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堿基
本詞條是多義詞，共3個義項
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)品類別 | 5種 |
| 作用 | 組成DNA |
| 主要成分 | 核酸、核苷、核苷酸 |
展開
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“含氮堿基”。
配對
修飾
合成
在醫(yī)學(xué)中，幾種核苷類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(jié)合。病人服用的核苷類似物進(jìn)入體內(nèi)被轉(zhuǎn)化為核苷酸而在細(xì)胞中被激活。
發(fā)現(xiàn)進(jìn)程
生物體中常見的堿基有5種，分別是腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（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，腺嘌呤和鳥嘌呤屬于嘌呤族（縮寫作R），它們具有雙環(huán)結(jié)構(gòu)。胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶屬于嘧啶族（Y），它們的環(huán)系是一個六元雜環(huán)。它們也被稱為主要或標(biāo)準(zhǔn)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5位甲基，這個甲基增大了遺傳的準(zhǔn)確性。堿基通過共價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(jié)合就形成核苷酸，磷酸基接在五碳糖的第5位碳原子上）。
種類簡述
結(jié)構(gòu)
堿基置換類型及缺失和插入突變示意圖
堿基通過共價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(jié)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(jì)80年代初，由這四種“經(jīng)典”DNA堿基組成的家族中迎來了第五名成員：甲基胞嘧啶（mC），其源于胞嘧啶。mC的出現(xiàn)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(jì)90年代后期，mC被廣泛看成是表觀遺傳機(jī)制的主要原因：它能夠根據(jù)每個組織的生理需要，打開或關(guān)閉基因。而且，隨著研究的進(jìn)一步深入，科學(xué)家們現(xiàn)在知道，作為一種重要的表觀遺傳修飾，mC參與基因表達(dá)調(diào)控、X-染色體失活、基因組印記、轉(zhuǎn)座子的長期沉默和癌癥的發(fā)生。
近日，西班牙科學(xué)家在最新出版的《細(xì)胞》雜志上撰文指出，或許存在著第六種堿基——甲基腺嘌呤（mA），其主要作用是確定表觀基因組的性質(zhì)，并因此在細(xì)胞的生命過程中發(fā)揮重要作用。
據(jù)每日科學(xué)網(wǎng)4日報道，西班牙Bellvitge生物醫(yī)學(xué)研究所表觀遺傳學(xué)和癌癥生物學(xué)計劃負(fù)責(zé)人、巴塞羅那大學(xué)遺傳學(xué)教授曼奈·埃特雷在《細(xì)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(rèn)為，這種堿基也幫助確定表觀基因組，并因此在細(xì)胞生命過程中發(fā)揮著重要作用。
埃特雷在論文中表示：“早在數(shù)年前，我們就知道，在我們生物學(xué)上的遠(yuǎn)親——細(xì)菌的基因組內(nèi)就存在mA，主要作用保護(hù)其免受其他生物體遺傳物質(zhì)的入侵，但當(dāng)時科學(xué)家們認(rèn)為，這一現(xiàn)象只出現(xiàn)在原始細(xì)胞內(nèi)。”
埃特雷繼續(xù)解釋說：“現(xiàn)在《細(xì)胞》雜志發(fā)表的三篇論文表明，藻類、蠕蟲以及蒼蠅都擁有mA，這些生物的細(xì)胞像人體細(xì)胞一樣都是真核細(xì)胞，說明人體細(xì)胞內(nèi)也可能擁有第六種堿基。研究表明，mA的主要功能是調(diào)控某些基因的表達(dá)，因此，構(gòu)成了一種新的表觀遺傳標(biāo)記。在我們所描述的這些基因組內(nèi)，mA的濃度都很低，但隨著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(xì)胞和發(fā)育初期發(fā)揮重要作用。”
種類
近幾年，有人將表觀遺傳學(xué)修飾——5-胞嘧啶甲基稱為第5種堿基，5-羥甲基胞嘧啶（5-hmC）稱為第6種堿基。在最新的研究成果中，研究人員發(fā)現(xiàn)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(gòu)現(xiàn)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(bǔ)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）、2，2-二甲基鳥嘌呤（m22G）和5，6-二氫尿嘧啶（DHU）等。
互補(bǔ)原則
堿基
腺嘌呤與胸腺嘧啶之間有兩個氫鍵，鳥嘌呤與胞嘧啶之間有三個氫鍵，即A=T,G≡C。根據(jù)堿基互補(bǔ)配對的原則，一條鏈上的A一定等于互補(bǔ)鏈上的T；一條鏈上的G一定等于互補(bǔ)鏈上的C，反之如此。
計算規(guī)律
規(guī)律二：在雙鏈DNA分子中，兩個互補(bǔ)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(guī)律三：DNA分子一條鏈中，兩個不互補(bǔ)配對的堿基之和的比值等于另一互補(bǔ)鏈中這一比值的倒數(shù)，即DNA分子一條鏈中的比值等于其互補(bǔ)鏈中這一比值的倒數(shù)。(A1+G1)/(T1+C1)=(T2+C2)/(A2+G2)。
規(guī)律四：在雙鏈DNA分子中，互補(bǔ)的兩個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(zhuǎn)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(guī)律五：不同生物的DNA分子中，其互補(bǔ)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）微觀領(lǐng)域———分子水平的復(fù)雜生理過程，學(xué)生沒有感性知識為基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)感到非常抽象。
（2）涉及到多種堿基互補(bǔ)配對關(guān)系，DNA分子內(nèi)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(xí)過程中，學(xué)生不易認(rèn)識清楚。
（3）涉及許多數(shù)量關(guān)系（規(guī)律），在DNA雙鏈中，①A等于T，G等于C，A+G/T+C等于A+G/T+C等1；②一條單鏈的A+G/T+C的值與另一條互補(bǔ)單鏈的A+G/T+C的值互為倒數(shù)。③一條單鏈的A+T/C+G的值，與另一條互補(bǔ)鏈的A+T/C+G的值相等；④在雙鏈DNA及其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄、翻譯是在不同場所進(jìn)行的，學(xué)生分析問題時難以把二者聯(lián)系起來。以上分析說明，關(guān)于堿基互補(bǔ)配對規(guī)律的計算既是教的一個難點(diǎn)，也是學(xué)的一個難點(diǎn)。教學(xué)中，如果能做到：①把復(fù)雜抽象的生理過程用簡單直觀的圖示表現(xiàn)出來；②把在不同場所進(jìn)行的生理過程放在一起思考；③把記憶復(fù)雜繁瑣的公式（規(guī)律）轉(zhuǎn)變成觀察圖示找出數(shù)量關(guān)系；④在計算時把表示數(shù)的符號注上腳標(biāo)，以免混淆，就能輕輕松松闖過這一難關(guān)。
醫(yī)學(xué)應(yīng)用
堿基
泰姆普斯教授表示，DNA通過其復(fù)雜的雙螺旋結(jié)構(gòu)達(dá)成其高度的光穩(wěn)定性。在單股DNA鏈中，堿基之間的相互作用是一個堆疊在另一個之上，而且在雙螺旋中，兩個互補(bǔ)單股的堿基對之間的氫鍵發(fā)揮了關(guān)鍵作用。通過觀察到的不同交互作用，DNA在某種程度上自己達(dá)成了“太陽防護(hù)”。論文作者尼娜·施瓦爾博在合成DNA分子中的過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的特征能量。她發(fā)現(xiàn)，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，時間可長達(dá)數(shù)千倍。
對于該研究結(jié)果，尼娜評論道：“我們研究了光物理特性，發(fā)現(xiàn)不同的堿基組合具有廣泛的熒光發(fā)射壽命差異，這將導(dǎo)致開發(fā)出一種利用激光直接識別某些遺傳序列的新診斷方法，而無須像現(xiàn)有方法那樣以染料標(biāo)記DNA。”
泰姆普斯解釋說，在納米電子學(xué)領(lǐng)域中，合成DNA已被證明能當(dāng)作“納米線”使用。基于這些分子不同的反應(yīng)時間，有朝一日或許能使用激光脈沖來“開關(guān)”特定分子。在某些情況下，甚至有可能用DNA制造出通過氫鍵的鍵合來工作的晶體管。
發(fā)展前景
涉及到RNA的試驗(yàn)，經(jīng)常會要求對RNA分子進(jìn)行固定化處理，這個過程通常由生物素進(jìn)行標(biāo)記，并輔以抗生物素蛋白作為支持物。人們可以將UMP、CMP之類的生物素化核苷酸單磷酸鹽整合到RNA之中去，或者通過在轉(zhuǎn)錄反應(yīng)中使用核苷酸單磷酸鹽5'端衍生物類生物素，從而達(dá)到僅僅對RNA的5'端進(jìn)行標(biāo)注的目的。當(dāng)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。目前最簡單的方法，就是在轉(zhuǎn)錄過程中對標(biāo)記過程進(jìn)行整合；但對于一些試驗(yàn)來說，對RNA進(jìn)行特定位點(diǎn)的標(biāo)記，比起對5'端進(jìn)行標(biāo)記或者為避免改變RNA的功能而僅僅使用單個標(biāo)記物來說，似乎更為重要。
為達(dá)到上述目標(biāo)，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DNA模板之中去；接著，在一個標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)錄反應(yīng)中，已經(jīng)被生物素化的2-氧-(1H)吡啶(y)在s補(bǔ)足位點(diǎn)被整合到了RNA轉(zhuǎn)錄過程中。這一方法很容易被一般性的試驗(yàn)室掌握，也可以通過引入T7RNA聚合酶的方式作為商業(yè)性的轉(zhuǎn)錄工具包加以應(yīng)用。Hirao說：“除了那些包括像s和y或修飾性y底物這類非天然堿基的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(yīng)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(yīng)用上述方法，在傳感器上對一個反義的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(zhǔn)確地找到了它的目標(biāo)靶點(diǎn)。
Hirao認(rèn)為，這一由非天然堿基對組成的系統(tǒng)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，這一系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將大大擴(kuò)展，甚至可以應(yīng)用到體內(nèi)試驗(yàn)。Hirao也計劃將這一系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展到復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯這些功能過程中。他說：“如果那些包含非天然堿基對的DNA片段能通過PCR手段進(jìn)行擴(kuò)增的話，這一系統(tǒng)作為工具進(jìn)行使用的前景將更為廣闊!”
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作者
