RNA的高级结构： RNA通常是单链线型分子，但可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），进而折叠（三级结构），除tRNA外，几乎全部细胞中的RNA都与蛋白质形成核蛋白复合物（四级结构）。RNA病毒是具有感染性的RNA复合物。
（1） tRNA的高级结构： 二级结构都是呈三叶草形，双螺旋区构成叶柄，另外有几个突环区。 1. 氨基酸臂：3‘-末端CCA，可接受活化的氨基酸。 2. 二氢尿嘧啶环：有两个DHU。 3. 反密码环：环中部为反密码子，由3个碱基组成，次黄嘌呤核苷酸常出现于反密码子中，反密码子可识别mRNA的密码子。 4. 额外环：是tRNA分类重要指标。 5. TψC环：几乎所有tRNA在此环中都含有TψC，tRNA折叠形成三级结构，呈倒L型。
（2） rRNA的高级结构： 核糖体是蛋白质合成的工厂，核糖体是一种核酶，催化肽键合成的是rRNA。 所有生物核糖体都是有大小不同两个亚基组成，大小亚基分别由几种rRNA和数十种蛋白质组成。 核酸的变性、复性以及杂交
核酸的共价结构
（1）核酸中核苷的连接方式： 核酸中核苷酸以3‘，5‘-磷酸二酯键彼此相连，走向为3‘→5‘。简写时从5‘→3‘,从左到右书写: 如 pACTG pG表示p在5‘位，Gp表示p在3‘位 5‘ 3’ 因此ACTG与GTCA不一样，一个5‘端为A，A上有游离的5‘-OH，一个5‘端为G，G上有游离的5‘-OH。 （一） 核酸的酸碱性质： 核苷和核苷酸都是兼性离子，碱基和磷酸基均能解离，见P505，具有酸碱性。 由于DNA酸碱变性，使酸碱滴定曲线不可逆。 （二） 核酸的紫外吸收： 嘌呤环与嘧啶环具有共轭双键，核苷和核酸的吸收波段在240~290nm，最大吸收值在260nm附近（蛋白质最大吸收值280nm）。 （1） 可用于测样品纯度（测吸光度A）： A260/A280比值，纯DNA应大于1.8，纯RNA应达到2.0，若样品混有杂蛋白，比值明显降低。 对于纯样品，从260nm的A值即可算出含量。A值为1，相当于50μg/mL DNA双螺旋，或40μg/mL单链DNA（或RNA），或20μg/mL寡核苷酸。 （2） 核酸的摩尔磷吸光系数ε（P）：为含有1克原子磷（30.98g）的核酸在260nm处的吸光系数。 ε（P）=A / CL. = 30.98 A / W L A：吸收值， C：每升溶液的磷摩尔数，C=W/30.98， L：比色杯内径。 一般天然DNA ε（P）为6600，RNA为7700~7800 由于双螺旋结构使碱基对的π电子云发生重叠，使紫外吸收比单链减少，由此可判断DNA是否变性。 DNA变性时ε（P）值升高，增色效应。 DNA复性时ε（P）值降低，减色效应。 核酸比所含核苷酸单体的ε（P）低40~45%。 （三） 核酸的变性、复性及杂交： （1） 变性：核酸双螺旋区的氢键断裂变成单链，不涉及共价键的断裂。 降解：多核苷酸骨架上共价键（3‘，5‘-磷酸二酯键）断裂，分子量降低。 引起变性因素：热变性，酸碱变性，变性剂（如尿素，甲醛等）变性（竞争形成氢键）。 DNA变性温度：又称熔点或熔解温度，为DNA双螺旋结构失去一半时的温度，用Tm表示，DNA的Tm一般为82~950C。DNA变性是爆发式的，变性在一个很窄温度范围内发生。
影响Tm的因素： 1. DNA的均一性：均一则Tm窄，如poly (A-T)， poly d(G-C)等， Tm窄。 2. G-C含量：Tm值与G-C含量成正比，G-C含量越高，Tm值越高，因为G-C间三个氢键。 G-C含量与Tm关系的经验公式： G-C% = (Tm - 69.3) ×2.44 可由G-C含量计算Tm或由Tm计算G-C含量。 3. 介质离子强度： 离子强度较高时，DNA的Tm值较高，DNA较稳定，因此DNA的保存在含盐（如1mol NaCl）缓冲溶液中。 RNA的变性：RNA分子中有局部双螺旋区，所以也可发生变性，只是Tm值较低，且范围较宽。
双链RNA变性几乎与DNA同 （1） 复性：变性DNA在适当条件下，两条彼此分开的链重新缔合成双螺旋结构的过程称为复性。 变性DNA在缓慢冷却时，可以复性的过程称为退火。加热变性的DNA为防止复性，需骤冷处理。 DNA复性，浓度越大复性越快，且具有多重复序列的复性快。 （2） 杂交：不同来源的DNA热变性后慢慢冷却，若异源DNA之间某些区域有相同序列，则复性时会形成杂交DNA分子。DNA与互补的RNA之间也可发生杂交。核酸杂交应用广泛，可用来检测特殊核苷酸序列的一个或更多的DNA片断，将少量基因钓出，是基因芯片，基因探针的工作根据。
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