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第三章 核酸的结构与功能
一、教学基本要求
复述核酸的分类、细胞分布，各类核酸的功能及生物学意义。
记住核酸元素组成特点。结合碱基、核苷和核苷酸的化学结构，熟记它们的中文名称及相应的缩写符号。列举两类核酸（DNA与RNA）分子组成异同。牢记体内重要的环化核苷酸。
牢记单核苷酸之间的连接方式。描述DNA的一级结构、二级结构要点及碱基配对规律。简述tRNA二级结构特点。在熟记二级结构基础上，知道核酸还有更高级结构形式存在。
熟记核酸的性质及相关的重要概念，准确叙述DNA(热）变性、复性及分子杂交的概念。 写出核酸序列分析的方法名称。
二、教学内容精要
（一）概述
核酸是生物体遗传的物质基础。核酸可分为两类：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。 DNA主要存在于细胞核中，是遗传信息的贮存和携带者。RNA主要分布于细胞质中，其主要功能是参与遗传信息的表达。
（二）核酸的化学组成 1.元素组成
核酸的主要元素组成有碳(C)、氢（H）、氧（O）、氨(N)、磷(P)。与蛋白质比较，核酸的元素组成中一般不含硫(s)，而磷（P)的含量较为稳定，占9％一11％。 2.基本构成单位
核酸的基本构成单位是核苷酸（nucleotide）。组成DNA的核苷酸称脱氧核糖核苷酸（dNMP），组成RNA的核苷酸称核糖核苷酸（NMP）。 核苷酸的组成：核苷酸由含氮碱基、戊糖和磷酸组成。其中，戊糖包括核糖和脱氧核糖。碱基共有五种：腺嗦吟（A）、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶（C)、鸟嘌呤(G)及尿嘧啶（U)。DNA与RNA的组成差异主要表现在戊糖及碱基成分，如表2-1。 表2-1核苷酸的组成
【记忆方法】可采用联想记忆法记忆核苷酸的三种组成成分。“酸”磷酸、“甜”戊糖、“苦”碱基，“三味一体”核苷酸。核苷酸的其他形式：核苷二磷酸（NDP），核苷三磷酸（NTP），环化核苷酸（cANIP、cGMP等）。核苷酸的功能：参见“核苷酸代谢”。
（三）DNA的分子结构
1.一级结构（primary structure）
DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列顺序及连接方式。核苷酸的排列顺序代表了遗传信息。
核苷酸的连接方式：多核苷酸链是核酸的基本结构形式。它是由四种核苷酸通过3′，5′磷酸二酯键连接而成的线性大分子。多核苷酸链具有两个游离末端，一端称为5'末端，其核苷酸残基中戊糖的5'位带有游离的磷酸基团。另一端称为3′末端，其核苷酸残基带有游离的3'羟基。表示一条核酸链的核苷酸序列时，一般按照5'端至3’端的方向表示（由左至右）。
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2.二级结构
DNA的二级结构为双螺旋结构（double helix）。 碱基组成规则（Chargaff规则）：DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶的含量相等（A＝T），鸟嗦吟与胞嘧啶的含量相等（G= C)；嘌呤与嘧啶的总数相等（A＋G= T＋C)。 Watson-Crick双螺旋结构模型（B-DNA）：
(1)反平行双链：DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多核苷酸链组成，脱氧核糖和磷酸形成长链的基本骨架，位于外侧；碱基位于内侧。
(2)碱基互补配对：两条链通过碱基之间形成的氢键相连。腺嘌呤（A）始终与胸腺嘧啶（T）配对存在，形成两个氢键；鸟嘌呤(G)始终与胞嘧啶(C)配对存在，形成三个氢键，碱基对平面几乎垂直螺旋轴。
(3)右手双螺旋：反平行双链围绕同一中心轴盘绕成右手螺旋，螺距为3. 4 nm,直径为2. 0 nm。每个螺旋单元含有10个碱基对（bp)。螺旋轴穿过碱基平面，相邻碱基对沿轴旋转36°，上升0.34nm。
(4)表面功能区：螺旋的表面形成两道凹槽，一条较浅，叫小沟；一条较深，叫大沟。大沟是蛋白质识别DNA碱基序列的基础。
(5)维持双螺旋结构稳定的力量：碱基对之间的氢键维持双螺旋结构横向稳定，碱基平面间的疏水性堆积力维持纵向稳定。
【记忆方法】双股链，反平行，右手盘绕双螺旋；磷酸核糖作骨架，碱基填充在里边；AT对，GC对，垂直纵轴堆成堆；螺距3.4nm，10对碱基绕一圈，小沟大沟在表面。纵向堆积力，横向氢键维系。
其他螺旋形式：Z-DNA（左手双螺旋），A -DNA等。 3.三级结构
DNA三级结构的主要形式是超螺旋（supercoil）。它是一种以DNA双螺旋为骨架，围绕同一中心轴形成的螺旋结构，是在DNA双螺旋基础上的进一步螺旋化。生物体中最常见的超螺旋为负超螺旋，其超螺旋方向与双螺旋方向相反，即左手超螺旋。在真核生物中，超螺旋
盘绕在组蛋白聚合体的表面，形成核小体（micleosome）结构，这是染色质的基本结构单位 （四）RNA的结构和功能
RNA的结构一般以单链形式存在，单链内存在一些能够互补配对的核苷酸区域，形成局部双螺旋结构。碱基配对发生在鸟嘌呤（G)与胞嘧啶（C)之间，形成三个氢键；腺嘌呤(A)与尿嘧啶（U)配对，形成两个氢键。这些局部配对的碱基双链构成茎状，中间不能配对的部分则突出形成环状，这种结构成为茎环样（stern loop）结构或发夹结构。细胞内主要含有的RNA种类及功能见下表2-20
表2-2细胞内主要RNA种类及功能
1．真核生物成熟mRNA的结构
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参见“蛋白质生物合成”。 2.tRNA的结构
（1)分子较小，含有较多的稀有碱基（rare bases)和非标准碱基配对。稀有碱基是指A,G,C,U之外的其他喊基。
(2)5’端一般为鸟嘌呤核苷酸，3'端为CCA-OH3' 。
(3)二级结构为“三叶草”型（cloverleaf pattern)：tRNA结构中含有“三环”（二氢尿嘧啶环、反密码子环、TφC环）、“一柄”（氨基酸臂）。“三环”构成“三叶草”的叶片，氨基酸臂构成“叶柄”。其中，反密码环中部的三个碱基可以与mRNA的三联体密码形成碱基互补配对，解读遗传密码，称为反密码子(anticodon) 。次黄嘌呤（I）常出现于反密码子中。氨基酸臂3'末端的CCA-OH3'单链用于连接该tRNA转运的氨基酸。
(4)“倒L”型三级结构：tRNA的三级结构均呈倒L字母形，其中反密码环和氨基酸臂分别位于倒L的两端。 3．rRNA的结构
①rRNA是细胞中含量最多的RNA。②有半数以上的碱基可配对形成链内局部双螺旋。③分子内除标准碱基配对外还存在G-U和G-A非标准碱基配对。④rRNA一般与特定的蛋白质结合形成核蛋白体，参与蛋白质的生物合成。真核生物中的rRNA包括28 S、5.8 S，5S和18 S rRNA。原核生物中的rRNA有23 S、5 S和16 S rRNA。 （五）核酸的性质
1.紫外吸收：核酸溶液在260nm波长处具有最大光吸收。
2.高分子性质：核酸属生物大分子，具有大分子的一般特性，如：核酸沉淀、超离心等。核酸分子大小表示法：除用分子量道尔顿（D)表示核酸分子的大小外，常用的表示方法还有碱基对数目（bp）及离心沉降常数（S)。 3.变性、复性和杂交 DNA变性（DNA denaturation) DNA变性是指在理化因素作用下，DNA分子中的氢键断裂，碱基堆积力遭到破坏，双螺旋结构解体，双链分开形成单链的过程。变性后DNA溶液的黏度降低，浮力密度增加，旋光偏振光改变，紫外吸收增加。但变性后的DNA一级结构没有改变。 高色效应（hyperochromic effect）：DNA变性后，在260 nm处的紫外吸收增高，称为高色效应或增色效应。
融解温度（melting temperature, Tm）：DNA热变性过程中，紫外吸收达到最大值的一半时溶液的温度称为融解温度（TM）或解链温度、变性温度。TM与碱基组成,DNA长度及变性条件有关。GC含量越高,TM越大；DNA越长，TM越大；溶液离子强度增高，TM值增加。 复性（renaturation）：变性分开的单链分子按照碱基互补配对原则重新形成双链并恢复双螺旋结构的过程称为复性或退火（annealing）。 核酸分子杂交（hybridization）：不同来源的核酸变性以后，合并在一起，只要这些核酸分子含有可以形成碱基互补配对的序列就可以形成部分双链。由不同来源的核酸单链形成杂化双链的过程称为核酸分子杂交。杂交技术已广泛应用子基因克隆筛选、酶切图谱制作、特定基因序列的定量和定性、突变分析、疾病诊断等。 （六）核酸酶（nucleases)
核酸酶是指所有可以水解核酸的酶的统称。其主要功能是参与食物的核酸消化及细胞内核酸降解等。
核酸酶的分类：按催化作用物分类，核酸酶可分为核糖核酸酶（RNase）和脱氧核糖核酸酶(DNase)。DNase只能降解DNA; RNase只能降解RNA.按催化部位分类，核酸酶可分为外切核酸酶和内切核酸酶。外切酶从核酸的末端开始降解核酸；内切酶则在核酸链的内部切断核酸。
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限制性核酸内切酶（restriction endonucleases）：限制性核酸内切酶是指能够识别DNA分子的特定核苷酸序列，并在识别位点或其周围断开DNA双链的一类核酸酶。限制性核酸内切酶常用于基因工程。
（七）核酸的核苷酸序列测定 (1) DNA核苷酸序列测定的方法有：化学裂解法,DNA合成终止法（双脱氧DNA链合成终止法）。 (2)RNA核苷酸序列测定的方法有：核酸酶切法。
三、典型试题分析
1.下列几种DNA分子的碱基组成比例不同，哪一种DNA的TM值最低（1999年生化试题） A. DNA中A-T占15% B. DNA中G-C占25% C. DNA中G-C占40% D. DNA中A-T占80% E. DNA中G-C占55％ 【答案】D
【评析】本题考点：二DNA变性。
Tm与DNA的碱基组成,DNA长度及变性条件有关。GC含量越高，Tm越大；DNA越长，Tm越大；溶液离子强度增高,TM值增加。由于组成DNA分子的碱基主要有A、G、C、T四种，且A=T，G＝C，AT含量高则GC含量低，GC含量高则AT含量低。 2.核酸的各基本单位之间的主要连接键是（2000年生化试题）
A.二硫键 B.糖苷键 C.磷酸二酯键 D.肽键 E.氢键 【答案】C
【评析】本题考点：核酸的一级结构。
核酸的基本结构单位是核苷酸，核苷酸通过磷酸二酯键连接而成多聚核苷酸链。多聚核苷酸链是核酸的基本结构形式。 3.DNA的二级结构是
A. α-螺旋 B.β-片层 C. β-转角 D.超螺旋结构 E.双螺旋 【答案】E
【评析】本题考点：DNA的二级结构。
DNA的基本结构形式是多聚脱氧核糖核苷酸链。两条反平行的多聚脱氧核糖核苷酸链围绕同一中心轴形成双螺旋外形的二级结构。DNA的双螺旋结构有多种形式，其中右手双螺旋结构是DNA的主要二级结构形式。 4．DNA的热变性特征是
A.碱基间的磷酸二酯键断裂 B.一种三股螺旋的形成 C.黏度增高 D.融解温度因G-C对的含量而异 E.在260 nm处的光吸收降低 【答案】 D
【评析】本题考点：DNA变性。
DNA变性时，碱基对间的氢键断裂，双链分开形成单链，但连接多核苷酸链的磷酸二酯键并不断裂。变性后DNA溶液的黏度降低，浮力密度增加，旋光偏振光改变，在260nm波长处的紫外吸收增加。变性后的单链可以和其他来源的互补核酸链（如：互补RNA）在退火条件下形成杂合双螺旋结构，但不会形成三股螺旋。由于G-C对之间可以形成三对氢键，A-T对之间只有两对氢键，因此G-C对含量越高，DNA的双螺旋结构越稳定，变性时的融解温度越高。
5.下列关于DNA碱基组成的叙述，正确的是
A.不同生物来源的DNA碱基组成不同 B.同一生物不同组织的DNA碱基组成不同 C.生物体碱基组成随着年龄变化而改变 D. A和C含量相等 E．A＋T＝G十C 【答案】A
【评析】本题考点：DNA的碱基组成规律。
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