DNA 和 RNA 的结构 — AP 生物学
1. 核苷酸单体结构 ★★☆☆☆ ⏱ 3 min
所有核酸都是由核苷酸单体构成的聚合物。每个核苷酸包含三个共价连接的组分：一个五碳戊糖、一个或多个磷酸基团，以及一个含氮碱基。
DNA 核苷酸和 RNA 核苷酸的关键区别在于戊糖的结构：DNA 核苷酸使用脱氧核糖，脱氧核糖的 2' 碳上缺少羟基（-OH）；而 RNA 使用核糖，核糖的 2' 碳上存在羟基。含氮碱基分为两个结构类别：嘌呤（双环）是腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），同时存在于 DNA 和 RNA 中。嘧啶（单环）是胞嘧啶（C，两者都有）、胸腺嘧啶（T，仅 DNA 有）和尿嘧啶（U，仅 RNA 有）。
核苷酸通过磷酸二酯共价键连接形成多核苷酸链：一个核苷酸的 5' 磷酸基团与下一个核苷酸的 3' 羟基成键，形成糖-磷酸骨架，碱基向外突出。这种成键方式赋予链固有的方向性：每条链的一端有游离的 5' 磷酸，另一端有游离的 3' 羟基。
Exam tip: 应用碱基比例法则前，一定要确认题目中的核酸是单链还是双链；大多数细胞 RNA 都是单链，因此等碱基比例不适用。
2. DNA 双螺旋与碱基配对 ★★★☆☆ ⏱ 4 min
1953 年，沃森和克里克发表了他们的 DNA 双螺旋模型，该模型得到了罗莎琳德·富兰克林 X 射线晶体衍射数据的证实。该模型的核心特征是：
- 两条独立的多核苷酸链围绕中心轴扭曲形成右手双螺旋
- 两条链是**反向平行**的：一条沿 5' → 3' 方向延伸，互补链沿相反方向 3' → 5' 延伸
- 互补碱基配对：嘌呤始终与嘧啶配对，以维持恒定的 2 纳米螺旋宽度：A 与 T 配对（形成 2 个氢键），G 与 C 配对（形成 3 个氢键）
- 糖-磷酸骨架位于螺旋外侧，碱基堆叠在螺旋内部，由氢键和疏水相互作用维持结构
Exam tip: 书写互补链时，一定要确认反向平行方向；AP 考试的错误选项通常碱基序列正确，但方向错误。
3. DNA 与 RNA 结构对比：功能影响 ★★★☆☆ ⏱ 4 min
虽然 DNA 和 RNA 都是多核苷酸，但二者之间稳定的结构差异决定了它们在细胞中不同的功能。细胞中的 DNA 几乎总是双链的，使用脱氧核糖和胸腺嘧啶，适合长期储存遗传信息。RNA 几乎总是单链的，使用核糖和尿嘧啶，适合承担短期功能，比如携带遗传信息、催化反应和转运氨基酸。
单链 RNA 可以通过内部互补碱基配对折叠成复杂的三维结构（例如 tRNA 折叠成三叶草形，rRNA 构成核糖体的催化核心）。部分称为核酶的 RNA 具有催化活性，DNA 无法执行该功能，因为 DNA 的刚性双螺旋无法折叠成多样的三维结构。
RNA 的 2' 羟基让它比 DNA 的化学活性高得多，也更容易降解，这就是为什么 DNA 更适合长期储存遗传信息。DNA 使用胸腺嘧啶而非尿嘧啶也提升了稳定性：胞嘧啶会自发脱氨基形成尿嘧啶，因此细胞可以识别并修复这种突变，因为 DNA 中通常不存在尿嘧啶。
Exam tip: AP 自由问答题（FRQ）几乎总是要求你将本主题的结构与功能联系起来；不要只列出结构差异，一定要明确将结构与功能结果联系起来才能拿到满分。
4. AP 风格概念检测 ★★★★☆ ⏱ 3 min
Common Pitfalls
Why: 学生将适用于双链 DNA 的查戈夫法则混淆为适用于任何核酸的通用碱基比例。大多数细胞 RNA 是单链的。
Why: 学生忘记 DNA 双螺旋的反向平行特性，只匹配碱基，不考虑方向性。
Why: 学生混淆了 DNA 中的两种键。
Why: 学生混淆了碱基分类和配对模式，忘记配对大小才能维持恒定的螺旋宽度。
Why: 学生混淆了戊糖的碳原子编号。