| 第二章 核 酸
一、知识要点
核酸分两大类：DNA和RNA。所有生物细胞都含有这两类核酸。但病毒不同，DNA病毒只含有DNA，RNA病毒只含RNA。
核酸的基本结构单位是核苷酸。核苷酸由一个含氮碱基（嘌呤或嘧啶），一个戊糖（核糖或脱氧核糖）和一个或几个磷酸组成。核酸是一种多聚核苷酸，核苷酸靠磷酸二酯键彼此连接在一起。核酸中还有少量的稀有碱基。RNA中的核苷酸残基含有核糖，其嘧啶碱基一般是尿嘧啶和胞嘧啶，而DNA中其核苷酸含有2′-脱氧核糖，其嘧啶碱基一般是胸腺嘧啶和胞嘧啶。在RNA和DNA中所含的嘌呤基本上都是鸟嘌呤和腺嘌呤。核苷酸在细胞内有许多重要功能：它们用于合成核酸以携带遗传信息；它们还是细胞中主要的化学能载体；是许多种酶的辅因子的结构成分，而且有些（如cAMP、cGMP）还是细胞的第二信使。
DNA的空间结构模型是在1953年由Watson和Crick两个人提出的。建立DNA空间结构模型的依据主要有两方面：一是由Chargaff发现的DNA中碱基的等价性，提示A=T、G≡C间碱基互补的可能性；二是DNA纤维的X-射线衍射分析资料，提示了双螺旋结构的可能性。DNA是由两条反向直线型多核苷酸组成的双螺旋分子。单链多核苷酸中两个核苷酸之间的唯一连键是3′,5′-磷酸二酯键。按Watson-Crick模型，DNA的结构特点有：两条反相平行的多核苷酸链围绕同一中心轴互绕；碱基位于结构的内侧，而亲水的糖磷酸主链位于螺旋的外侧，通过磷酸二酯键相连，形成核酸的骨架；碱基平面与轴垂直，糖环平面则与轴平行。两条链皆为右手螺旋；双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm，两核酸之间的夹角是36°，每对螺旋由10对碱基组成；碱基按A=T，G≡C配对互补，彼此以氢键相连系。维持DNA结构稳定的力量主要是碱基堆积力；双螺旋结构表面有两条螺形凹沟，一大一小。
DNA能够以几种不同的结构形式存在。从B型DNA转变而来的两种结构A型和Z型结构巳在结晶研究中得到证实。在顺序相同的情况下A型螺旋较B型更短，具有稍大的直径。DNA中的一些特殊顺序能引起DNA弯曲。带有同一条链自身互补的颠倒重复能形成发卡或十字架结构，以镜影排列的多嘧啶序列可以通过分子内折叠形成三股螺旋，被称为H -DNA的三链螺旋结构。由于它存在于基因调控区，因而有重要的生物学意义。
不同类型的RNA分子可自身回折形成发卡、局部双螺旋区，形成二级结构，并折叠产生三级结构，RNA与蛋白质复合物则是四级结构。tRNA的二级结构为三叶草形，三级结构为倒L形。mRNA则是把遗传信息从DNA转移到核糖体以进行蛋白质合成的载体。
核酸的糖苷键和磷酸二酯键可被酸、碱和酶水解，产生碱基、核苷、核苷酸和寡核苷酸。酸水解时，糖苷键比磷酸酯键易于水解；嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键易于水解；嘌呤碱与脱氧核糖的糖苷键最不稳定。RNA易被稀碱水解，产生2’-和3’-核苷酸，DNA对碱比较稳定。细胞内有各种核酸酶可以分解核酸。其中限制性内切酶是基因工程的重要工具酶。
核酸的碱基和磷酸基均能解离，因此核酸具有酸碱性。碱基杂环中的氮具有结合和释放质子的能力。核苷和核苷酸的碱基与游离碱基的解离性质相近，它们是兼性离子。
核酸的碱基具有共轭双键，因而有紫外吸收的性质。各种碱基、核苷和核苷酸的吸收光谱略有区别。核酸的紫外吸收峰在260nm附近，可用于测定核酸。根据260nm与280nm的吸收光度（A260）可判断核酸纯度。
变性作用是指核酸双螺旋结构被破坏，双链解开，但共价键并未断裂。引起变性的因素很多，升高温度、过酸、过碱、纯水以及加入变性剂等都能造成核酸变性。核酸变性时，物理化学性质将发生改变，表现出增色效应。热变性一半时的温度称为熔点或变性温度，以Tm来表示。DNA的G+C含量影响Tm值。由于G≡C比A＝T碱基对更稳定，因此富含G≡C的DNA比富含A＝T的DNA具有更高的熔解温度。根据经验公式xG+C =（Tm - 69.3）× 2.44可以由DNA的Tm值计算G+C含量，或由G+C含量计算Tm值。
变性DNA在适当条件下可以复性，物化性质得到恢复，具有减色效应。用不同来源的DNA进行退火，可得到杂交分子。也可以由DNA链与互补RNA链得到杂交分子。杂交的程度依赖于序列同源性。分子杂交是用于研究和分离特殊基因和RNA的重要分子生物学技术。
染色体中的DNA分子是细胞内最大的大分子。许多较小的DNA分子，如病毒DNA、质粒DNA、线粒体DNA和叶绿体[]NA也存在于细胞中。许多DNA分子，特别是细菌的染色体DNA和线粒体、叶绿体DNA是环形的。病毒和染色体DNA有一个共同的特点，就是它们比包装它们的病毒颗粒和细胞器要长得多，真核细胞所含的DNA要比细菌细胞多得多。
真核细胞染色质组织的基本单位是核小体，它由DNA和8个组蛋白分子构成的蛋白质核心颗粒组成。其中H2A，H2B，H3，H4各占两个分子，有一段DNA（约146bp）围绕着组蛋白核心形成左手性的线圈型超螺旋。细菌染色体也被高度折叠，压缩成拟核结构，但它们比真核细胞染色体更富动态和不规则，这反映了原核生物细胞周期短和极活跃的细胞代谢。
二、习 题
（一）名词解释
1．单核苷酸(mononucleotide)
2．磷酸二酯键（phosphodiester bonds）
3．不对称比率（dissymmetry ratio）
4．碱基互补规律(complementary base pairing)
5．反密码子（anticodon）
6．顺反子（cistron）
7．核酸的变性与复性（denaturation、renaturation）
8．退火（annealing）
9．增色效应（hyper chromic effect）
10．减色效应（hypo chromic effect）
11．噬菌体（phage）
12．发夹结构（hairpin structure）
13．DNA的熔解温度（melting temperature Tm）
14．分子杂交（molecular hybridization）
15．环化核苷酸(cyclic nucleotide)
（二）填空题
1．DNA双螺旋结构模型是______于______年提出的。
2．核酸的基本结构单位是______。
3．脱氧核糖核酸在糖环______位置不带羟基。
4．两类核酸在细胞中的分布不同，DNA主要位于______中，RNA主要位于______中。
5．核酸分子中的糖苷键均为______型糖苷键。糖环与碱基之间的连键为______键。核苷与核苷之间通过______键连接成多聚体。
6．核酸的特征元素______。
7．碱基与戊糖间是C-C连接的是______核苷。
8．DNA中的______嘧啶碱与RNA中的______嘧啶碱的氢键结合性质是相似的。
9．DNA中的______嘧啶碱与RNA中的______嘧啶碱的氢键结合性质是相似的。
10．DNA双螺旋的两股链的顺序是______关系。
11．给动物食用3H标记的______，可使DNA带有放射性，而RNA不带放射性。
12．B型DNA双螺旋的螺距为______，每匝螺旋有______对碱基，每对碱基的转角是______。
13．在DNA分子中，一般来说G-C含量高时，比重______，Tm（熔解温度）则______，分子比较稳定。
14．在______条件下，互补的单股核苷酸序列将缔结成双链分子。
15．______RNA分子指导蛋白质合成，______RNA分子用作蛋白质合成中活化氨基酸的载体。
16．DNA分子的沉降系数决定于______、______。
17．DNA变性后，紫外吸收______，粘度______、浮力密度______，生物活性将______。
18．因为核酸分子具有______、______，所以______nm处有吸收峰，可用紫外分光光度计测定。
19．双链DNA热变性后，或在pH2以下，或在pH12以上时，其OD260______，同样条件下，单链DNA的OD260______。
20．DNA样品的均一性愈高，其熔解过程的温度范围愈______。
21．DNA所在介质的离子强度越低，其熔解过程的温度范围愈______，熔解温度愈______，所以DNA应保存在较______浓度的盐溶液中，通常为______mol/L的NaCI溶液。
22．mRNA在细胞内的种类______，但只占RNA总量的______，它是以______为模板合成的，又是______合成的模板。
23．变性DNA 的复性与许多因素有关，包括______，______，______，______，______，等。
24．维持DNA双螺旋结构稳定的主要因素是______，其次，大量存在于DNA分子中的弱作用力如______，______和______也起一定作用。
25．mRNA的二级结构呈______形，三级结构呈______形，其3＇末端有一共同碱基序列______，其功能是______。
26．常见的环化核苷酸有______和______。其作用是______，他们核糖上的______位与______位磷酸-OH环化。
27．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______，_______。
28． 28．DNA在水溶解中热变性之后，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______。
（三）选择题
1．ATP分子中各组分的连接方式是
A．R-A-P-P-P B．A-R-P-P-P C．P-A-R-P-P D．P-R-A-P-P
2．hnRNA是下列哪种RNA的前体？
A．tRNA B．rRNA C．mRNA D．SnRNA
3．决定tRNA携带氨基酸特异性的关键部位是
A．–XCCA3`末端 B．TψC环 C．DHU环 D．额外环 E．反密码子环
4．根据Watson-Crick模型，求得每一微米DNA双螺旋含核苷酸对的平均数为
A．25400 B．2540 C．29411 D．2941 E．3505
5．构成多核苷酸链骨架的关键是
A．2′3′-磷酸二酯键 B． 2′4′-磷酸二酯键 C．2′5′-磷酸二酯键 D． 3′4′-磷酸二酯键 E．3′5′-磷酸二酯键
6．与片段TAGAp互补的片段为
A．AGATp B．ATCTp C．TCTAp D．UAUAp
7．含有稀有碱基比例较多的核酸是
A．胞核DNA B．线粒体DNA C．tRNA D． mRNA
8．真核细胞mRNA帽子结构最多见的是
A．m7APPPNmPNmP B． m7GPPPNmPNmP C．m7UPPPNmPNmP
D．m7CPPPNmPNmP E． m7TPPPNmPNmP
9． 9． DNA变性后理化性质有下述改变
A．对260nm紫外吸收减少 B．溶液粘度下降 C．磷酸二酯键断裂 D．核苷酸断裂
10．双链DNA的Tm较高是由于下列哪组核苷酸含量较高所致
A．A+G B．C+T C．A+T D．G+C E．A+C
11．密码子GψA，所识别的密码子是
A．CAU B．UGC C．CGU D．UAC E．都不对
12．真核生物mRNA的帽子结构中，m7G与多核苷酸链通过三个磷酸基连接，连接方式是
A．2′-5′ B．3′-5′ C．3′-3′ D．5′-5′ E．3′-3′
13．在pH3.5的缓冲液中带正电荷最多的是
A．AMP B．GMP C．CMP D．UMP
14．下列对于环核苷酸的叙述，哪一项是错误的？
A．cAMP与cGMP的生物学作用相反 B． 重要的环核苷酸有cAMP与cGMP
C．cAMP是一种第二信使 D．cAMP分子内有环化的磷酸二酯键
15．真核生物DNA缠绕在组蛋白上构成核小体，核小体含有的蛋白质是
A．H1、H2、 H3、H4各两分子 B．H1A、H1B、H2B、H2A各两分子
C．H2A、H2B、H3A、H3B各两分子 D．H2A、H2B、H3、H4各两分子
E．H2A、H2B、H4A、H4B各两分子
（四）是非判断题
（ ）1．DNA是生物遗传物质，RNA则不是。
（ ）2．脱氧核糖核苷中的糖环3’位没有羟基。
（ ）3．原核生物和真核生物的染色体均为DNA与组蛋白的复合体。
（ ）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．核酸中的修饰成分（也叫稀有成分）大部分是在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．用碱水解核酸时，可以得到2’和3’-核苷酸的混合物。
（ ）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、含量最丰富的RNA。
（ ）15．tRNA的二级结构中的额外环是tRNA分类的重要指标。
（ ）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。
（ ）20．真核生物成熟mRNA的两端均带有游离的3’-OH。
（五）简答题
1．将核酸完全水解后可得到哪些组分?DNA和RNA的水解产物有何不同？
2．计算下列各题：
（1）T7噬菌体DNA，其双螺旋链的相对分子质量为2.5×10-7。计算DNA链的长度（设核苷酸的平均相对分子质量为650）。
（2）相对分子质量为130×106的病毒DNA分子，每微米的质量是多少？
（3）编码88个核苷酸的tRNA的基因有多长？
（4）编码细胞色素C（104个氨基酸）的基因有多长（不考虑起始和终止序列）？
（5）编码相对分子质量为9.6万的蛋白质的mRNA，相对分子质量为多少（设每个氨基酸的平均相对分子量为120）？
3．对一双链DNA而言，若一条链中（A+G）/（T+C）= 0.7，则：
（1）互补链中（A+G）/（T+C）= ？
（2）在整个DNA分子中（A+G）/（T+C）= ？
（3）若一条链中（A+ T）/（G +C）= 0.7，则互补链中（A+ T）/（G +C）= ？
（4）在整个DNA分子中（A+ T）/（G +C）= ？
4．DNA热变性有何特点？Tm值表示什么？
5．在pH7.0，0.165mol/L NaCl条件下，测得某一DNA样品的Tm为89.3℃。求出四种碱基百分组成。
6．下列因素如何影响DNA的复性过程：（1）阳离子的存在；（2）低于Tm的温度；（2）高浓度的DNA链。
7．核酸分子中是通过什么键连接起来的？
8．DNA分子二级结构有哪些特点？
9．在稳定的DNA双螺旋中，哪两种力在维系分子立体结构方面起主要作用？
10．简述tRNA二级结构的组成特点及其每一部分的功能。
11．用1mol/L的KOH溶液水解核酸，两类核酸（DNA及RNA）的水解有何不同？
12．如何将分子量相同的单链DNA与单链RNA分开？
13．计算下列各核酸水溶液在pH7.0，通过1.0cm光径杯时的260nm处的A值（消光度）。
已知：AMP的摩尔消光系数A260 = 15400； GMP的摩尔消光系数A260 = 11700
CMP的摩尔消光系数A260 = 7500； UMP的摩尔消光系数A260 = 9900
dTMP的摩尔消光系数A260 = 9200
求：（1）32μmol/L AMP
（2）47.5μmol/L CMP
（3）6.0μmol/L UMP的消光度
（4）48μmol/L AMP和32μmol/L UMP混合物的A260消光度。
（5） A260 = 0.325的GMP溶液的摩尔浓度（以摩尔/升表示，溶液pH7.0）。
（6） A260 = 0.090的dTMP溶液的摩尔浓度（以摩尔/升表示，溶液pH7.0）。
14．如果人体有1014个细胞，每个体细胞的DNA量为6.4×109个碱基对。试计算人体DNA的总长度是多少？是太阳-地球之间距离（2.2×109公里）的多少倍？
15．指出在pH2.5、pH3.5、pH6、pH8、pH11.4时，四种核苷酸所带的电荷数（或所带电荷数多少的比较），并回答下列问题：
（1）电泳分离四种核苷酸时，缓冲液应取哪个pH值比较合适？此时它们是向哪一极移动？移动的快慢顺序如何？
（2）当要把上述四种核苷酸吸附于阴离子交换树脂柱上时，应调到什么pH值？
（3）如果用洗脱液对阴离子交换树脂上的四种核苷酸进行洗脱分离时，洗脱液应调到什么pH值？这四种核苷酸上的洗脱顺序如何？为什么？ | 
