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堿基
本詞條是多義詞，共3個(gè)義項
嘌呤和嘧啶的衍生物
基本信息
| 中文名 | 堿基 |
| 外文名 | nucleobase |
| 電子產(chǎn)品類(lèi)別 | 5種 |
| 作用 | 組成DNA |
| 主要成分 | 核酸、核苷、核苷酸 |
展開(kāi)
定義
堿基是合成核苷、核苷酸和核酸的基本組成單位，其組成元素中含有氮，也稱(chēng)“含氮堿基”。
配對
修飾
DNA和RNA分子中還含有核酸鏈形成后經(jīng)過(guò)修飾形成的其它非主要堿基。這些堿基大多是在上述嘌呤或嘧啶堿的不同部位甲基化（methylation）或進(jìn)行其它的化學(xué)修飾而形成的衍生物。DNA中最常見(jiàn)的修飾堿基是5-甲基胞嘧啶（m5C）。RNA中有許多修飾的堿基，包括核苷類(lèi)假尿苷（Ψ）、二氫尿苷（D）、肌苷（I）和7-甲基鳥(niǎo)苷（m7G）中含有的堿基。次黃嘌呤和黃嘌呤是通過(guò)誘變劑處理產(chǎn)生的許多修飾堿基中的兩種，它們都是通過(guò)脫氨作用（用羰基取代胺基）產(chǎn)生的。次黃嘌呤源于腺嘌呤，黃嘌呤源于鳥(niǎo)嘌呤。
合成
在醫學(xué)中，幾種核苷類(lèi)似物用作抗癌劑和抗病毒劑。病毒聚合酶將這些化合物與非主要堿基結合。病人服用的核苷類(lèi)似物進(jìn)入體內被轉化為核苷酸而在細胞中被激活。
發(fā)現進(jìn)程
生物體中常見(jiàn)的堿基有5種，分別是腺嘌呤（A）、鳥(niǎo)嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U），2019年又人工合成了4種堿基，美國科學(xué)家StevenA.Benner將這4個(gè)新成員分別命名為“Z”“P”“S”“B”（顧名思義，前5種堿基中，腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤屬于嘌呤族（縮寫(xiě)作R），它們具有雙環(huán)結構。胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶屬于嘧啶族（Y），它們的環(huán)系是一個(gè)六元雜環(huán)。它們也被稱(chēng)為主要或標準堿基。它們是組成遺傳密碼的基本單元，其中堿基A、G、C和T存在于DNA中，而A、G、C和U存在于RNA中。值得注意的是，胸腺嘧啶比尿嘧啶多一個(gè)5位甲基，這個(gè)甲基增大了遺傳的準確性。堿基通過(guò)共價(jià)鍵與核糖或脫氧核糖的1位碳原子相連而形成的化合物叫核苷。核苷再與磷酸結合就形成核苷酸，磷酸基接在五碳糖的第5位碳原子上）。
種類(lèi)簡(jiǎn)述
新的堿基
甲基胞嘧啶（mC）：源于C，是表觀(guān)遺傳機制的主要原因。作為一種重要的表觀(guān)遺傳修飾，mC參與基因表達調控、X-染色體失活、基因組印記、轉座子的長(cháng)期沉默和癌癥的發(fā)生。
甲基腺嘌呤（mA），其主要作用是確定表觀(guān)基因組的性質(zhì)，并因此在細胞的生命過(guò)程中發(fā)揮重要作用。藻類(lèi)、蠕蟲(chóng)以及蒼蠅都擁有mA。mA的主要功能是調控某些基因的表達，因此，構成了一種新的表觀(guān)遺傳標記。
截至2020年已發(fā)現的堿基種類(lèi)共有21種。
結構
堿基置換類(lèi)型及缺失和插入突變示意圖
堿基通過(guò)共價(jià)鍵與核糖或脫氧核糖的1位碳原子相連而形成的化合物叫核苷。核苷再與磷酸結合就形成核苷酸，磷酸基接在五碳糖的5位碳原子上。
新成員
上世紀80年代初，由這四種“經(jīng)典”DNA堿基組成的家族中迎來(lái)了第五名成員：甲基胞嘧啶（mC），其源于胞嘧啶。mC的出現引發(fā)了科學(xué)家們極大地關(guān)注，并獲得了廣泛的研究。上世紀90年代后期，mC被廣泛看成是表觀(guān)遺傳機制的主要原因：它能夠根據每個(gè)組織的生理需要，打開(kāi)或關(guān)閉基因。而且，隨著(zhù)研究的進(jìn)一步深入，科學(xué)家們現在知道，作為一種重要的表觀(guān)遺傳修飾，mC參與基因表達調控、X-染色體失活、基因組印記、轉座子的長(cháng)期沉默和癌癥的發(fā)生。
近日，西班牙科學(xué)家在最新出版的《細胞》雜志上撰文指出，或許存在著(zhù)第六種堿基——甲基腺嘌呤（mA），其主要作用是確定表觀(guān)基因組的性質(zhì)，并因此在細胞的生命過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
據每日科學(xué)網(wǎng)4日報道，西班牙Bellvitge生物醫學(xué)研究所表觀(guān)遺傳學(xué)和癌癥生物學(xué)計劃負責人、巴塞羅那大學(xué)遺傳學(xué)教授曼奈·埃特雷在《細胞》雜志上發(fā)表文章，描述了第六種堿基——mA存在的可能性，他認為，這種堿基也幫助確定表觀(guān)基因組，并因此在細胞生命過(guò)程中發(fā)揮著(zhù)重要作用。
埃特雷在論文中表示：“早在數年前，我們就知道，在我們生物學(xué)上的遠親——細菌的基因組內就存在mA，主要作用保護其免受其他生物體遺傳物質(zhì)的入侵，但當時(shí)科學(xué)家們認為，這一現象只出現在原始細胞內。”
埃特雷繼續解釋說(shuō)：“現在《細胞》雜志發(fā)表的三篇論文表明，藻類(lèi)、蠕蟲(chóng)以及蒼蠅都擁有mA，這些生物的細胞像人體細胞一樣都是真核細胞，說(shuō)明人體細胞內也可能擁有第六種堿基。研究表明，mA的主要功能是調控某些基因的表達，因此，構成了一種新的表觀(guān)遺傳標記。在我們所描述的這些基因組內，mA的濃度都很低，但隨著(zhù)擁有高靈敏度分析方法的發(fā)展，使得這項研究成為了可能。除此之外，mA可能也在干細胞和發(fā)育初期發(fā)揮重要作用。”
種類(lèi)
近幾年，有人將表觀(guān)遺傳學(xué)修飾——5-胞嘧啶甲基稱(chēng)為第5種堿基，5-羥甲基胞嘧啶（5-hmC）稱(chēng)為第6種堿基。在最新的研究成果中，研究人員發(fā)現了第7種，和第8種DNA堿基：5-胞嘧啶甲酰（5-formylcytosine），5-胞嘧啶羧基（5-carboxylcytosine）。這兩種堿基實(shí)際上都是由胞嘧啶經(jīng)由張毅教授研究組一直研究的關(guān)鍵蛋白：Tet蛋白修飾后形成。
作用
組成DNA
堿基
嘌呤和嘧啶都有酮-烯醇式互變異構現象，一般生理pH條件下呈酮式。AGCT（U）四種堿基在DNA中的排列遵循堿基互補配對原則
有些核酸中含有修飾堿基（或稀有堿基），這些堿基大多是在上述嘌呤或嘧啶堿的不同部位甲基化（methylation）或進(jìn)行其它的化學(xué)修飾而形成的衍生物。例如有些DNA分子中含有5-甲基胞嘧啶（m5C），5-羥甲基胞嘧啶（hm5C）。某些RNA分子中含有1-甲基腺嘌呤（m1A）、2，2-二甲基鳥(niǎo)嘌呤（m22G）和5，6-二氫尿嘧啶（DHU）等。
互補原則
堿基
腺嘌呤與胸腺嘧啶之間有兩個(gè)氫鍵，鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧啶之間有三個(gè)氫鍵，即A=T,G≡C。根據堿基互補配對的原則，一條鏈上的A一定等于互補鏈上的T；一條鏈上的G一定等于互補鏈上的C，反之如此。
計算規律
規律二：在雙鏈DNA分子中，兩個(gè)互補配對的堿基之和的比值與該DNA分子中每一單鏈中這一比值相等。(A1+A2+T1+T2)/(G1+G2+C1+C2)=(A1+T1)/(G1+C1)=(A2+T2)/(G2+C2)。
規律三：DNA分子一條鏈中，兩個(gè)不互補配對的堿基之和的比值等于另一互補鏈中這一比值的倒數，即DNA分子一條鏈中的比值等于其互補鏈中這一比值的倒數。(A1+G1)/(T1+C1)=(T2+C2)/(A2+G2)。
規律四：在雙鏈DNA分子中，互補的兩個(gè)堿基和占全部堿基的比值等于其中任何一條單鏈占該堿基比例的比值，且等于其轉錄形成的mRNA中該種比例的比值。即雙鏈(A+T)%或(G+C)%=任意單鏈(A+T)%或(G+C)%=mRNA中(A+U)%或(G+C)%。
規律五：不同生物的DNA分子中，其互補配對的堿基之和的比值(A+T)/(G+C)不同，代表了每種生物DNA分子的特異性。
相關(guān)信息
堿基配對
（1）微觀(guān)領(lǐng)域———分子水平的復雜生理過(guò)程，學(xué)生沒(méi)有感性知識為基礎，學(xué)習感到非常抽象。
（2）涉及到多種堿基互補配對關(guān)系，DNA分子內部有A與T配對，C與G配對；DNA分子的模板鏈與生成的RNA之間有A與U配對，T與A配對，C與G配對。學(xué)習過(guò)程中，學(xué)生不易認識清楚。
（3）涉及許多數量關(guān)系（規律），在DNA雙鏈中，①A等于T，G等于C，A+G/T+C等于A(yíng)+G/T+C等1；②一條單鏈的A+G/T+C的值與另一條互補單鏈的A+G/T+C的值互為倒數。③一條單鏈的A+T/C+G的值，與另一條互補鏈的A+T/C+G的值相等；④在雙鏈DNA及其轉錄的RNA之間有下列關(guān)系：一條鏈上的（A+T）等于另一條鏈上的（A+T）等于RNA分子中（A+U）等于12DNA雙鏈中的（A+T）等，學(xué)生往往記不住。再加之轉錄、翻譯是在不同場(chǎng)所進(jìn)行的，學(xué)生分析問(wèn)題時(shí)難以把二者聯(lián)系起來(lái)。以上分析說(shuō)明，關(guān)于堿基互補配對規律的計算既是教的一個(gè)難點(diǎn)，也是學(xué)的一個(gè)難點(diǎn)。教學(xué)中，如果能做到：①把復雜抽象的生理過(guò)程用簡(jiǎn)單直觀(guān)的圖示表現出來(lái)；②把在不同場(chǎng)所進(jìn)行的生理過(guò)程放在一起思考；③把記憶復雜繁瑣的公式（規律）轉變成觀(guān)察圖示找出數量關(guān)系；④在計算時(shí)把表示數的符號注上腳標，以免混淆，就能輕輕松松闖過(guò)這一難關(guān)。
醫學(xué)應用
堿基
泰姆普斯教授表示，DNA通過(guò)其復雜的雙螺旋結構達成其高度的光穩定性。在單股DNA鏈中，堿基之間的相互作用是一個(gè)堆疊在另一個(gè)之上，而且在雙螺旋中，兩個(gè)互補單股的堿基對之間的氫鍵發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過(guò)觀(guān)察到的不同交互作用，DNA在某種程度上自己達成了“太陽(yáng)防護”。論文作者尼娜·施瓦爾博在合成DNA分子中的過(guò)程中研究了各種不同的堿基組合。利用飛秒脈沖激光光譜學(xué)，她測量了每種組合所釋放出來(lái)的特征能量。她發(fā)現，對某些堿基組合而言，這些熒光發(fā)射的“壽命”只有約100飛秒，但對其他組合而言，時(shí)間可長(cháng)達數千倍。
對于該研究結果，尼娜評論道：“我們研究了光物理特性，發(fā)現不同的堿基組合具有廣泛的熒光發(fā)射壽命差異，這將導致開(kāi)發(fā)出一種利用激光直接識別某些遺傳序列的新診斷方法，而無(wú)須像現有方法那樣以染料標記DNA。”
泰姆普斯解釋說(shuō)，在納米電子學(xué)領(lǐng)域中，合成DNA已被證明能當作“納米線(xiàn)”使用。基于這些分子不同的反應時(shí)間，有朝一日或許能使用激光脈沖來(lái)“開(kāi)關(guān)”特定分子。在某些情況下，甚至有可能用DNA制造出通過(guò)氫鍵的鍵合來(lái)工作的晶體管。
發(fā)展前景
涉及到RNA的試驗，經(jīng)常會(huì )要求對RNA分子進(jìn)行固定化處理，這個(gè)過(guò)程通常由生物素進(jìn)行標記，并輔以抗生物素蛋白作為支持物。人們可以將UMP、CMP之類(lèi)的生物素化核苷酸單磷酸鹽整合到RNA之中去，或者通過(guò)在轉錄反應中使用核苷酸單磷酸鹽5'端衍生物類(lèi)生物素，從而達到僅僅對RNA的5'端進(jìn)行標注的目的。當然，人們也可以對純化的RNA進(jìn)行5'端或3'端的化學(xué)修飾。目前最簡(jiǎn)單的方法，就是在轉錄過(guò)程中對標記過(guò)程進(jìn)行整合；但對于一些試驗來(lái)說(shuō)，對RNA進(jìn)行特定位點(diǎn)的標記，比起對5'端進(jìn)行標記或者為避免改變RNA的功能而僅僅使用單個(gè)標記物來(lái)說(shuō)，似乎更為重要。
為達到上述目標，IchiroHirao及其在東京大學(xué)和RIKEN的合作伙伴對非天然堿基對進(jìn)行了修飾，這些生物素化的堿基能被T7RNA聚合酶以特定位點(diǎn)的方式整合到RNA之中去。例如，2-氨基-6-(2-噻吩基)嘌呤(s)可以被整合到一個(gè)DNA模板之中去；接著(zhù)，在一個(gè)標準化的轉錄反應中，已經(jīng)被生物素化的2-氧-(1H)吡啶(y)在s補足位點(diǎn)被整合到了RNA轉錄過(guò)程中。這一方法很容易被一般性的試驗室掌握，也可以通過(guò)引入T7RNA聚合酶的方式作為商業(yè)性的轉錄工具包加以應用。Hirao說(shuō)：“除了那些包括像s和y或修飾性y底物這類(lèi)非天然堿基的DNA模板外，這一工具包可在原始協(xié)議不加修改的情況下進(jìn)行應用。”
在一篇新近出版的有關(guān)“核酸研究”的論文中，研究小組應用上述方法，在傳感器上對一個(gè)反義的Raf-1RNA寡聚核苷酸適配子成功進(jìn)行了生物素化和固定化的處理；這一寡聚核苷酸適配子準確地找到了它的目標靶點(diǎn)。
Hirao認為，這一由非天然堿基對組成的系統對于RNA技術(shù)將非常有用。如果這些非天然堿基對能和原核RNA聚合酶、真核RNA聚合酶一起發(fā)揮作用的話(huà)，這一系統的應用范圍將大大擴展，甚至可以應用到體內試驗。Hirao也計劃將這一系統的應用擴展到復制、轉錄和翻譯這些功能過(guò)程中。他說(shuō)：“如果那些包含非天然堿基對的DNA片段能通過(guò)PCR手段進(jìn)行擴增的話(huà)，這一系統作為工具進(jìn)行使用的前景將更為廣闊!”
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
