生化习题

第二章 核酸的结构与功能

[教学目的与要求]

一、掌握核酸的分类；核酸一级结构的概念及连接键；DNA的碱基组成、DNA的双螺旋结构要点。

二、熟悉DNA的超螺旋结构、核小体的组成。

三、掌握RNA的分类、mRNA的结构特点、tRNA一级结构及二级结构的特点、rRNA的功能；DNA的变性、DNA的复性及分子杂交概念。

四、了解DNA双螺旋结构的多样性、其他小分子RNA及RNA组学。

[重点]

1.核酸的分类、核酸的构成单位是核苷酸及其组成。

2.核酸的一级结构的定义；DNA双螺旋结构特征及双螺旋结构稳定的化学键。

3.DNA在真核生物细胞核内的组装。

4.三种RNA的功能；真核生物mRNA的内含子、外显子、5’端“帽子”结构、3’端多聚腺苷酸“尾”等的概念和特点。

5.DNA的变性、复性、DNA的解链温度，增色效应、分子杂交的概念。

[难点]

核酸的结构（DNA的一级结构、空间结构，几种重要的RNA的结构特点）

[学时]：3学时

第二章 核酸的结构与功能

概 述

核酸是以核苷酸为基本组成单位的生物信息大分子。核酸可以分为脱氧核糖核酸和核糖核酸两大类。


第一节 核酸的化学组成及一级结构

核酸的基本组成单位是核苷酸，而核苷酸则由碱基、戊糖和磷酸三种成分连接而成。DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸，RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。

一、核苷酸的结构

（一）碱基的种类：构成核苷酸的五种碱基分别属于嘌呤和嘧啶两类含氮杂环化合物。DNA分子中的碱基成分为A、G、C和T四种；而RNA分子则主要由A、G、C和U四种碱基组成。

（二）戊糖与核苷：是核苷酸的另一重要成分。脱氧核糖核苷酸中的戊糖是b?D?2?脱氧核糖；核糖核苷酸中的戊糖为b?D?核糖。这一结构上的差异使得DNA分子较RNA分子在化学上更为稳定。碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键缩合形成核苷或脱氧核苷，连接位置是C?1?。

（三）核苷与磷酸通过酯键结合即构成核苷酸或脱氧核苷酸。生物体内多数核苷酸都是5?核苷酸，即磷酸基团位于核糖的第五位碳原子C?5?上。根据磷酸基团的数目不同，有核苷一磷酸（NMP）、核苷二磷酸（NDP）、核苷三磷酸（NTP）的命名方式；根据碱基成分的不同，有AMP、ADP、ATP等。

二、核酸的一级结构

(一)定义:核酸的一级结构是指DNA和RNA分子中核苷酸的排列顺序，也称核苷酸序列。由于核酸分子中不同核苷酸之间的差异仅在于碱基的不同，因此也称为碱基序列。

(二)连接方式: 磷酸二酯键。这些脱氧核苷酸或核苷酸的连接具有严格的方向性，由前一位核苷酸的3??OH与下一位核苷酸的5?位磷酸基之间形成3?, 5?磷酸二酯键

，从而构成一个没有分支的线性大分子（图2-4）。它们的两个末端分别称为5?末端（游离磷酸基）和3?末端（游离羟基）。书写规则应从5?末端到3?末端。

(三)DNA和RNA一级结构的差异：
RNA是生物体内另一大类核酸。它与DNA的差别是：① 组成它的核苷酸的戊糖不是脱氧核糖而是核糖；② RNA中的嘧啶成分为胞嘧啶和尿嘧啶，而不含有胸腺嘧啶，所以构成RNA的基本四种核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP，其中U代替了DNA中的T。

DNA和RNA对遗传信息的携带和传递，是依靠碱基排列顺序变化而实现的。

第二节 DNA的空间结构与功能

一、DNA的二级结构??双螺旋结构模型
（一）双螺旋结构的研究背景
1．碱基组成的Chargaff规则：①A=T，C=G；②不同种属的DNA碱基组成不同；③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。
2．DNA纤维的X线图谱分析显示DNA是螺旋型分子，且为双链分子。
3．Rosalind Franklin获得了高质量的DNA的X线衍射照片，显示出DNA是螺旋形分子，而且从密度上提示DNA是双链分子。1953年Watson和Crick总结前人的研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型。
（二）DNA双螺旋结构模型的要点
1． DNA是一反向平行的互补双链结构: DNA分子是由两条反向平行的脱氧多核苷酸链组成，一条链的走向是5′→3′，另一条链的走向是3′→5′。在DNA双链结构中，外侧是由亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成的骨架，内侧是碱基，两条链的碱基之间以氢键结合即A与T配对；C与G配对。两个配对的碱基结构几乎在一个平面上，并且此平面与线性分子的长轴相垂直。
2．DNA是右手螺旋结构 DNA线性长分子通过初始的折叠形成一个右手螺旋式结构，螺旋直径为2nm，螺旋一周包含了10对碱基，螺距为3.4nm。外观上，DNA双螺旋分子存在一个大沟和一个小沟，此沟状结构可能与蛋白质和DNA间的识别有关。

3．疏水力和氢键维系DNA双螺旋结构 的稳定 DNA双螺旋结构的稳定性横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，由以后者更为重要。

（三）DNA结构的多样性
不同的环境条件下，DNA的结构不同，自然界存在的DNA有：
B-DNA 右手螺旋（Watson-Crick模型结构）
Z-DNA 左手螺旋
A-DNA 右手螺旋
体内不同构象的DNA在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。

二、DNA的超螺旋结构及其在染色质中的组装

DNA是十分巨大的信息高分子，DNA的长度要求其必须形成紧密折叠扭转的方式才能够存在于很小的细胞核内。

（一）DNA的超螺旋结构

DNA双螺旋链再盘绕即形成超螺旋结构。盘绕方向与DNA双螺旋方同相同为正超螺旋；盘绕方向与DNA

双螺旋方向相反则为负超螺旋。

（二）原核生物DNA的高级结构

（三）DNA在真核生物细胞核内的组装

第三节 RNA的空间结构与功能

RNA在生命活动中同样具有重要作用。它和蛋白质共同负责基因的表达和表达过程的调控。

一、信使RNA的结构与功能

mRNA的长短差异很大，半期最短。

结构特点：
1． 5′端具有帽子结构： 大多数真核生物的mRNA在转录后5??末端以7-甲基鸟嘌呤-三磷酸鸟苷为起始结构，这种m7GpppN结构被称为帽结构。

2． 3′末端有poly A尾巴：真核生物mRNA3′末端有数十至一百多个腺苷酸连接而成，称为多聚A尾[poly(A)]。
3. mRNA的功能：是转录核内DNA遗传信息的碱基排列顺序，并携带至细胞质，指导蛋白质合成中的氨基酸排列顺序。mRNA分子从5??末端的AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上一个氨基酸，称为三联体密码或密码子。

二、转运RNA的结构与功能
细胞内分子量最小的一类核酸，由74到95个核苷酸构成。
1．结构特点 ：
（1）tRNA分子中含有10%?20%的稀有碱基如：双氢尿嘧啶、假尿嘧啶、甲基化的嘌呤

（2）tRNA能形成茎?环结构，由于这些茎环结构的存在，使得tRNA整个分子的形状类似于三叶草形。此结构称为三叶草结构。

（3）tRNA分子末端有氨基酸接纳茎。

（4）tRNA序列中有反密码子：每个tRNA分子中都有3个碱基与mRNA上编码相应氨基酸的密码子具有碱基反向互补关系，可以配对结合，这3个碱基被称为反密码子，位于反密码环内。

tRNA的三级结构： tRNA的共同三级结构是倒L型。

2.tRNA的功能：在蛋白质合成过程中作为氨基酸的载体并将其转呈给mRNA

三、核蛋白体RNA的结构与功能

核蛋白体RNA是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上。rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体或称为核糖体。原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小两个亚基组成。
原核生物的rRNA共有5S，16S，23S三种；而真核生物的rRNA有18S，5S，5.8S，28S四种，它们分别与蛋白质一起组成核蛋白体的大亚基和小亚基，然后由大小亚基共同构成核蛋白体完成其功能。真核生物的18S rRNA的二级结构成花状。
rRNA的功能: rRNA与核蛋白体蛋白共同构成核蛋白体,为蛋白质的合成提供场所。
四、其他小分子RNA及RNA组学

SnmRNAs主要包括核内小RNA、核仁小RNA、胞质小RNA、催化性小RNA、小片段干扰 RNA等。这些小RNA在hnRNA和rRNA的转录后加工、转运以及基因表达过程的调控等方面具有非常重要的生理作用
核酶：某些小RNA分子具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用。这种具有催化作用的小RNA亦被称为

核酶或催化性RNA。

小片段干扰 RNA：近年siRNA的研究受到了特别关注。siRNA是生物宿主对于外源侵入的基因所表达的双链RNA进行切割所产生的、具有特定长度（21个核苷酸）和序列的小片段RNA。它可以与外源基因表达的mRNA相结合，并诱发这些mRNA的降解。
第四节 核酸的理化性质

一、核酸的一般理化性质：
1．核酸是多元酸，有较强的酸性
2．DNA是线性高分子，机械作用下易发生断裂，而RNA分子远小于DNA
3．DNA粘度较大，而RNA的粘度要小得多
4．DNA和RNA溶液均具有260nm紫外吸收峰，因此可进行定量分析。

二、DNA的变性：
1．变性：在某些理化因素作用下，DNA分子互补碱基对之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，变成单链，即为DNA变性。DNA变性只改变其二级结构，不改变它的核苷酸排列。
变性的方法：强酸、强碱、加热以及变性试剂（如尿素、乙醇、丙酮等）
变性的本质：双链间氢键的断裂，即空间结构的破坏，不涉及一级结构的变化。
理化因素的变化：A260的值增加、粘度下降、比旋度下降、浮力密度升高、酸碱滴定曲线改变、生物活性丧失
2．增色效应：在DNA解链过程中，由于更多的共轭双键得以暴露，DNA在紫外区260 nm处的吸光值增加，并与解链程度有一定的比例关系，这种关系称为DNA的增色效应。

3．解链曲线：在连续加热DNA的过程中以温度对A260的关系作图，所得的曲线称为解链曲线。

从曲线中可以看出，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当窄的温度内完成的。在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度又称融解温度。
4．Tm值：核酸分子内的50%双链结构被解开时的温度
Tm值的大小与碱基中的G+C比例有关，G+C比例越高，Tm值越大。
计算公式为：Tm=4（G+C）+2(A+T)

三、DNA的复性与分子杂交
1．复性：变性的DNA分子在适当条件下,两条互补链可重新恢复天然的双螺旋构象,称为复性。DNA的复性速度受温度的影响，只有温度缓慢下降才可使其重新配对复性。一般认为，比Tm低25℃的温度是DNA复性的最佳条件。
2． 退火：热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,此过程称为退火。
3． 分子杂交：在DNA复性过程中，不同来源的DNA单链分子或者DNA和RNA分子之间，序列完全互补或者不完全互补的两个单链核酸分子之间能形成双链，这种现象称为分子杂交。

第五节 核酸酶

一、核酸酶是指所有可以水解核酸的酶。常用于DNA重组技术中。

二、分类：
1． 按作用的底物分：DNA酶和RNA酶
2． 按作用的部位分：
核酸外切酶：作用于多核苷酸链的5′末端或3′末端

核酸内切酶：作用于多核苷酸链的内部，如有严格的序列依赖性则称为限制性核酸内切酶