生物化学 第2章 核酸的结构与功能.docx

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生物化学第2章核酸的结构与功能

第二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

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

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、G4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．rRNAB．mRNAC．tRNAD．hnRNAE．snmRNA

5．核酸的最大紫外光吸收值一般在

A．280nmB．260nmC．240nmD．200nmE．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．加入互补RNA链，再缓慢冷却，可形成DNA∶RNA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、TTPB．ATP、CTP、GTP、UTP

C．dAMP、dCMP、dGMP、dTMPD．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

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．GUCB．CUGC．GTCD．CTGE．以上都不是

16．自然界DNA以螺旋结构存在的主要方式

A．A-DNAB．B-DNAC．E-DNA

D．Z-DNAE.．以上都不是

17．DNA的解链温度是

A．A260达到最大值时的温度

B．A260达到最大值50%时的温度

C．A280达到最大值50%时的温度

D．DNA开始解链时所需的温度

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．-CCA3'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．tRNAB．rRNAC．mRNAD．snRNAE．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．rRNAB．mRNAC．tRNAD．hnRNAE．snRNA

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．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范围狭窄E．不影响

13．DNA样品均一时

14．DNA样品不均一时

15．DNA样品中G-C含量高时

16．DNA样品中A-T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．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

3．DNA完全水解后的产物有

A．碱基ATCGB．碱基AUCGC．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．DNA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

D．DNA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．DNA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．rRNAB．mRNAC．tRNAD．hnRNAE．snRNA

6．真核生物核糖体中含有

A．5.8SrRNAB．28SrRNAC．18SrRNA

D．5SrRNAE．16SrRNA

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．含稀有碱基多

D．3'末端有-CCA结构E．含有DHU环

8．下列哪些物质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．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

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

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。

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。

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．对于提纯的DNA样品，测得OD260/OD280<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。

18．两个核酸（DNA）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

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。

4．DNA主要存在于______并与______结合而形成染色体。

5．Tm值与DNA的______以及_____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。

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______，他们核糖上的______位羟基与______位磷酸-OH脱水环化。

四、名词解释

1．phosphodiesterbonds

2．complementarybasepairing

3．nucleosome

4．DNAdenaturation

5．annealing

6．hyperchromiceffect

7．renaturation

8．meltingtemperatureTm

9．核酸分子杂交

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

（一）A型题

1．C2．B3．C4．C5．B6．E7．D8．A9．B10．C

11．C12．C13．C14．A15．B16．B17．B18．B19．D20．C

（二）B型题

1．B2．C3．A4．E5．C6．B7．A8．E9．A10．D

11．C12．E13．D14．C15．B16．A

（三）X型题

1．BC2．ACD3．ACE4．ABCDE5．ABC6．ABCD

7．ABCDE8．ABD9．ABD10．BD11．ABCD12．ACD

二、是非题

1．B2．B3．A4．B5．B6．A7．B8．B9．A10．A

11．B12．A13．A14．A15．B16．B17．B18．A19．B

三、填空题

1．外侧、内侧

2．碱基、戊糖、磷酸3．3',5'-磷酸二酯键、氢键

4．细胞核；组蛋白

5．长短、碱基、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

10．m7GpppN、polyA、识别起始信号的一部分、稳定性

11．单链、双链

12．cAMP、cGMP、第二信使、3′、5′

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G…C（或C…G）和A…T（或T…A）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。

4．DNA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

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。

A–T之间2个氢键，G–C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18SrRNA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一级结构是由几十至几千个核糖核苷酸通过磷酸二酯键相连，而形成的多核苷酸链。

二级结构是以单链为主，也有少量局部双螺旋结构，进而形成发夹结构，tRNA的典型二级结构为三叶草结构。

三级结构是在二级结构基础上进一步卷曲折叠形成，如tRNA的三级结构呈倒L型。

（3）从功能方面看：

DNA为遗传的物质基础，含有大量的遗传信息，是遗传信息的储存和携带者。

RNA分为3种，mRNA是蛋白质生物合成的直接模板；tRNA的功能是蛋白质合成时转运氨基酸的工具；rRNA与蛋白质构成的核蛋白体是合成蛋白质的场所。

（4）从存在部位看：

DNA主要存在于细胞核的染色体，少量存在于线粒体。

RNA存在细胞核，细胞质和线粒体。

5．答：

核小体由DNA和组蛋白共同构成。

组蛋白分子有5种，分别为H1、H2A、H2B、H3和H4。

各2分子的H2A、H2B、H3和H4共同构成了核小体的核心，DNA双螺旋分子缠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和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成核小体，核小体是真核细胞染色质的基本结构单位。

核小体可进一步旋转折叠，形成螺旋管、染色质纤维空管，最终组装成染色体。

6．答：

核糖体由大亚基和小亚基组成，真核生物的大亚基由5S、5.8S、28S三种rRNA加上50多种蛋白质构成。

小亚基由18SrRNA及30多种蛋白质构成。

原核生物的大亚基由5S、23S三种rRNA加上31种蛋白质构成。

小亚基由16SrRNA及21种蛋白质构成。

核糖体在蛋白质生物合成中起“装配机”的作用，即作为蛋白质合成的场所。

7．答：

将DNA的稀盐溶液加热到70～100℃几分钟后，氢键断裂，双螺旋结构即发生破坏，两条链彼此分开，此过程为DNA的热变性，DNA热变性有两个特点：

变性温度范围很窄，260nm处的紫外吸收增加；Tm值代表核酸的解链温度（融解温度）。

DNA在解链过程中紫外吸光度的变化△A260达到最大变化值的一半时所对应的温度。

（张毅强）