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脱氧核糖核酸的物理性质

2022.9.08

  DNA是高分子聚合物,DNA溶液为高分子溶液,具有很高的粘度,可被甲基绿染成绿色。DNA对紫外线(260nm)有吸收作用,利用这一特性,可以对DNA进行含量测定。当核酸变性时,吸光度升高,称为增色效应;当变性核酸重新复性时,吸光度又会恢复到原来的水平。较高温度、有机溶剂、酸碱试剂、尿素、酰胺等都可以引起DNA分子变性,即DNA双链碱基间的氢键断裂,双螺旋结构解开—也称为DNA的解螺旋。

  分子结构

  DNA是由许多脱氧核苷酸按一定碱基顺序彼此用3’,5’-磷酸二酯键相连构成的长链。大多数DNA含有两条这样的长链,也有的DNA为单链,如大肠杆菌噬菌体φX174、G4、M13等。DNA有环形DNA和链状DNA之分。在某些类型的DNA中,5-甲基胞嘧啶可在一定限度内取代胞嘧啶,其中小麦胚DNA的5-甲基胞嘧啶特别丰富。在某些噬菌体中,5-羟甲基胞嘧啶取代了胞嘧啶。40年代后期,查加夫(E.Chargaff)发现不同物种DNA的碱基组成比例不同,但其中的腺嘌呤数等于其胸腺嘧啶数(A=T),鸟嘌呤数等于胞嘧啶数(G=C),因而嘌呤数之和等于嘧啶数之和,一般用几个层次描绘DNA的结构。

  一级结构

  是指构成核酸的四种基本组成单位——脱氧核糖核苷酸(核苷酸),通过3',5'-磷酸二酯键彼此连接起来的线形多聚体,以及其基本单位-脱氧核糖核苷酸的排列顺序。

  每一种脱氧核糖核苷酸由三个部分所组成:一分子含氮碱基+一分子五碳糖(脱氧核糖)+一分子磷酸根。核酸的含氮碱基又可分为四类:腺嘌呤(adenine,缩写为A),胸腺嘧啶(thymine,缩写为T),胞嘧啶(cytosine,缩写为C)和鸟嘌呤(guanine,缩写为G)。DNA的四种含氮碱基组成比例具有物种特异性。即四种含氮碱基的比例在同物种不同个体间是一致的,但在不同物种间则有差异。DNA的四种含氮碱基比例具有奇特的规律性,每一种生物体DNA中 A=T ,C=G,符合查加夫(Chargaff)法则(即碱基互补配对原则)。

  是指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。DNA的二级结构分为两大类:一类是右手螺旋,如A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA等;另一类是左手双螺旋,如Z-DNA。詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克所发现的双螺旋,是称为B型的水结合型DNA,在细胞中最为常见。也有的DNA为单链,一般见于原核生物,如大肠杆菌噬菌体φX174、G4、M13等。有

  的DNA为环形,有的DNA为线形。在碱基A与T之间可以形成两个氢键,G

  与C之间可以形成三个氢键,使两条多聚脱氧核苷酸形 成互补的双链,

  由于组成碱基对的两个碱基的分布不在一个平面上,氢键使得碱基对沿长轴旋转一定角度,使碱基的形状像螺旋桨叶片的样子,整个DNA分子形成双螺旋缠绕状。碱基对之间的距离是0.34nm,10个碱基对转一周,故旋转一周(螺距)是3.4nm,这是β-DNA的结构,在生物体内自然生成的

  DNA几乎都是以β-DNA结构存在。

  三级结构

  是指DNA中单链与双链、双链之间的相互作用形成的三链或四链结构。如H-DNA或R-环等三级结构。DNA的三级结构是指DNA进一步扭曲盘绕所形成的特定空间

  结构,也称为超螺旋结构。DNA的超螺旋结构可分为正、负超螺旋两大类,并可互相转变。超螺旋是克服张力而形成的。当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存在时,双螺旋处于能量最低状态此为松弛态。如果使这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转几圈,就使双螺旋产生张力,如果DNA分子两端是开放的,这种张力可通过链的转动而释放出来,DNA就恢复到正常的双螺旋状态。但如果DNA分子两端是固定的,或者是环状分子,这种张力就不能通过链的旋转释放掉,只能使DNA分子本身发生扭曲,以此抵消张力,这就形成超螺旋,是双螺旋的螺旋。

  四级结构

  核酸以反式作用存在(如核糖体、剪接体),这可看作是核酸的四级水平的结构。

  拓扑结构

  也是DNA存在的一种形式。DNA的拓扑结构是指在DNA双螺旋的基础上,进一步扭曲所形成的特定空间结构。超螺旋结构是拓扑结构的主要形式,它可以分为正超螺旋和负超螺旋两类,在相应条件下,它们可以相互转变。

  分布功能

  原核细胞的染色体是一个长DNA分子,但是原核细胞没有真正的细胞核。真核细胞核中有不止一条染色体,每条染色体只含一个DNA分子。不过它们一般都比原核细胞中的DNA分子大而且和蛋白质结合在一起。DNA分子的功能是贮存决定物种的所有蛋白质和RNA结构的全部遗传信息;策划生物有次序地合成细胞和组织组分的时间和空间;确定生物生命周期自始至终的活性和确定生物的个性。除染色体DNA外,有极少量结构不同的DNA存在于真核细胞的线粒体和叶绿体中。DNA病毒的遗传物质也是DNA。

  复制方式

  在双螺旋的DNA中,分子链是由互补的核苷酸配对组成的,两条链依靠氢链结合在一起。由于氢链链数的限制,DNA的碱基排列配对方式只能是A对T(由两个氢键相连)或C对G(由三个氢链相连)。因此,一条链的碱基序列就可以决定了另一条的碱基序列,因为每一条链的碱基对和另一条链的碱基对都必须是互补的。在DNA复制时也是采用这种互补配对的原则进行的:当DNA双螺旋被解开时,每一条链都用作一个模板,遵照互补配对的原则补齐另外的一条链,即半保留复制。

  分子链的开头部分称为3'端而结尾部分称为5'端,这些数字表示脱氧核糖中的碳原子编号。

  DNA的书写方式应从5'-末端到3'-末端。

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