# 核酸结构

> IB 生物 SL · 主题 B：结构与功能
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u2-nucleic-acid-structure/

本子主题涵盖所有遗传信息的结构基础——核酸（DNA和RNA）的分子结构。你将学习核苷酸单体结构、碱基配对规则，以及DNA双螺旋的核心特征，这些内容是整个分子遗传学的基础。

**先修:** [生物大分子导论](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u2-introduction-to-biomolecules/)

## 学习目标

- 描述核苷酸作为核酸单体的结构
- 区分DNA和RNA的结构差异
- 解释DNA的双螺旋结构和互补碱基配对规则
- 利用碱基配对规则计算双链DNA的碱基组成

## 核苷酸：核酸的结构单元

**核苷酸** — 所有核酸聚合物共有的单体，由三个共价键连接的组分构成：一个五碳戊糖、一个带负电的磷酸基团，以及一个含氮碱基。

*例:* 脱氧腺苷核苷酸是DNA中含腺嘌呤的单体。

DNA和RNA核苷酸的核心差异在于五碳糖。DNA使用**脱氧核糖**，其2'碳上缺少羟基（-OH）基团。RNA使用**核糖**，其2'碳上存在羟基基团。含氮碱基分为两类：双环结构的嘌呤（腺嘌呤、鸟嘌呤）和单环结构的嘧啶（胞嘧啶、DNA中的胸腺嘧啶，以及RNA中的尿嘧啶）。

**例题:** 绘制并标注DNA核苷酸的三个组成部分

1. 画一个五边形代表五碳脱氧核糖，将每个碳标注为1'到5'（撇号用于区分糖上的碳和碱基上的碳）。
2. 添加一个共价连接在糖5'碳上的磷酸基团。
3. 添加任意一个共价连接在糖1'碳上的含氮碱基。
4. 标注3'碳上的羟基，并注明脱氧核糖的2'碳上不存在羟基。

## 核酸聚合物与方向性

**磷酸二酯键** — 缩合反应中，一个核苷酸的5'磷酸基团与下一个核苷酸的3'羟基之间形成的共价键。

所有核酸链都具有方向性：一端带有游离的5'磷酸基团（称为5'端），另一端带有游离的3'羟基基团（称为3'端）。生物体内所有核酸合成都只能沿5'→3'方向进行，这一规律对于理解本课程后续学习的复制和转录过程至关重要。

**例题:** 一条RNA链的序列为5' - A - C - G - 3'，请指出哪一端带有游离磷酸基团，哪一端带有游离羟基。

1. 按照书写惯例，序列的第一个核苷酸就是5'端。
2. 序列开头的腺嘌呤（A）核苷酸带有游离的5'磷酸基团。
3. 磷酸二酯键将下一个核苷酸的5'磷酸连接到上一个核苷酸的3'羟基上。
4. 序列末尾的鸟嘌呤（G）核苷酸带有游离的3'羟基基团。

> **考试提示**
>
> 绘制核酸链时，必须标注5'端和3'端。IB阅卷官通常会给正确标注末端的答案1分，如果你忘记标注就会扣除这一分。

## DNA双螺旋与互补碱基配对

**互补碱基配对** — 连接两条DNA链的含氮碱基之间的特异性氢键结合，腺嘌呤仅与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤仅与胞嘧啶配对。

沃森和克里克在1953年利用罗莎琳德·富兰克林的X射线晶体衍射数据提出了DNA的双螺旋结构。DNA由两条相互缠绕的反向平行链（沿5'→3'方向反向延伸）构成。糖-磷酸骨架构成螺旋的外侧，碱基堆叠在螺旋内侧。嘌呤总是与嘧啶配对，以保持螺旋宽度恒定：A-T形成2个氢键，G-C形成3个氢键。

**例题:** 一个双链DNA分子含有22%的腺嘌呤，计算该分子中鸟嘌呤的百分比。

1. 应用互补碱基配对规则：腺嘌呤的百分比等于胸腺嘧啶的百分比，因此%T = 22%。
2. 将腺嘌呤和胸腺嘧啶的百分比相加：22% + 22% = 44%。
3. 剩余碱基百分比为100% - 44% = 56%，这些由鸟嘌呤和胞嘧啶平分，因为%G = %C。
4. 将56%除以2得到%G = 28%。

**考试命令词**

本主题的常见命令术语有特定的IB评分要求：

- **Distinguish** — 列出两种结构之间所有核心差异 *(区分DNA与RNA的结构)*

- **Draw** — 绘制结构并标注所有核心组分 *(绘制单个DNA核苷酸)*

## 常见错误

- **错误做法:** 将脱氧核糖的2'碳标注为带有羟基（-OH）基团
  - 原因: 脱氧核糖的2号碳上缺失氧原子，因此该位置不存在羟基
  - 正确做法: 仅标注脱氧核糖的3'碳带有羟基
- **错误做法:** 认为RNA含有胸腺嘧啶而非尿嘧啶
  - 原因: 胸腺嘧啶是DNA特有的，所有RNA分子中尿嘧啶都替换了胸腺嘧啶
  - 正确做法: 记住：DNA = ATCG，RNA = AUCG
- **错误做法:** 将两条DNA链画成平行（同方向）而非反向平行
  - 原因: 平行链无法在碱基之间形成正确的互补氢键
  - 正确做法: 始终将两条链画成沿5'→3'方向反向延伸
- **错误做法:** 直接用50%减去腺嘌呤百分比得到鸟嘌呤百分比
  - 原因: 这种快捷算法错误地忽略了腺嘌呤和胸腺嘧啶含量相等，两者都需要计入总占比
  - 正确做法: 对于双链DNA，使用公式：\%G = (100 - 2 \times \%A)/2

## 速查表

| 特征 | DNA | RNA |
| --- | --- | --- |
| 五碳糖 | 脱氧核糖（2'碳无OH） | 核糖（2'碳有OH） |
| 含氮碱基 | A, T, C, G | A, U, C, G |
| 典型结构 | 双链反向平行双螺旋 | 通常为单链 |
| 5'端 | 游离磷酸基团 | 游离磷酸基团 |
| 3'端 | 游离羟基基团 | 游离羟基基团 |
| 碱基配对 | A-T（2个氢键）, G-C（3个氢键） | A-U, G-C |

## 下一步

核酸结构是IB生物SL中所有分子遗传学的基础概念。你在这里学到的链的方向性和互补碱基配对规则，直接解释了细胞分裂前DNA如何精准复制、遗传信息如何转录为RNA，以及翻译如何按照mRNA指令合成蛋白质。核酸结构的错误会导致突变，突变既可以驱动进化，也会引发遗传病。几乎所有分子生物学的考题都要求掌握核酸结构的绘制和标注，因此你需要练习凭记忆回忆核心特征。

- [人体内的气体交换与运输](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u2-gas-exchange-and-transport-in/)
- [人体的消化与吸收](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u2-digestion-and-absorption-in-humans/)

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