# DNA和RNA的结构

> CIE A-Level 生物学 · 9700
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u6-structure-of-dna-and-rna/

本亚主题涵盖核苷酸的结构、核苷酸聚合形成多核苷酸链的过程，以及DNA与RNA整体结构的比较，是本单元所有分子生物学主题的基础。

**先修:** [基础生物分子](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u2-biological-molecules/)

## 学习目标

- 描述核苷酸的结构，以及DNA核苷酸和RNA核苷酸之间的差异
- 概述核苷酸如何连接形成多核苷酸链
- 比较DNA和不同类型RNA的结构
- 解释互补碱基配对及其意义

## 核苷酸的结构

**核苷酸** — 核酸（DNA和RNA）的单体亚基，由三个共价结合的组分组成：戊糖、含氮碱基和一个或多个磷酸基团。

*例:* 脱氧核糖核苷酸是构成DNA的单体

所有核苷酸都具有共同的核心结构。戊糖是一种五碳糖：DNA使用*脱氧核糖*，而RNA使用*核糖*。与核糖相比，脱氧核糖的2号碳上缺少一个氧原子。

含氮碱基分为两类：

- **嘌呤**：双环结构：腺嘌呤 (A) 和鸟嘌呤 (G)
- **嘧啶**：单环结构：胞嘧啶 (C)、胸腺嘧啶 (T)（仅DNA）和尿嘧啶 (U)（仅RNA）

**例题:** 一名学生绘制了一个连接胸腺嘧啶的RNA核苷酸，核糖作为戊糖。指出两处错误并解释为什么错误。

1. 第一个错误：胸腺嘧啶不存在于RNA中
2. RNA使用尿嘧啶代替胸腺嘧啶，胸腺嘧啶仅存在于DNA核苷酸中。
3. 第二个错误（常见错误）：磷酸基团没有连接在正确的碳原子上
4. 磷酸基团总是连接在戊糖的5号碳上，碱基连接在1号碳上。
5. 正确的RNA核苷酸组成为：核糖 + 尿嘧啶碱基 + 磷酸基团。

## 多核苷酸的形成

单个核苷酸通过缩合反应连接形成多核苷酸链，多核苷酸链具有糖-磷酸骨架，含氮碱基从骨架向侧面伸出。

**磷酸二酯键** — 连接链中一个核苷酸的5'磷酸基团与下一个核苷酸的3'羟基 (-OH) 的共价键，由缩合反应形成，该反应释放一分子水。

所有多核苷酸链都具有方向性：一端有游离的5'磷酸基团（5'端），另一端有游离的3'羟基（3'端）。

**例题:** 解释三个相邻核苷酸如何连接形成短的多核苷酸链。

1. 1. 每个核苷酸的戊糖5号碳上连接磷酸，3号碳上连接羟基。
2. 2. 第二个核苷酸的5'磷酸与第一个核苷酸的3'羟基之间发生缩合反应。
3. 3. 脱去一分子水，在两个核苷酸之间形成磷酸二酯键。
4. 4. 第三个核苷酸的5'磷酸与第二个核苷酸的3'羟基之间发生第二次缩合反应，形成第二个磷酸二酯键。
5. 最终形成的链具有游离的5'端和游离的3'端，以及连续的糖-磷酸骨架。

## DNA双螺旋结构

DNA由两条相互缠绕的多核苷酸链组成，形成稳定的双螺旋。两条链沿相反的5'到3'方向延伸，因此被称为反向平行。

两条链上的碱基通过氢键特异性配对：腺嘌呤 (A) 总是与胸腺嘧啶 (T) 配对，鸟嘌呤 (G) 总是与胞嘧啶 (C) 配对，这一过程称为互补碱基配对。

> **tip**
>
> A-T形成2个氢键，G-C形成3个氢键。CIE考试要求考生记住这个数值。

**例题:** 一个双链DNA分子中腺嘌呤占18%，计算鸟嘌呤的百分比。

1. 最终答案：鸟嘌呤占该DNA分子的32%。

*结论:* 因为G = C，因此鸟嘌呤 = 64% / 2 = 32%

## RNA的结构与类型

RNA通常是单链多核苷酸。与DNA的主要区别是：它含核糖而非脱氧核糖，含尿嘧啶而非胸腺嘧啶。蛋白质合成中涉及三种主要RNA，每种都有与其功能相适应的独特结构：

| RNA类型 | 结构 | 主要功能 |
| --- | --- | --- |
| mRNA（信使RNA） | 线性单链 | 从DNA携带遗传密码到核糖体 |
| tRNA（转运RNA） | 折叠成三叶草形状，由碱基间的氢键维持结构 | 在翻译过程中将特定氨基酸转运到核糖体 |
| rRNA（核糖体RNA） | 折叠成球状结构 | 构成核糖体的结构核心 |

**例题:** 列出DNA和信使RNA（mRNA）之间的三个结构差异。

1. 以下是三个正确的差异（考试中任意三个都可得分）：
2. 1. DNA含脱氧核糖，mRNA含核糖
3. 2. DNA含胸腺嘧啶，mRNA含尿嘧啶代替胸腺嘧啶
4. 3. DNA是双链双螺旋结构，mRNA是单链线性结构
5. 其他正确差异：DNA比mRNA长得多；DNA有两条反向平行链，而mRNA是单链

## 常见错误

- **错误做法:** 在绘制核苷酸结构时，将磷酸基团连接到含氮碱基而非戊糖上
  - 原因: 核苷酸的三个组分都连接到戊糖上，而非相互连接
  - 正确做法: 磷酸连接到戊糖的C5，碱基连接到戊糖的C1
- **错误做法:** 声称磷酸二酯键连接互补碱基对
  - 原因: 磷酸二酯键连接同一条链上的相邻核苷酸，而非两条链上的碱基
  - 正确做法: 磷酸二酯键构成糖-磷酸骨架；氢键连接互补碱基对
- **错误做法:** 声称RNA总是双链，或DNA总是单链
  - 原因: 细胞中的DNA是双链，细胞中的RNA通常是单链；本大纲不要求掌握病毒中的例外情况
  - 正确做法: 针对CIE 9700考试，应表述为：DNA是双链，RNA通常是单链
- **错误做法:** 双链DNA的碱基百分比计算错误
  - 原因: 忘记互补碱基的百分比相等
  - 正确做法: 将给出的碱基百分比乘以2得到该碱基对的总占比，用100减去该值，再除以2得到另一对碱基的百分比
- **错误做法:** 将脱氧核糖称为六碳糖
  - 原因: 核苷酸中的糖始终是五碳戊糖
  - 正确做法: 脱氧核糖和核糖都是五碳（戊糖）糖

## 速查表

| 特征 | DNA | RNA |
| --- | --- | --- |
| 戊糖 | 脱氧核糖 | 核糖 |
| 含氮碱基 | A、T、C、G | A、U、C、G |
| 链的数量 | 2条（反向平行双螺旋） | 通常1条 |
| 相对大小 | 很长 | 比DNA短得多 |
| 核苷酸间的键 | 磷酸二酯键 | 磷酸二酯键 |
| 碱基配对 | A-T（2个氢键），G-C（3个氢键） | 仅出现在折叠区域（如tRNA中） |

## 下一步

你在此学到的核苷酸结构规则和互补碱基配对是本单元所有主题的基础。互补碱基配对保证了半保留DNA复制的准确性，该过程是细胞分裂前遗传信息的复制过程。DNA和RNA的结构差异解释了它们在蛋白质合成中的不同作用：DNA长期储存遗传信息，而RNA携带短寿命的基因拷贝用于翻译。掌握本亚主题会让你更容易理解复制、转录和翻译，因为所有这些过程都依赖于你在此学到的碱基配对和多核苷酸结构的核心原理。

- [DNA复制](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u6-dna-replication/)
- [转录](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u6-transcription/)
- [遗传密码](https://www.owlsprep.com/zh/study/cie-9700-u6-the-genetic-code/)

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