引入
为什么 DNA 能储存遗传信息?
DNA 和 RNA 有什么区别?
核酸的结构和功能有什么关系?
核苷酸如何连接成核酸?
核酸是生物体内储存和传递遗传信息的生物大分子,包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。核酸由核苷酸单元连接而成,其序列决定了生物的遗传特性。
理解核酸,关键在于理解核苷酸的结构、核酸的双螺旋结构、碱基互补配对原则,以及核酸在遗传中的作用。
正文
定义
核酸是由核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的高分子化合物,是生物体内储存和传递遗传信息的物质。核酸主要包括**脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)**两大类。
核苷酸
结构
核苷酸是核酸的基本单位,由三部分组成:
组成:
- 磷酸
- **戊糖:**核糖(RNA)或脱氧核糖(DNA)
- 含氮碱基:
| 类型 | 碱基 | 存在 |
|---|---|---|
| 嘌呤碱 | 腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G) | DNA 和 RNA |
| 嘧啶碱 | 胞嘧啶(C) | DNA 和 RNA |
| 胸腺嘧啶(T) | 仅 DNA | |
| 尿嘧啶(U) | 仅 RNA |
核糖和脱氧核糖的区别:
- 核糖:
- 脱氧核糖:(比核糖少一个氧原子)
命名
**核苷:**戊糖 + 碱基
**核苷酸:**戊糖 + 碱基 + 磷酸
例如:
- 腺嘌呤脱氧核苷酸:磷酸 - 脱氧核糖 - 腺嘌呤
- 腺嘌呤核糖核苷酸:磷酸 - 核糖 - 腺嘌呤
DNA(脱氧核糖核酸)
组成
DNA 由脱氧核糖核苷酸组成,包含四种碱基:A、G、C、T。
结构
一级结构:
核苷酸通过磷酸二酯键连接成长链,磷酸和脱氧核糖交替排列形成骨架,碱基侧挂在骨架上。
二级结构(双螺旋结构):
1953 年,沃森和克里克提出 DNA 双螺旋结构模型:
- 两条脱氧核苷酸链反向平行
- 通过碱基间的氢键连接成双螺旋
- 碱基遵循互补配对原则:A 与 T 配对,G 与 C 配对
- 螺旋直径约 ,每圈包含 10 个碱基对
碱基互补配对原则:
(两个氢键)
(三个氢键)
这种配对方式保证了 DNA 复制的准确性。
功能
- 储存遗传信息(基因的本质是 DNA 片段)
- 通过复制将遗传信息传递给下一代
- 指导蛋白质合成
RNA(核糖核酸)
组成
RNA 由核糖核苷酸组成,包含四种碱基:A、G、C、U(用尿嘧啶 U 代替胸腺嘧啶 T)。
结构
- 通常为单链结构
- 链较短
- 可通过局部互补配对形成局部双链区域
分类
| 类型 | 全称 | 功能 |
|---|---|---|
| mRNA | 信使 RNA | 携带遗传信息,作为蛋白质合成的模板 |
| tRNA | 转运 RNA | 转运氨基酸到核糖体 |
| rRNA | 核糖体 RNA | 与蛋白质一起构成核糖体 |
功能
- 参与蛋白质合成
- 某些 RNA 具有催化作用(核酶)
- 基因表达调控
DNA 和 RNA 的对比
| 对比项 | DNA | RNA |
|---|---|---|
| 戊糖 | 脱氧核糖 | 核糖 |
| 碱基 | A、G、C、T | A、G、C、U |
| 链数 | 双链 | 单链(通常) |
| 分布 | 主要在细胞核 | 主要在细胞质 |
| 功能 | 储存遗传信息 | 参与蛋白质合成 |
| 稳定性 | 较稳定 | 较不稳定 |
核酸的性质
水解
核酸在酸、碱或酶的催化下能水解,最终生成磷酸、戊糖和含氮碱基。
变性
核酸受热或在极端 pH 条件下,双螺旋结构解开成单链,称为变性。
- 变性破坏氢键,但不破坏磷酸二酯键
- 缓慢冷却可复性(退火)
紫外吸收
核酸在 波长处有最大紫外吸收,可用于测定核酸浓度。
核酸与遗传
DNA 复制:
DNA 双链解开,每条链作为模板合成新链,遵循碱基互补配对原则,形成两个完全相同的 DNA 分子。
遗传信息传递:
这就是分子生物学的中心法则。
核苷酸的其他功能
除了构成核酸,核苷酸还有其他重要功能:
ATP(三磷酸腺苷):
- 结构:腺嘌呤 - 核糖 - 三个磷酸
- 功能:生物体内主要的能量货币,水解释放能量供生命活动使用
辅酶:
- NAD、NADP、FAD 等都含有核苷酸结构
- 参与生物体内的氧化还原反应
引出
为什么 DNA 采用双螺旋结构?
为什么碱基配对是 A-T 和 G-C,而不是其他组合?
如何通过实验提取和检测 DNA?
基因工程是如何利用核酸的性质进行操作的?