脱氧核苷酸中含有的碱基

核酸的基本组成单位是核苷酸,每个核苷酸分子由一分子含氮碱基、一分子戊糖和一分子磷酸组成(图2-1)。组成核酸的戊糖分为核糖和脱氧核糖2类。

根据核酸中所含戊糖的种类不同,将核酸分成脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)2类。

图2-1　核苷酸的分子结构

(一)DNA的结构与功能

1.DNA的分子结构　DNA的基本组成单位是脱氧核苷酸,每个脱氧核苷酸由一分子含氮碱基、一分子脱氧核糖和一分子磷酸组成。含氮碱基分为嘌呤碱和嘧啶碱,嘌呤碱有腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G),嘧啶碱有胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。组成DNA的核苷酸有以下4种:腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP)、鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP)、胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP)和胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP)。一个DNA分子是由几千到几千万个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键聚合而成的生物大分子。

1953年,美国生物学家沃森和英国物理学家克里克提出了DNA分子的双螺旋结构模型,阐明了DNA的空间结构(图2-2)。该模型主要内容如下:①DNA由2条反向平行的多脱氧核苷酸链构成。一条链中的方向为3′→5′,另一条链的方向为5′→3′。2链以脱氧核糖和磷酸形成的长链为基本骨架,围绕同一中心轴构成右手螺旋结构。②碱基在双螺旋内侧,双链上对应的碱基以氢键相连,其中G与C通过3个氢键配对(G≡C),A与T通过3个氢键配对(A=T)。DNA分子中的这种碱基互补配对关系称为碱基互补规律。③双螺旋的直径为2nm,每螺旋1周包含10个碱基对,螺距为3.4nm,即相邻碱基对的平面间距为0.34nm。

图2-2　DNA分子结构

重点提示

根据碱基互补规律,只要知道DNA分子中一条链的碱基排列顺序,就可推知另一条链的碱基排列顺序。

2.DNA的功能　DNA是生物的遗传物质,其主要功能是储存、复制和转录遗传信息。

(1)储存遗传信息:遗传信息是指DNA分子中特定的碱基排列顺序。DNA链非常长,国际人类基因组计划得出人类基因组约含30亿个碱基对,即使最小的22号染色体也有4900万个碱基对。尽管DNA只有4种碱基,但这些碱基可以重复排列,因此,碱基的排列顺序千变万化,体现了DNA的多样性。假如某一段DNA分子含有4000个碱基对,则会有44000种不同的排列方式,说明DNA可贮存的遗传信息非常丰富。同时,特定的碱基排列顺序又决定了DNA的特异性,进而决定了生物的遗传性、多样性和特异性。

(2)复制遗传信息:DNA复制是指以亲代DNA分子为模板,在酶的作用下互补合成子代DNA分子的过程。DNA复制的主要步骤为:DNA分子在解旋酶的作用下,把螺旋的双链解开成为2条平行的单链;在DNA聚合酶的作用下,分别以解开的单链(此时称为亲链)为模板,以周围环境中游离的4种脱氧核苷酸为原料,各自合成与亲链互补的子链;2条子链分别与2条亲链螺旋形成2个子代DNA分子。新合成的2个子代DNA分子与亲代DNA分子完全一样,其中都含有1条亲链和1条新合成的子链,这种复制方式也称DNA半保留复制(图2-3)。由此,DNA分子的自我复制可将亲代细胞的遗传信息全盘复制给子代细胞,保证了遗传物质在世代相传中的稳定性。

(3)转录合成RNA:转录是指以DNA分子的一条链为模板合成RNA的过程。转录时,DNA分子在解旋酶的作用下发生局部解旋,然后在RNA聚合酶的作用下,以其中一条链为模板,按照“碱基互补配对”原则,互补合成RNA单链(图2-4)。转录完成之后,DNA重新恢复双螺旋结构。

图2-3　DNA半保留复制

图2-4　DNA转录

重点提示

DNA是生物的遗传物质,其主要功能是储存、复制和转录遗传信息。遗传病的产生最终也是由于DNA序列改变引起的。

(二)RNA的结构与功能

RNA这种遗传物质与DNA不同,RNA的戊糖为核糖,碱基为A、G、C、U(尿嘧啶),因此,组成RNA的核苷酸是腺嘌呤核苷酸(AMP)、鸟嘌呤核苷酸(GMP)、胞嘧啶核苷酸(CMP)和尿嘧啶核苷酸(UMP)。RNA与遗传信息的表达有关,根据功能的不同,分为信使RNA(m RNA)、转运RNA(t RNA)和核糖体RNA(r RNA)3种类型。

1.mRNA　呈伸展的线形单链,其作用是从细胞核内的DNA分子上转录遗传信息,带到细胞质中的核糖体上,作为合成蛋白质的指令,故称为信使RNA。

2.t RNA　单链结构。但有些部分区段折叠成假双链结构,以至整个分子结构呈三叶草形(图2-5)。在蛋白质合成过程中,每一种tRNA只能特异地识别和转运一种氨基酸,把特定的氨基酸转运到核糖体上的特定部位,使之形成多肽链。

3.r RNA　单链结构,局部呈双螺旋状,是3种RNA中分子量较大的一类。r RNA是构成核糖体的重要成分,而核糖体是细胞中蛋白质合成的基地。

图2-5　tRNA分子结构

重点提示

3种RNA均参与蛋白质的合成,它们在功能上分工合作,其中m RNA是蛋白质合成的模板;t RNA为氨基酸的运载工具;r RNA是构成核糖体的重要成分。