第2章 核酸的结构与功能

第2章 核酸的结构与功能

学习要求

1．掌握核酸的概念及其生物学意义、分子组成、结构与功能及其相互关系；RNA的种类及各自的功能，核酸酶的概念及作用；DNA变性、复性、增色效应、Tm、退火及分子杂交等概念。

2．熟悉核酸的理化性质及其应用；基因及基因组的概念。

3．了解DNA结构的多样性及snmRNAs的生物学作用；核酸的一般理化性质。

基本知识点

核酸是由核苷酸组成。核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸组成。碱基、戊糖和磷酸决定了核苷酸的种类，也影响着核苷酸的性质。核苷酸因碱基含有共轭双键而具有紫外吸收性质，最大紫外吸收峰在260nm。DNA和RNA都是由核苷酸经3',5'-磷酸二酯键连接而成的线性大分子。DNA由含有A、G、C、T的脱氧核糖核苷酸组成；而RNA由含有A、G、C、U的核糖核苷酸组成。

DNA的一级结构是脱氧多核苷酸链中脱氧核苷酸的排列顺序，即碱基序列。DNA对遗传信息的储存是利用碱基排列方式变化而实现。DNA的二级结构是反向平行、右手螺旋的互补双链。通过互补关系，DNA双链中的腺嘌呤与胸腺嘧啶形成两个氢键的碱基对；鸟嘌呤与胞嘧啶形成三个氢键的碱基对。具有双螺旋结构的DNA在细胞内还将进一步折叠成超螺旋结构，并且在组蛋白的参与下构成核小体，核小体进一步折叠成螺旋管、染色质纤维空管，最后组装成染色体。DNA的生物学功能是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板。

RNA分子大多是单链结构，但可以折叠形成局部的双螺旋区。细胞内的RNA主要是mRNA、tRNA和rRNA和snmRNAs。mRNA在胞质中是蛋白质生物合成的模板。真核生物的成熟mRNA含有5'-末端帽结构和3'-末端的多聚A尾结构，中间为信息区。mRNA分子上从5'的AUG开始每3个核苷酸为一组构成了一个密码子，决定了肽链上的一个氨基酸。tRNA在蛋白质生物合成中是作为各种氨基酸的运载体。tRNA分子中稀有碱基较多，二级结构是三叶草形，三级结构是倒L形。mRNA和tRNA通过密码子-反密码子的碱基互补关系相互识别。rRNA与核糖体蛋白构成核糖体，核糖体是蛋白质生物合成的场所。核糖体为mRNA、tRNA和肽链合成所需要的多种蛋白因子提供结合位点和相互作用所需要的空间环境。细胞内的snmRNAs表现出了种类、结构和功能的多样性，是转录后加工、转运以及基因表达调控中必不可少的因子。

核酸具有在260nm波长处紫外吸收特征，可利用这一性质对核酸进行定性和定量分析。由于核酸的种类和结构的不同，因而导致它们的沉降特征和密度特征不同。DNA的变性是它的一个很重要的性质。DNA的变性是指某些理化因素会导致DNA双链互补碱基之间的氢键发生断裂，使双链DNA解离为单链的现象。DNA变性后，许多性质发生了变化，包括它的生物学活性和紫外吸收性质。变性的DNA在一定条件下可以复性。DNA的复性是指当变性条件缓慢解除后，两条解离的互补链可重新配对，恢复原来双螺旋结构的现象。热变性的DNA经缓慢冷却后可以恢复原来的双链结构，这一过程称为退火。复性的速度与温度、离子强度、pH、DNA的大小和浓度有关。在DNA复性过程中，如果将不同种类的DNA单链或RNA放在同一溶液中，只要两条单链分子之间存在着碱基互补配对关系，它们就有可能形成杂化双链，这种杂化双链可以在不同的DNA单链之间形成也可以在RNA单链之间形成，还可以在DNA单链和RNA单链之间形成，这种现象称为核酸分子杂交。

生物体内含有种类很多、专一性不同的核酸酶。不同的核酸酶在不同的研究中有不同的应用。在从细胞中分离核酸时应特别注意使用核酸酶的抑制剂。

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自测练习题

一、选择题 （一）A型题

1．核酸的基本组成单位是

A．磷酸和核糖 B．核苷和碱基 C．单核苷酸 D．含氮碱基 E．脱氧核苷和碱基 2．DNA的一级结构是

A．各核苷酸中核苷与磷酸的连接键性质 B．多核苷酸中脱氧核苷酸的排列顺序 C．DNA的双螺旋结构 D．核糖与含氮碱基的连接键性质 E．C、A、U、G 4种核苷酸通过3′ ,5′-磷酸二酯键连接而成 3．在核酸中，核苷酸之间的连接键是

A．糖苷键 B．氢键 C．3′ ,5′-磷酸二酯键 D．1′ ,3′-磷酸二酯键 E．2′ ,5′-磷酸二酯键 4．核酸中稀有碱基含量最多的是

A．rRNA B．mRNA C．tRNA D．hnRNA E．snmRNA 5．核酸的最大紫外光吸收值一般在

A．280nm B．260nm C．240nm D．200nm E．220nm 6．有关核酸酶的叙述正确的是

A．由蛋白质和RNA构成 B．具有酶活性的核酸分子 C．由蛋白质和DNA构成的 D．专门水解核酸的核酸 E．专门水解核酸的酶 7．DNA与RNA彻底水解后的产物是

A．戊糖不同，碱基不同 B．戊糖相同，碱基不同 C．戊糖不同，碱基相同 D．戊糖不同，部分碱基不同 E．戊糖相同，碱基相同 8．关于DNA的二级结构，叙述错误的是

A．A和T之间形成三个氢键，G和C之间形成两个氢键 B．碱基位于双螺旋结构内侧 C．碱基对之间存在堆积力 D．两条链的走向相反 E．双螺旋结构表面有大沟和小沟 9．关于mRNA叙述正确的是

A．大多数真核生物的mRNA在5′末端是多聚腺苷酸结构 B．大多数真核生物的mRNA在5′末端是m7GpppN- C．只有原核生物的mRNA在3′末端有多聚腺苷酸结构 D．原核生物的mRNA在5′末端是m7GpppN- E．所有生物的mRNA分子中都含有稀有碱基 10．关于DNA热变性的描述正确的是

A．A260下降 B．碱基对可形成共价键连接 C．在一个相当窄的温度范围内完成 D．多核苷酸链裂解成寡核苷酸链 E．可见减色效应 11．核小体核心颗粒的蛋白质是

A．非组蛋白 B．H2A、H2B、H3、H4各一分子 C．H2A、H2B、H3、H4各二分子 D．H2A、H2B、H3、H4各四分子 E．H1组蛋白与140-145碱基对DNA 12．如果双链DNA的胸腺嘧啶含量为碱基总含量的20%，则鸟嘌呤含量应为 A．10% B．20% C．30% D．40% E.50% 13．DNA的核酸组成是

A．ATP、CTP、GTP、TTP B．ATP、CTP、GTP、UTP

C．dAMP、dCMP、dGMP、dTMP D．dATP、dCTP、dGTP、dUTP E．dATP、dCTP、 dGTP、dTTP

14．正确解释核酸具有紫外吸收能力的是

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A．嘌呤和嘧啶环中有共轭双键 B．嘌呤和嘧啶连接了核糖

C．嘌呤和嘧啶中含有氮原子 D．嘌呤和嘧啶连接了核糖和磷酸 E．嘌呤和嘧啶连接了磷酸基团

15．如果mRNA中的一个密码为5′CAG3′，那么与其相对应的tRNA反密码子是 A．GUC B．CUG C．GTC D．CTG E．IUG 16．自然界DNA以螺旋结构存在，其主要方式是

A．A-DNA B．B-DNA C．Z-DNA D．C+GC三链螺旋DNA E．多链螺旋DNA 17．DNA的解链温度是

A．DNA开始解链时所需的温度 B．△A260达到最大变化值50%时所对应的温度 C．A260达到最大值50%时所对应的温度 D．△A260达到最大变化值时所对应的温度 E．DNA完全解链时所需的温度 18．DNA的二级结构是

A．α-螺旋 B．β-折叠 C．β-转角 D．双螺旋 E．无规卷曲 19．决定tRNA携带氨基酸特异性的关键部位是

A．-CCA 3'末端 B．TψC环 C．DHU环 D．反密码环 E．额外环 20．以hnRNA为前体的RNA是

A．tRNA B．rRNA C．mRNA D．snRNA E．siRNA （二）B型题

A．三叶草结构 B．倒L形 C．双螺旋结构 D．α-螺旋 E．hnRNA 1．tRNA的三级结构是 2．DNA的二级结构是 3．tRNA的二级结构是 4．成熟mRNA的前体

A．rRNA B．mRNA C．tRNA D．hnRNA E．snmRNA 5．参与转运氨基酸 6．蛋白质合成的模板 7．核糖体的组成成分

8．参与RNA的加工与转运

A．疏水作用 B．磷酸二酯键 C．静电斥力 D．碱基共轭双键 E．氢键 9．碱基对之间的堆积力是

10．核酸分子吸收紫外光的键是 11．破坏双螺旋稳定力的键是 12．碱基对之间的键是

A．Tm值低 B．Tm值高 C．Tm值范围广 D．Tm值范围狭窄 E．Tm值不变 13．DNA样品均一时 14．DNA样品不均一时

15．DNA样品中GC含量高时 16．DNA样品中AT含量高时 （三）X型题

1．维持DNA二级结构稳定的力是

A．盐键 B．氢键 C．疏水性堆积力 D．二硫键 E．肽键 2．RNA不同于DNA的是

A．核苷酸中的戊糖成分不是脱氧核糖，而是核糖 B．核苷酸中的戊糖成分不是核糖，而是脱氧核糖

C．以单链为主，而非双螺旋结构 D．嘧啶成分为胞嘧啶和尿嘧啶，而不是胸腺嘧啶

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E．嘧啶成为胸腺和尿嘧啶，而不是胞嘧啶 3．DNA完全水解后的产物有

A．碱基ATCG B．碱基AUCG C．磷酸 D．核糖 E．脱氧核糖 4．关于DNA双螺旋结构模型的描述正确的有 A．腺嘌呤的分子数等于胸腺嘧啶的分子数

B．碱基对位于双螺旋结构内侧，磷酸戊糖构成的主链位于双螺旋结构外侧 C．反向平行的二条多核苷酸链通过A与T和G与C之间的氢键连接 D．双螺旋结构的稳定，横向依靠两条链互补碱基间的氢键维系 E．双螺旋结构的稳定，纵向依靠碱基平面的疏水性堆积力维系 5．直接参与蛋白质生物合成的RNA是

A．rRNA B．mRNA C．tRNA D．hnRNA E．snmRNA 6．真核生物核糖体中含有

A．5.8S rRNA B．28S rRNA C．18S rRNA D．5S rRNA E．16S rRNA 7．tRNA的结构为

A．三级结构呈倒L形 B．二级结构呈三叶草形 C．含多种稀有碱基 D．3'末端有CCA结构 E．含有DHU环 8．可用于生物样品中核酸含量测定的有

A．碱基 B．戊糖 C．氧 D．磷 E．氮 9．关于DNA变性的描述，正确的是

A．加热是使DNA变性的常用方法 B．DNA变性后产生增色效应 C．DNA变性是不可逆的过程 D．在Tm时，DNA分子有一半被解链 E．DNA变性后A260减小

10．关于DNA的碱基组成，正确的说法是

A．腺嘌呤与鸟嘌呤分子数相等，胞嘧啶与胸腺嘧啶分子数相等

B．不同种属DNA碱基组成比例不同 C．同一生物的不同器官DNA碱基组成不同 D．年龄增长但DNA碱基组成不变 E．DNA中含有尿嘧啶 11．与DNA对比，RNA的特点包括

A．分子较小，仅含数十至数千碱基 B．是含局部双链结构的单链分子

C．种类、大小及分子结构多样 D．功能多样性，主要是参与蛋白质的生物合成 E．二级结构是双螺旋结构

12．原核生物核糖体有三个重要的部位，他们分别是

A．A位 B．B位 C．P位 D．E位 E．C位 二、是非题

1．DNA是生物遗传物质，RNA则不是。 2．脱氧核糖核苷中的戊糖环3'位没有羟基。

3．通常不存在RNA中，也不存在DNA中的碱基是黄嘌呤。 4．核酸的紫外吸收与溶液的pH值无关。

5．生物体不同组织中的DNA，其碱基组成也不同。 6．核酸中，tRNA的稀有碱基种类最多。

7．DNA的Tm值和AT含量有关，AT含量高则Tm高。 8．真核生物mRNA的5'端有一个多聚A的结构。

9．DNA的Tm值随（A+T）/（G+C）比值的增加而减少。

10．B-DNA代表细胞内DNA的基本构象，在某些情况下，还会呈现A型、Z型和三股螺旋的局部构象。

11．DNA退火一般在低于其Tm值约20℃的温度下进行。

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12．大部分真核生物mRNA5'末端的帽子结构是m7GpppN。 13．生物体内，天然存在的闭合双链DNA分子多为负超螺旋。 14．mRNA是细胞内种类最多、半衰期最短的RNA。 15．tRNA的二级结构中没有反密码环。

16．测得DNA样品的A260/A280<1.8，则说明样品中含有RNA。 17．基因表达的最终产物都是蛋白质。

18．两个DNA样品，A260/A280大者则纯度高。

19．毫无例外，从结构基因中DNA序列可以推出相应的蛋白质序列。 三、填空题

1．在B-DNA结构中，由磷酸戊糖构成的主链位于双螺旋的_____，碱基位于双螺旋的_____。 2．核酸的组成成分有_____、_____和_____。

3．核酸分子中单核苷酸之间靠_____相连接，而互补的碱基之间靠_____相配对。 4．DNA主要存在于_____，并与_____结合而形成染色体。

5．Tm值与DNA的_____、_____组成和含量有关，并与所含碱基中的_____含量成正比。 6．DNA双螺旋结构稳定的维系横向靠_____维系，纵向则靠_____维系。

7．在多核苷酸链中脱氧核苷酸或核苷酸连接时总是由一个核苷酸戊糖的3'-_____与另一个核苷酸的5′-_____形成3′，5′-_____。

8．嘌呤和嘧啶环中均含有_____，因此对_____有较强吸收。

9．变性DNA 的复性与许多因素有关，包括_____、_____、_____、_____和_____等。 10．真核细胞的mRNA帽子由_____组成，其尾部由_____组成。 11．DNA在热变性之后，如果将溶液迅速冷却，则DNA保持_____状态；若使溶液缓慢冷却，则DNA重新形成_____结构。

12．常见的环化核苷酸有_____和_____，其作用是细胞信号转导过程中的_____，具有重要_____。 四、名词解释

1．phosphodiester bond 2．complementary base pair 3．nucleosome

4．DNA denaturation 5．annealing

6．hyperchromic effect 7．renaturation

8．melting temperature 9．hybridization 五、问答题

1．将核酸完全水解后可得到哪些组分？DNA和RNA的水解产物有何异同？ 2．简述双螺旋结构模型的要点。

3．简述mRNA、tRNA及rRNA的结构及功能特点。

4．试从分子组成、分子结构、功能和存在部位四方面阐述DNA和RNA的区别。 5．简述核小体的结构及功能。

6．简述核蛋白体的主要结构特点及生物学功能。 7．DNA热变性有何特点？Tm值表示什么？

参考答案

一、选择题

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