第二章  核酸的结构和功能（4学时）

教学大纲：

一、核酸的化学组成：掌握核苷酸的分类，基本组成成分及其相互间的连接方式，熟悉核苷酸的结构及命名。

二、核酸的一级结构：掌握DNA和RNA分子组成的区别、核酸的基本组成单位的连接方式、多核苷酸链的方向性及熟悉核酸的书写方式。

三、DNA的空间结构与功能：掌握DNA双螺旋结构特点、核酸一级结构的定义;了解DNA二级结构的多样性，掌握DNA的功能；熟悉原核及 真核生物DNA三级结构形式。

四、RNA的空间结构与功能：掌握RNA的种类及功能、真核mRNA的结构特点、熟悉核蛋白体的组成，tRNA的二级结构特点；了解tRNA三级结构的特点及rRNA的结构。

五、核酸的理化性质及其应用：掌握DNA变性、复性及分子杂交的定义、原理,了解其应用；掌握Tm及DNA的增色效应的概念。熟悉核酸的一般理化性质

六、核酸酶：了解核酸酶的定义、分类及应用。

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第二章  核酸的结构与功能

二、名词解释

1.nucleoside

2.nucleotide

3.3′,5′-phosphodiesterbond

4.DNA double helix

5.DNA superhelix

6.Hoogsteen氢键

7.nucleosome

8.open reading frame

9.DNA denaturation

10.hyperchromic effect

11.meltingcurve

12.renaturation

13.annealing

14.nucleicacid hybridization

答案：

1.核苷:是嘌呤或嘧啶通过共价键与戊糖连接组成的化合物。核糖与碱基一般都是由糖的异头碳(C-1′)与嘧啶的N-1或嘌呤的N-9之间形成的β-N-糖苷键连接。

2,核苷酸:核苷的戊糖成分中的羟基磷酸化形成的化合物。

3.3′,5′-磷酸二酯键:一个核苷酸C-3′原子上的羟基与另一个核苷酸C-5′原子的磷酸基团脱水缩合形成的共价键。

4.DNA双螺旋结构:构成DNA分子的两条多聚脱氧核糖核苷酸链在空间走向呈反向平行,围绕着一个螺旋轴形成的空间构象。

5.  DNA超螺旋结构:DNA双螺旋链再盘绕折叠所形成的结构。

6.Hoogsteen氢键:在酸性溶液中,胞嘧啶的N-3原子被质子化,可与鸟嘌呤N-7原子形成氢键,同时胞嘧啶的N-4氢原子也可与鸟嘌呤的O-6形成氢键,这种氢键被称为Hoogsteen氢键。

7.核小体:染色质的基本组成单位,它是由DNA和H1,H2A,H2B,H3和H4等5种组蛋白共同构成的

8.可读框:从mRNA的5′-端起始密码子AUG开始至3′-端终止密码子前的一段能编码并翻译出氨基酸序列的核苷酸序列(不含终止密码子)。它通常代表某个基因的编码序列。

9.DNA变性:在某些理化因素(温度、pH、离子强度等)作用下,DNA双链的互补碱基对之间的氢键断裂,使DNA双螺旋结构松散,成为单链的构象。

10.增色效应:变性后DNA溶液的紫外吸收作用增强的效应。

11.解链曲线:如果在连续加热DNA的过程中以温度对A260值作图,所得的曲线称为解链曲线。

12.复性:当变性条件缓慢除去后,两条解离的互补链可重新互补配对,恢复原来的双螺旋结构。这一现象称为复性。

13.退火:热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性,这一过程称为退火。

14.核酸杂交:如果将不同种类的DNA单链或RNA放在同一溶液中,只要两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基配对关系,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,甚至还可以在DNA单链和RNA单链之间形成。这种现象称为核酸分子杂交。

三、填空题

1.核酸分为      和      两大类,其基本结构单位为       核苷酸由         、         及         三部分组成。

答案：核糖核酸   脱氧核糖核酸  核苷酸  磷酸  戊糖  含氮碱基

2.DNA分子中的主要碱基有         、         、         和         所含戊糖为         。

RNA分子中的主要碱基有         、        、         和         所含戊糖为         。

DNA与RNA碱基组成的不同点是DNA不含         ,RNA不含         。

答案：A  G C  T脱氧核糖  A G  C  U  核糖  U  T

3.核苷由碱基和戊糖通过         键连接而成,核苷酸由核苷和磷酸通过         键连接而成,单核苷酸之间以         键连接。

答案：糖苷  磷酯  3′,5′-磷酸二酯

4.  RNA分子是由         、         、         、         为基本单位构成的。DNA分子是由         、         、        、         为基本单位构成的。

答案： AMP GMPCMP UMP dAMP dGMP dCMP dTMP

5.  写出下列化合物的英文缩写:尿苷一磷酸         。脱氧胸苷二磷酸       。

答案:UMP dTDP

6.  写出下列核苷酸符号的中文名称:ATP____，dCMP__。

答案：腺苷三磷酸；脱氧胞苷一磷酸；

7体内两种主要的环化核苷酸是         和         。

答案： cAMPcGMP

8.1953年由        和        提出的          DNA分子的结构模型,2条链之间碱基配对规律是         及         ，其中        碱基对形成3对氢键，       碱基对之间形成2对氢键。

答案：WatsonCrick  双股螺旋状  A-T G-C  A-T

9.  原核生物的RNA按其功能可分为         、         及         三种。

答案：mRNA tRNArRNA

10. DNA和RNA连接时总是由前一个核苷酸的       和下一个核苷酸的       形成3,5-磷酸二酯键。

答案：3′-OH  5′-磷酸基团

11. 戊糖的C-1′原子和嘌呤的         原子或嘧啶的        原子通过缩合反应形成了         。

答案：N-9  N-1  β-N-糖苷键

12. hnRNA含有许多外显子和         ，它们分别对应着基因的         和非编码序列。

答案：内含子  编码序列

13.核酸和蛋白质对紫外线的最大吸收峰分别为         nm和         nm.

引起二者吸收紫外光的物质分别是         和         。

答案：260  280  嘌呤碱、嘧啶碱  芳香族氨基酸

14.引起DNA变性的因素有      、         、         、         等。DNA变性后,刚性      、黏度     、紫外线的光吸收       、生物活性     。

答案：强酸  强碱  加热  有机溶剂  减弱  降低  升高  丧失

15.DNA可作为        的模板和         模板。

答案：复制  转录

16.在DNA中若A的含量为26%,则C的含量为      %,G的含量为         %,T的含量为      %。

答案：24  24  26

17.tRNA的三叶草形结构中,氨基酸臂的功能是         反密码子环的功能是          。

答案：携带氨基酸  读码

四、简答题

1.核酸分为几大类,各类化学组成特点是什么？

答：核酸分为DNA和RNA两大类。除均含磷酸基团外,DNA化学组成特点含脱氧核糖及四种碱基A、G、C、T;RNA化学组成特点含核糖及四种碱基A、G、C、U。

2.简述核酸一级结构特点。

答：在核酸分子中,核苷酸以其3′-羟基与下一个核苷酸的5′-磷酸基团连接,形成3′,5′-磷酸二酯键,所以核酸主链由磷酸基团与戊糖交替构成,碱基相当于侧链。主链亲水,戊糖的羟基可与水形成氢键,磷酸基在pH=7时完全电离,带负电荷。核酸链有方向性,5′-位没有连接核苷酸的一端为5′-末端,另一端为3′-末端。书写时默认从5′-端开始到3′-端结束,与DNA合成方向一致。

3.简述 Chargaff规律。

答：①DNA的碱基组成存在物种差界,没有组织差异,即不同物种，其DNA碱基组成不同,同一个体不同组织的DNA具有相同的碱基组成:②一个物种DNA的碱基组成不随年龄,营养和环境改变而改变;③不同物种DNA碱基组成均存在以下关系:A=T,G=C，A+G=T+C。

4.简述tRNA二级结构的基本特点。

答：所有的tRNA都具有三叶草形的二级结构。该结构中有四臂三环,即氨基酸臂、反密码子臂和反密码子环、TψC臂和TψC环、双氢尿嘧啶臂和双氢尿嘧啶环，其中氨基酸臂可以结合氨基酸;反密码子环中居中的3个核苷酸组成反密码子。大的tRNA还有第五臂,称额外臂。

5.简述rRNA的种类与分布

答：rRNA是细胞内含量最多的RNA,约占RNA总量的80%以上,主要分布在胞质,rRNA与蛋白质构成核糖体,核糖体由大、小亚基组成,参与蛋白质合成,起着“装配机”的作用。原核生物有3种rBNA,沉降系数分别为5S、16S、23S。核糖体小亚基含16SrRNA,大亚基含5S及23S rRNA。真核生物有4种rRNA,沉降系数分别为5S、5.8S、18S、28S。核糖体小亚基含rRNA,大亚基含5S、5.8S和28S 3种rRNA。

6.简述核小体的结构。

答：核小体由DNA组蛋白共同构成。组蛋白分子共有5种,分别称H1,H2A,H2B,H3和H4。两分子的H2A，H2B,H3和H4共同构成了核小体的核心,长度约146bp的DNA双链盘绕在这一核心上构成了核小体的核心颗粒。核心颗粒之间再由DNA(约5Obp)和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成核小体,是真核细胞染色质的基本结构单位。

7.简述DNA的Tm值与哪些因素有关。

答：Tm是50%DNA变性解链时的温度，又称为中点解链温度，或变性温度、熔解温度或熔点。每一种DNA都有自已的熔点,它与DNA的分子大小、碱基组成、溶液pH、离子强度有关。GC含量越高,其熔点越高,因为G-C可形成3对氢键,破坏所需能量多。小于20bp的寡核苷酸片段的Tm值可用公式Tm=4(G+C)+2(A+T)来估算。

五、论述题

1.试述DNA双螺旋模型的基本内容。

答：DNA双螺旋模型的基本内容有4条。①反向平行的互补双链:DNA分子由两条相互平行但走向相反的脱氧多聚核苷酸链组成,脱氧核糖和磷酸形成长链的基本骨架,位于双螺旋的外侧,碱基位于双螺旋的内侧。②右手螺旋：反向平行双链围绕同一中心轴盘绕成右手螺旋,螺距为3.54nm,直径为2.37nm。每个螺旋单元含有10.5个碱基对。螺旋轴穿过碱基平面,相邻碱基对沿轴旋转36°,上升0.34nm。③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,形成两对氢键;鸟嘌呤(G)始终与胞嘧啶(C)配对存在,形成三对氢键。碱基对平面几乎垂直于螺旋轴。④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。

2.试述mRNA在体内的分布、结构及生物学功能。

答：在生物体内,mRNA的丰度最小,占细胞RNA总量的2%~5%。但mRNA的种类最多,不同的蛋白质均有其mRNA模板,它们的大小也各不相同,完成使命即被降解。在所有的RNA中,mRNA的寿命最短,从几分钟到数小时不等。简言之,mRNA的特点是种类多、含量少、寿命短。真核生物mRNA有特殊的5′-末端的帽结构而原核生物mRNA没有这种结构。这种帽结构为7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷(m7Gppp),经鸟苷酰转移酶催化加到转录后的mRNA分子上,与mRNA中其他核苷酸呈相反方向,形成5′-5′的连接特征。5′-帽结构下游的第一、二个核苷酸中C-2′的羟基通常也会被甲基化,由此产生数种不同的帽结构。帽结构可以与一类称为帽结合蛋白(CBP)的分子结合。帽结构阻碍RNA的5′-外切酶的攻击作用,也是蛋白质合成起始因子识别的一种标志。真核生物mRNA的3′-末端有poly(A)尾结构,poly(A)尾由80~250个腺苷酸连接而成。目前认为poly(A)的作用可能是延长mRNA的半衰期,并引导真核mRNA向细胞质转移。许多原核生物mRNA也有poly(A),但所起作用正好相反,促进mRNA分解。多聚A尾结构在细胞内与poly(A)结合蛋白(PABP)结合,每10~20个腺苷酸结合一个PABP单体。真核细胞mRNA的3′-末端实际上是一个多聚A尾和蛋白质多聚体形成的复合物。目前认为这种3′多聚A尾结构和5′-帽结构共同负责mRNA从核内向细胞质的转运,维系mRNA的稳定性以及翻译起始的调控。从mRNA的5′-末端起的第一个AUG开始,每三个核苷酸为一组定义一个密码子。每一个密码子编码一个氨基酸，AUG被称为起始密码子。决定肽链合成终止的密码子(UAA、UAG、UGA)则称为终止密码子。起始密码子和终止密码子之间为编码区,两者之间的核苷酸序列称为可读框,决定多肽链的氨基酸序列。起始密码子到5′-末端与终止密码子到3′-末端分别是mRNA的5′-非编码区和3′-非编码区。生物体各种mRNA链的长短差别大,主要由其转录的模板DNA区段大小及转录后的剪切方式所决定。

真核生物的mRNA成熟过程是 hnRNA的剪接过程, hnRNA是成熟mRNA的前体,含有许多外显子和内含子,在mRNA成熟过程中,这些内含子被剪切掉,使得外显子连接在一起,形成成熟的mRNA。才能作为合成蛋白质的模板，并且真核生物的mRNA是单顺反子,真核生物基因表达的特点是先转录,后翻译。而原核生物的mRNA是多顺反子,转录时,基因是连续的,原核生物基因表达的特点是边转录边翻译。

3.试比较两类核酸(DNA和RNA)的化学组成、分子结构、细胞分布及生物学作

用的异同。

答：见下表。

DNA与RNA的比较

自从二十世纪五十年代核酸研究出现在科学领域之后，DNA一直是其中的重点。除了核糖体RNA（rRNA）和转移RNA（tRNA）等之外，RNA在很大程度上被认为仅是非常重要的DNA和它的蛋白产物之间的信使。确实，它被赋予了这个名字！
        美国斯坦福大学生化学家Julia Salzman说，“DNA被认为是这种信息流的顶端。但是这种观点正开始在学术界变得越来越受到质疑。”
        在过去几十年来，新的RNA研究领域在各个方面不断出现：每个方面都对这种有趣的分子产生令人吃惊的认识。与长链非编码RNA（lncRNA）、微RNA（microRNA, miRNA）、RNA干扰（RNAi）领域一起蓬勃发展的是，研究人员发现和探究了CRISPR RNA、增强子RNA（enhancer RNA）和最近发现的环状RNA（circular RNA, circRNA）。

        胞外RNA（Extracellular RNA, exRNA）：exRNA在细胞外迁移，辅助细胞通信。图片来自NIH Image Gallery；National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS)。

他注意到，正如反义RNA、miRNA和CRISPR RNA那样，“我想象一下，我们发现的关于RNA新机制和结构的许多认识允许我们构建出新的有价值的合成工具用于研究目的和改造目的。”

向导RNA（gRNA）：CRISPR相关蛋白Cas9（白色）结合到gRNA（橙色）和靶DNA（黄色）上。

美国加州理工学院生物学家Mitchell Guttman说，存在“普遍的身兼数职现象”。他补充道，即便可能在操作上对给定的一小部分RNA进行定义，但是就它们的潜在功能而言，“这仅是冰山之一角”，“这让我感到吃惊。”

       在纸面上，DNA和RNA的化学结构可能看起来有些相似，但是它们之间存在的重要差别让RNA具有无与伦比的功能多样性，包括RNA的单链性，它的自我折叠能力和它的2’羟基。Salzman说，“RNA能够自我复制，它能够作为酶发挥作用，而且明显的是，它能够编码蛋白。”

Guttman同意道，“它是多面手。”

Guttman补充道，到目前为止，追踪RNA的多种新类型和功能可能是一大挑战，但是作为一名创新性的研究员而言，每个RNA变异体提供一种新的可能性。

疑难问题：今天在课堂教学中，对tRNA进行知识拓展时，发现结构图中的tRNA中出现的其中一个环有含氮碱基胸腺嘧啶T，难道RNA中有胸腺嘧啶T？

查找资料，沈同主编的《生物化学》指出：某些tRNA中发现有极少量的胸腺嘧啶核糖核苷酸。另外，教材中还提到DNA主要有A、G、C、T四种碱基，RNA主要有A、G、C、U四种碱基，也就是说明核酸中应该还有一些稀有的碱基存在。稀有碱基种类极多，大多数都是甲基化的碱基。

主要的碱基结构式如下：

一些稀有碱基的结构式如下：

下面对tRNA作进一步的总结。

tRNA是蛋白质合成中的接合器分子。tRNA分子有100多种（并不是很多老师所谓的61种），各可携带一种氨基酸，将其转运到核蛋白体（核糖体）上，供蛋白质合成使用。tRNA是细胞内分子量最小的一类核酸，由70～120核苷酸构成，各种tRNA无论在一级结构上，还是在二、三级结构上均有一些共同特点。

tRNA中含有10%～20%的稀有碱基，如：甲基化的嘌呤mG、mA，双氢尿嘧啶（DHU）、次黄嘌呤等等。此外，tRNA内还含有一些稀有核苷，如：胸腺嘧啶核糖核苷，假尿嘧啶核苷（Ψ，pseudouridine）等。胸腺嘧啶一般存在于DNA中；在假尿嘧啶核苷中，不是通常嘧啶环中1位氮原子，而是嘧啶环中的5位碳原子与戊糖的1′位碳原子之间形成糖苷键。

tRNA分子内的核苷酸通过碱基互补配对形成多处局部双螺旋结构，未成双螺旋的区带构成所谓的环和襻。现发现的所有tRNA均可呈现出所谓的三叶草样二级结构。