第2章 核酸的结构与功能

第二章核酸的结构与功能第二章核酸的结构与功能 学习要求学习要求 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 交的概念。 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 snRNA、snoRNA、scRNA 及 siRNA 的生物学作用；核 酸的一般理化性质。 基本知识点基本知识点 核酸是由核苷酸组成的，而核苷酸又是由碱基、戊糖和磷酸组成的。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脱氧核苷酸的排列顺序，即碱基序列。DNA 对遗传 信息的储存正是利用碱基排列方式变化而实现的。DNA 的二级结构是反向平行、右手螺旋 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、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 snRNA。mRNA 在胞质中是蛋白质生物合成的模板。成熟的 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 snRNA 表现出了种类、结构和功能的多样性，是基因表达调控中必不可少的 因子。 核酸同样具有在 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，是双链 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。 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。 自测练习题自测练习题 一、选择题一、选择题 （一）（一）A 型题型题 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 2DNA 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 CDNA 的双螺旋结构 D核糖与含氮碱基的连接键性质 EC、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 C3 ,5-磷酸二酯键 D1 ,3-磷酸二酯键 E2 ,5-磷酸二酯键 4核酸中稀有碱基含量最多的是 ArRNA BmRNA CtRNA DhnRNA EsnmRNA 5核酸的最大紫外光吸收值一般在 A280nm B260nm C240nm D200nm E220nm 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 7DNA 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 AA 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 AA260下降 B碱基对可形成共价键连接 C加入互补 RNA 链，再缓慢冷却，可形成 DNARNA 杂交分子 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 BH2A、H2B、H3、H4 各一分子 CH2A、H2B、H3、H4 各二分子 DH2A、H2B、H3、H4 各四分子 EH1 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 A10% B20% C30% D40% E.50% 13DNA 的核酸组成是 AATP、CTP、GTP、TTP BATP、CTP、GTP、UTP CdAMP、dCMP、dGMP、dTMP DdATP、dCTP、dGTP、dUTP EdATP、dCTP、 dGTP、dTTP 14正确解释核酸具有紫外吸收能力的是 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 5CAG3，那么与其相对应的 tRNA 反密码子是 AGUC BCUG CGTC DCTG E以上都不是 16自然界 DNA 以螺旋结构存在的主要方式 AA-DNA BB-DNA CE-DNA DZ-DNA E.以上都不是 17DNA 的解链温度是 AA260达到最大值时的温度 BA260达到最大值 50%时的温度 CA280达到最大值 50%时的温度 DDNA 开始解链时所需的温度 EDNA 完全解链时所需的温度 18DNA 的二级结构是 A-螺旋 B-折叠 C-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 BTC 环 CDHU 环 D反密码环 E额外环 20以 hnRNA 为前体的 RNA 是 AtRNA BrRNA CmRNA DsnRNA EsiRNA （二）（二）B 型题型题 A三叶草结构 B倒 L 形 C双螺旋结构 D-螺旋 EhnRNA 1tRNA 的三级结构是 2DNA 的二级结构是 3tRNA 的二级结构是 4成熟 mRNA 的前体 ArRNA BmRNA CtRNA DhnRNA EsnRNA 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 的剪接、转运 A范德华力 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 ATm 值低 BTm 值高 CTm 值范围广 DTm 范围狭窄 E不影响 13DNA 样品均一时 14DNA 样品不均一时 15DNA 样品中 G-C 含量高时 16DNA 样品中 A-T 含量高时 （三）（三）X 型题型题 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关于 RNA 与 DNA 的差别叙述正确的是 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 E嘧啶成为胸腺和尿嘧啶，而不是胞嘧啶 3DNA 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 BDNA 双螺旋中碱基对位于内侧 C二股多核苷酸链通过 A 与 T 和 G 与 C 之间的氢键连接 DDNA 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 EDNA 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 ArRNA BmRNA CtRNA DhnRNA EsnRNA 6真核生物核糖体中含有 A5.8SrRNA B28SrRNA C18SrRNA D5SrRNA E16SrRNA 7tRNA 的结构为 A三级结构呈倒 L 形 B二级结构呈三叶草形 C含稀有碱基多 D3末端有-CCA 结构 E含有 DHU 环 8下列哪些元素可用于生物样品中核酸含量的测定 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 BDNA 变性后产生增色效应 CDNA 变性是不可逆的过程 D在 Tm 时，DNA 分子有一半被解链 E变性后 OD260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 EDNA 中含有尿嘧啶 11与 DNA 对比，RNA 的特点包括 A分子较小，仅含几十-几千碱基 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 AA 位 BB 位 CP 位 DE 位 EC 位 二、是非题二、是非题 1DNA 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生物体的不同组织中的 DNA，其碱基组成也不同。 6核酸中的稀有碱基部分是在 tRNA 中发现的。 7DNA 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。 9DNA 的 Tm 值随（A+T）/（G+C）比值的增加而减少。 10B-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。 11DNA 复性（退火）一般在低于其 Tm 值约 20的温度下进行的。 12真核生物 mRNA 的 5末端的帽子结构是-m7GpppNm。 13生物体内，天然存在的 DNA 分子多为负超螺旋。 14mRNA 是细胞内种类最多、半衰期最短的 RNA。 15tRNA 的二级结构中没有反密码环。 16对于提纯的 DNA 样品，测得 OD260/OD2801.8，则说明样品中含有 RNA。 17基因表达的最终产物都是蛋白质。 18两个核酸样品 A 和 B，如果 A 的 OD260/OD280大于 B 的 OD260/OD280，那么 A 的纯 度大于 B 的纯度。 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、填空题三、填空题 1在典型的 DNA 右手螺旋结构中，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_ 、_ 、_ 。 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。 4DNA 主要存在于_ 并与_ 结合而形成染色体。 5Tm 值与 DNA 的_组成和含量有关，并与所含碱基中的 _含量成正比。 6DNA 双螺旋结构稳定的维系横向靠_维系，纵向则靠_ 维持。 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-磷酸二酯键。 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_ 、_ 、_ 、_ 、_ 等。 10真核细胞的 mRNA 帽子由_ 组成，其尾部由_ 组成，他们的 功能分别是帽子结构能_ ，polyA 对 mRNA 的_ 具有一定的影响。 11DNA 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_ ，他 们核糖上的_ 位羟基与_ 位磷酸-OH 脱水环化。 四、名词解释四、名词解释 1phosphodiester bonds 2complementary base pairing 3nucleosome 4DNA denaturation 5annealing 6hyperchromic effect 7renaturation 8melting temperature Tm 9核酸分子杂交 五、问答题五、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。 7DNA 热变性有何特点？Tm 值表示什么？ 参考答案参考答案 一、选择题一、选择题 （一）（一）A 型题型题 1C 2B 3C 4C 5B 6E 7D 8A 9B 10C 11C 12C 13C 14A 15B 16B 17B 18B 19D 20C （二）（二）B 型题型题 1B 2C 3A 4E 5C 6B 7A 8E 9A 10D 11C 12E 13D 14C 15B 16A （三）（三）X 型题型题 1BC 2ACD 3ACE 4ABCDE 5ABC 6ABCD 7ABCDE 8ABD 9ABD 10BD 11ABCD 12ACD 二、是非题二、是非题 1B 2B 3A 4B 5B 6A 7B 8B 9A 10A 11B 12A 13A 14A 15B 16B 17B 18A 19B 三、填空题三、填空题 1外侧、内侧 2碱基、戊糖、磷酸 33,5-磷酸二酯键、氢键 4细胞核；组蛋白 5碱基长短、GC 6碱基对间的氢键、碱基堆积力 7羟基、磷酸 8共轭双键、 紫外光 9样品的均一度、DNA 的浓度、DNA 片段大小、温度的影响、溶液离子强度 10m7GpppN、polyA、识别起始信号的一部分、稳定性 11单链、双链 12cAMP、cGMP、第二信使、3、5 四、名词解释四、名词解释 1磷酸二酯键，指在核酸中，一个核苷酸戊糖的 3-羟基与另一个核苷酸的 5-磷酸基缩 合脱水形成的键。 2碱基互补规律，指在形成双螺旋结构的过程中，由于各种碱基的大小与结构的不同， 使得互补多核苷酸链碱基之间的互补配对只能在 GC（或 CG）和 AT（或 TA）之 间进行的规律就称为碱基配对规律。 3核小体，是由 DNA 和组蛋白共同构成。DNA 双链盘绕在以组蛋白(各两分子的 H2A,H2B,H3,H4)为核心的结构表面构成核小体的核心颗粒，核心颗粒之间由 DNA 和 H1 结 合形成一个连接区连接而形成了核小体。 4DNA 的变性，指某些理化因素的影响导致 DNA 双链互补碱基对之间的氢键发生断 裂，使双链 DNA 解离为单链，这种现象称为 DNA 的变性 5退火，指热变性的 DNA 经缓慢冷却后可以恢复原来的双链结构的过程。 6增色效应指 DNA 在解链过程中，由于碱基对间的氢键断裂，共轭双键逐渐暴露， 使 DNA 在 260nm 处的吸光度随之增加的现象。简言之，指 DNA 变性时，A260增加的现象。 7复性，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。 8融解温度，指 DNA 在解链过程中 A260达到最大变化值的一半时所对应的温度，简 言之 50%DNA 解链的温度。 9核酸分子杂交，指在 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 单链之间形成的现象称为核酸分子杂交。 五、问答题五、问答题 1答：核酸完全水解后可得到碱基、戊糖、磷酸三种组分。DNA 和 RNA 共同的水解 产物是磷酸和嘌呤碱 A、G，嘧啶碱 C 。不同的产物是 DNA 水解得到的戊糖为脱氧核糖， 碱基除 A、G、C 外含有嘧啶碱基 T。RNA 水解得到的戊糖为核糖嘌呤碱基除 A、G、C 外 含有嘧啶碱基 U。 2答：（1）DNA 是反向平行、右手螺旋的双链结构：DNA 双螺旋的直径为 2.37nm， 螺距为 3.54nm；螺旋是以由脱氧核糖和磷酸组成的长链亲水骨架位于双螺旋结构的外侧， 并与螺旋轴平行。疏水的碱基位于螺旋的内侧，并与螺旋轴垂直。 （2）DNA 双链之间形成了互补碱基对。A 与 T 互补，G 与 C 互补。AT 之间 2 个氢 键，GC 之间 3 个氢键 （3）疏水作用力和氢键共同维持着 DNA 双螺旋的稳定。横向稳定的力主要是氢键， 纵向稳定的力主要是碱基堆积力即疏水作用力。 3答：mRNA 结构特点： 大部分真核细胞 mRNA 的 5末端含有 m7GpppN 帽子结构，3末端含有 polyA 尾，中间 为信息区；原核生物没有帽结构与尾结构；mRNA 的功能是蛋白质生物合成的直接模板。 tRNA 结构特点： 分子最小的 RNA；含较多稀有碱基；二级结构为三叶草结构；三级结构呈倒 L 型； tRNA 的功能是蛋白质合成时转运氨基酸的工具。 rRNA 结构特点： 单链 rRNA 局部碱基配对形成多个茎-环结构，如真核生物 18S rRNA 的二级结构呈麻花 状。真核生物有 4 种 rRNA，分别为 28S、18S、5.8S、5S。原核生物有 3 种 rRNA，分别为 23S、16S、5S。rRNA 的功能为与多种蛋白质结合形成核蛋白体（核糖体），后者为蛋白质 生物合成的装配机。 4答：（1）从分子组成上看：DNA 分子的戊糖为脱氧核糖，碱基为 A、T、G、C；RNA 分子的戊糖为核糖，碱基为 A、U、G、C。 （2）从结构上看：DNA 一级结构是由几千至几千万脱氧核糖核苷酸通过磷酸二酯键相 连，而形成的脱氧多核苷酸链，二级结构是双螺旋；RNA