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阅读 14986 次 历史版本 7个 创建者:看好中文百科 (2010/3/11 1:06:49)  最新编辑:看好中文百科 (2010/3/11 2:01:27)
脱氧核糖核酸
拼音:tuō yǎng hé táng hé suān
英文:DNA(desoxyribonucleic acid)
同义词条:DNA,去氧核糖核酸
  脱氧核糖核酸(英语:Deoxyribonucleic acid,缩写为DNA)又称“去氧核糖核酸”,由成千上万个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的一类核酸。因含脱氧核糖而得名。它是染色体的主要成分。此外,真核生物线粒体叶绿体中也含有DNA,原核生物质粒全由DNA构成。在不含核糖核酸(RNA)的病毒噬菌体中,其核酸都是DNA。可组成遗传指令,以引导生物发育与生命机能运作。
DNA
主要功能是长期性的资讯储存。其中包含的指令,是建构细胞内其他的化合物,如蛋白质RNA所需。带有遗传讯息的DNA片段称为基因,其他的DNA序列,有些直接以自身构造发挥作用,有些则参与调控遗传讯息的表现。

  DNA是一种长链聚合物,组成单位称为核苷酸,而糖类与磷酸分子借由酯键相连,组成其长链骨架。每个糖分子都与四种碱基里的其中一种相接,这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列,可组成遗传密码,是蛋白质氨基酸序列合成的依据。读取密码的过程称为转录,是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。多数RNA带有合成蛋白质的讯息,另有一些本身就拥有特殊功能,例如rRNAsnRNAsiRNA

  在细胞内,DNA能组织成染色体结构,整组染色体则统称为基因组。染色体在细胞分裂之前会先行复制,此过程称为DNA复制。对真核生物,如动物植物真菌而言,染色体是存放于细胞核内;对于原核生物而言,如细菌,则是存放在细胞质中的拟核里。染色体上的染色质蛋白,如组织蛋白,能够将DNA组织并压缩,以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用,进而调节基因的转录。

概述


  最早分离出DNA的弗雷德里希·米歇尔是一名瑞士医生,他在1869年,从废弃绷带里所残留的脓液中,发现一些只有显微镜可观察的物质。由于这些物质位于细胞核中,因此米歇尔称之为“核素”(nuclein)。到了1919年,菲巴斯·利文进一步辨识出组成DNA的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元,他认为DNA可能是许多核苷酸经由磷酸基团的联结,而串联在一起。不过他所提出概念中,DNA长链较短,且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年,威廉·阿斯特伯里完成了第一张X光衍射图,阐明了DNA结构的规律性。

  1928年,弗雷德里克·格里菲斯从格里菲斯实验中发现,平滑型的肺炎球菌,能转变成为粗糙型的同种细菌,方法是将已死的平滑型与粗糙型活体混合在一起。这种现象称为“转型”。但造成此现象的因子,也就是DNA,是直到1943年,才由奥斯瓦尔德·埃弗里等人所辨识出来。1953年,阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了DNA的遗传功能,他们在赫希-蔡斯实验中发现,DNA是T2噬菌体的遗传物质。

  到了1953年,当时在卡文迪许实验室的詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克,依据伦敦国王学院的罗莎琳·富兰克林所拍摄的X光衍射图及相关资料,提出了最早的DNA结构精确模型,并发表于《自然》期刊。五篇关于此模型的实验证据论文,也同时以同一主题发表于《自然》。其中包括富兰克林与雷蒙·葛斯林的论文,此文所附带的X光衍射图,是沃森与克里克阐明DNA结构的关键证据。此外莫里斯·威尔金斯团队也是同期论文的发表者之一。富兰克林与葛斯林随后又提出了A型与B型DNA双螺旋结构之间的差异。1962年,沃森、克里克以及威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

  克里克在1957年的一场演说中,提出了分子生物学的中心法则,预测了DNA、RNA以及蛋白质之间的关系,并阐述了“转接子假说”(即后来的tRNA)。1958年,马修·梅瑟生与富兰克林·史达在梅瑟生-史达实验中,确认了DNA的复制机制。后来克里克团队的研究显示,遗传密码是由三个碱基以不重复的方式所组成,称为密码子。这些密码子所构成的遗传密码,最后是由哈尔·葛宾·科拉纳、罗伯特·W·霍利以及马歇尔·沃伦·尼伦伯格解出。为了测出所有人类的DNA序列,人类基因组计划于1990年代展开。到了2001年,多国合作的国际团队与私人企业塞雷拉基因组公司,分别将人类基因组序列草图发表于《自然》与《科学》两份期刊。

  有人认为克里克与Raymond Gilising 不配作诺贝尔奖的获奖者,他们“偷窃”了富兰克林的数据。然而在领奖时,富兰克林已经因肺癌死去3年了。

DNA的大小和形状

 
  最小的如病毒和噬菌体DNA,分子量d也在百万以上,大肠杆菌的DNA分子量为2.5×109,人的DNA为1.5×1012。DNA的大小还可以所含碱基对数目和分子长度来表示,如猴肾病毒40的DNA含有5100碱基对,其分子长为1.7微米,即长度为1微米的DNA相当于3000碱基对,其分子量为3000×660或2×106(每一碱基对分子量以660计)。

  DNA分子大多是线性,不分枝,如真核生物染色体中的DNA;有些是环状分子,如大肠杆菌的DNA,线粒体DNA,叶绿体DNA和一些病毒DNA等。绝大多数DNA是双链,只有少数噬菌体和病毒DNA是单链,如ΦX174的DNA是环状单链分子。

碱基组成

 
  由脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胸苷酸和脱氧胞苷酸等脱氧核苷酸所组成。其中腺、鸟即腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G);胸、胞即胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。 测定这4种碱基的克分子比也就代表了4种脱氧核苷酸的克分子比。分析了许多不同生物材料,如人肝、牛胸腺、 麦胚、酵母、大肠杆菌等的DNA中碱基的克分子比,发现嘌呤碱克分子含量和嘧啶碱克分子含量近似相等,腺嘌呤克分子含量和胸腺嘧啶克分子含量近似相等,鸟嘌呤克分子含量和胞嘧啶克分子含量近似相等(在单链的 DNA中没有这些规律)。
DNA的化学结构
例如酵母中鸟嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶的克分子百分数分别为18.3,31.7,17.4,32.6。此外还发现每一种生物DNA的碱基比例都是恒定的,不因年龄、生长条件、环境因素而有变化,而且在高等生物中,不同器官和不同组织的DNA都含有相同的碱基组成。此外,每个生物DNA的腺+胸与鸟+胞的比例各异,在细菌中这个比例的范围很广,例如藤黄叠球菌为0.35,产气梭状芽孢杆菌为 2.7。但在高等生物中,这个变化就较小,动物一般为13~1.5,植物为1.1~1.7。

一级结构

 
  也称化学结构,即核苷酸的排列顺序。至1983年中期已经测定了许多种含几千个核苷酸的 DNA的一级结构,主要有病毒、噬菌体、质粒和某些基因的DNA。几万对核苷酸的DNA如人的线粒体DNA,牛线粒体DNA和λ噬菌体DNA的一级结构也已测出。这样迅速的发展,是由于:①发现了限制性核酸内切酶,从而可以把大分子DNA在特定的部位切成许多片段,再分别进行结构测定;②测定方法有很大进展,特别是化学降解法(用特殊的化学试剂专一性地作用于A、G、C、T)和末端终止法(用2',3'-双脱氧核苷三磷酸代替正常的3'-脱氧核苷三磷酸以使 DNA链在酶促合成时停止延伸)起了很大作用;③运用重组DNA的方法获得大量的纯DNA;④新技术的应用,如用高比放射性的32P同位素标记DNA片段,使样品大为节省;又如用电子计算机帮助排列各酶解片段的先后。中国学者洪国藩在此基础上,于1982年又创造出一种系统地非随机测定法,进一步提高了效率。
DNA双股螺旋

高级结构

 
  1953年,J.D.沃森和F.H.C.克里克根据DNA分子中碱基组成的规律性,DNA的X射线衍射图谱以及其他一些实验结果,提出了DNA的双螺旋模型。

  这个模型的特征是:① DNA由两条多核苷酸链构成,这两条链的方向相反,即一条链的5'-末端和另一条链的3'-末端相对应,两条链都以右手螺旋方式盘绕同一中心轴成双螺旋结构,这样的旋转形成了大沟和小沟;②脱氧核糖和磷酸形成的骨架在外侧,碱基在双螺旋内侧,两两配对,A对T,G对C,T对A,C对G,配对碱基之间以氢键联系,从而使两条多核苷酸链形成固定的关系。此外,堆集碱基之间的疏水作用也有助于维持 DNA的双链结构。由于DNA两条链的碱基具有严格的配对关系,通常叫它们为互补链,如果一条链的核苷酸顺序弄清楚了,另外一条链上的核苷酸顺序也就一目了然;③每对碱基处于同一平面,而和中心轴垂直,不同碱基对的平面互相平行,相邻两平面的间距为3.4埃,螺旋每转一圈的螺距为3.4埃,所以每一圈螺旋含10对碱基,螺旋的直径为20埃。DNA的双螺旋结构有3种,即A型,B型和C型,在生物体内和溶液中最常见的为B型,就是具有上述各种特征的一种类型。A型和C型与B型类似,但有微小差异。

  1979年以来对人工合成的dCpGpCpGpCpGp,dpCpGpCpG晶体和聚d(GC)纤维进行X射线衍射研究,发现这些化合物为左旋结构,被命名为Z型DNA。其他嘌呤和嘧啶相间的DNA片段也具有Z型的左旋结构。Z型DNA比B型DNA细而长,碱基对偏离轴心,靠近双螺旋的外侧,呈现一种比较暴露的状态,可能较易受外来因素的影响。Z型DNA还能在异体动物体内诱生抗体,用Z型DNA抗体进行实验,发现它能和天然DNA结合,说明天然DNA分子中有Z型DNA的结构。

  DNA还有三级结构,如超螺旋结构,由双螺旋链扭曲而成。在原核生物内长1毫米的 DNA链能压缩在直径1微米的细胞内就是这种盘旋扭曲的结果。在真核生物细胞染色体上,DNA链与组蛋白组成核小体,在电子显微镜下呈念珠状,在一根长丝上附着很多小球,小球直径100埃左右,由长约140碱基对的DNA绕在由组蛋白H2A,H2B,H3和H4各两分子组成的八聚体蛋白质核心外面,小球之间为细丝,由DNA和组蛋白H1构成。核小体进一步旋绕折叠压缩而成染色质。

超螺旋


  DNA链在双螺旋基础上如绳索般扭转的现象与过程称为DNA超螺旋。当DNA处于“松弛”状态时,双螺旋的两股通常会延着中轴,以每10.4个碱基对旋转一圈的方式扭转。但如果DNA受到扭转,其两股的缠绕方式将变得更紧或更松。当DNA扭转方向与双股螺旋的旋转方向相同时,称为正超螺旋,此时碱基将更加紧密地结合。反之若扭转方向与双股螺旋相反,则称为负超螺旋,碱基之间的结合度会降低。自然界中大多数的DNA,会因为拓扑异构酶的作用,而形成轻微的负超螺旋状态。拓扑异构酶同时也在转录作用或DNA复制过程中,负责纾解DNA链所受的扭转压力。
由左到右分别为A型、B型与Z型三种DNA结构

各种类型的双螺旋结构


  DNA有多种不同的构象,其中有些构象之间在构造上的差异并不大。目前已辨识出来的构象包括:A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA、E-DNA、H-DNA、L-DNA、P-DNA与Z-DNA。不过以现有的生物系统来说,自然界中可见的只有A-DNA、B-DNA与Z-DNA。DNA所具有的构象可根据DNA序列、超螺旋的程度与方向、碱基上的化学修饰,以及溶液状态,如金属离子与多胺浓度来分类。三种主要构象中以B型为细胞中最常见的类型,与另两种DNA双螺旋的差异,在于其几何形态与尺寸。

  其中A型拥有较大的宽度与右旋结构,小凹槽较浅且较宽,大凹槽则较深较窄。A型一般存在于非生理状态的脱水样本中,在细胞中则可能为DNA与RNA混合而成的产物(类似酵素及DNA的复合物)。若一段DNA上的碱基受到一种称为甲基化的化学修饰,将使其构型转变成Z型。此时螺旋形式转为左旋,与较常见的右旋B型相反。某些专门与Z-DNA结合的蛋白质可辨识出这种少见的结构,此外Z型DNA可能参与了转录作用的调控。
由重复排列的端粒构成的DNA四联体结构形态。DNA骨架的构形与一般的螺旋结构显著地有所不同

四联体结构


  线状染色体的末端有一段称为端粒的特殊区域,由于一般参与复制DNA的酵素无法作用于染色体的3'端,因此这些端粒的主要功能,是使细胞能利用一种称为端粒酶的酵素来复制端粒。如果端粒消失,那么复制过程将使染色体长度缩小。因此这些特化的端帽能保护染色体结尾不被外切酶破坏,并阻止细胞中的DNA修复系统将其视为需修正的损毁位置。在人类细胞中,端粒是由重复出现数千次TTAGGG序列的单股DNA所组成。

  这些序列富含鸟嘌呤,可形成一种由四个碱基重叠而成的特殊结构,使染色体末端较为稳定。四个鸟嘌呤可构成一个平面,并且重叠于其他平面之上,产生稳定的G-四联体结构。碱基与位在四个碱基中心的金属离子螯合物之间,是经由氢键结合以稳定结构。左图显示由上方观看人类端粒中的四联体,图中可见每四个碱基为一组,共三层碱基重叠而成的单股DNA环状物。在碱基环绕的中心,可见三个螯合在一起的钾离子。也有其他类型的结构存在,例如中心的四个碱基,除了可以是属于单一的一股DNA之外,也可能是由多条平行的DNA各自贡献一个碱基而形成。

  端粒另外还可形成一种大型环状结构,称为端粒环或T环(T-loop)。是由单股DNA经过端粒结合蛋白的作用之后,卷曲而成的一个大循环。在T环长链最前端的地方,单股的DNA会附着在双股DNA之上,破坏双螺旋DNA与另一股的碱基配对,形成一种称为替代环或D环的三股结构。

物理与化学性质


  DNA是一种由核苷酸重复排列组成的长链聚合物,宽度约22到24埃(2.2到2.4纳米),每一个核苷酸单位则大约长3.3埃(0.33纳米)。在整个DNA聚合物中,可能含有数百万个相连的核苷酸。例如人类细胞中最大的1号染色体中,就有2亿2千万个碱基对。通常在生物体内,DNA并非单一分子,而是形成两条互相配对并紧密结合,且如蔓藤般地缠绕成双螺旋结构的分子。每个核苷酸分子的其中一部分会相互连结,组成长链骨架;另一部分称为碱基,可使成对的两条DNA相互结合。所谓核苷酸,是指一个核苷加上一个或多个磷酸基团,核苷则是指一个碱基加上一个糖类分子。

  DNA骨架是由磷酸与糖类基团交互排列而成。组成DNA的糖类分子为环状的2-脱氧核糖,属于五碳糖的一种。磷酸基团上的两个氧原子分别接在五碳糖的3号及5号碳原子上,形成磷酸双酯键。这种两侧不对称的共价键位置,使每一条DNA长链皆具方向性。双螺旋中的两股核苷酸互以相反方向排列,这种排列方式称为反平行。DNA链上互不对称的两末端一边叫做5'端,另一边则称3'端。DNA与RNA最主要的差异之一,在于组成糖分子的不同,DNA为2-脱氧核糖,RNA则为核糖。

  两股DNA长链上的碱基以氢键相互吸引,使双螺旋形态得以维持。这些碱基可分为两大类,以5角及6角杂环化合物组合而成的一类称为嘌呤;只有一个6角杂环的则称为嘧啶。组成DNA的碱基,分别是腺嘌呤(缩写A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)与胸腺嘧啶(T)。碱基、糖类分子与磷酸三者结合之后,便成为完整的核苷酸。还有一种碱基称为尿嘧啶(U),此种碱基比胸腺嘧啶少了一个位于环上的甲基,一般出现在RNA分子中,角色相当于DNA里的胸腺嘧啶。通常在DNA中,它会作为胞嘧啶的分解产物,或是CpG岛中未经甲基化的胞嘧啶突变产物。少见的例外发现于一种称为PBS1的细菌病毒,此类病毒的DNA中含有尿嘧啶。在某些特定RNA分子的合成过程中,会有许多尿嘧啶在酵素的作用下失去一个甲基,因而转变成胸腺嘧啶,这种情形大多出现于一些在构造上具有功能,或者具有酵素能力的RNA上,例如转运RNA与核糖体RNA。

  两股DNA长链会以右旋方式相互缠绕成双螺旋结构,由于以磷酸联结而成的骨架位于外部,且两股之间会留下一些空隙,因此位于螺旋内部的碱基,即使从螺旋外侧依然可见(如右方动画)。双螺旋的表面有两种凹槽(或称“沟”):较大的宽22埃;较小的宽12埃。由于各个碱基靠近大凹槽的一面较容易与外界接触,因此如转录因子等能够与特定序列结合的蛋白质与碱基接触时,通常是作用在靠近大凹槽的一面。
DNA片段结构动画,各种碱基水平排列于两条螺旋长链之间

碱基配对


  一股DNA上所具有的各类型含氮碱基,都只会与另一股上的一个特定类型碱基产生键结。此种情形称为互补性碱基配对。嘌呤与嘧啶之间会形成氢键,在一般情况下,A只与T相连,而C只与G相连。因此排列于双螺旋上的核苷酸,便以这种称为碱基对的方式相互联结。除此之外,与DNA序列无关的疏水性效应,以及π重叠效应所产生的力,也是两股DNA能维持结合状态的原因。由于氢键比共价键更容易断裂,这使双股DNA可能会因为机械力或高温作用,而有如拉链一般地解开,这种现象被称为DNA变性。由于互补的特性,使位于双股序列上的讯息,皆以双倍的形式存在,这种特性对于DNA复制过程来说相当重要。互补碱基之间可逆且具专一性的交互作用,是生物DNA所共同拥有的关键功能。

  两种不同的碱基对分别是以不同数目的氢键结合:A-T之间有两条;G-C之间则有三条。多一条氢键使GC配对的稳定性高于AT配对,也因此两股DNA的结合强度,是由GC配对所占比例,以及双螺旋的总长度来决定。当DNA双螺旋较长且GC含量较高时,其双股之间的结合能力较强;长度较短且AT含量较高时,结合能力则较弱。双螺旋上有某些部位必须能够轻易解开,这些部位通常含有有较多的AT配对,例如细菌启动子上一段含有TATAAT序列的普里布诺盒。在实验室中,若找出解开氢键所需的温度,也就是所谓熔点(Tm),便能计算出两股之间的结合强度。当DNA双螺旋上所有的碱基配对都解开之后,溶液中的两股DNA将分裂成独立的分子。单股DNA分子并无固定的形体,但仍有某些形状较为稳定且常见。

正意与反意


  一般来说,当一段DNA序列为合成信使RNA(mRNA,可转译成蛋白质)所需时,称为“正意”。而相对并互补的另一股序列,则称为“反意”。由于RNA聚合酶的作用方式,是根据模板上的讯息来合成一段与模板互补的RNA片段,因此正意mRNA的序列实际上与DNA上的反意股相同。在同一股DNA上,可能同时会有属于正意和反意的片段。此外,反意RNA在原核生物或真核生物体内皆存在,但是其功能尚未明了。有研究认为,反意RNA可利用RNA与RNA之间的碱基配对,来调控基因的表现。

  少数属于原核生物、真核生物、质体或病毒的DNA序列(后两者较前两者多),会由于正意股与反意股之间的差异难以区分,而产生重叠基因,这类DNA序列具有双重功能,一方面能以5'往3'的方向合成蛋白质,另一方面也能以相反方向合成另一个蛋白质。这种重叠现象一方面在细菌体内参与调控基因的转录,一方面则在较小的病毒基因组中,扮演增加讯息量的角色。为了缩减基因组的大小,也有某些病毒以线状或环状的单股DNA作为遗传物质。

DNA生物机能


  DNA于真核生物细胞内,通常是以长条状染色体形式存在;在原核生物细胞内则是环状染色体。细胞内的所有染色体合称基因组。人类基因组中大约有30亿个碱基对,共组成了46个染色体。DNA所携带的讯息,是以序列形式,保存于一些称为基因的片段中。基因中的遗传讯息是经由互补的碱基配对来传递,例如在转录作用中,细胞里的RNA核苷酸会与互补的DNA结合,复制出一段与DNA序列互补的RNA序列。一般来说,这段RNA序列将会在转译作用中,经由RNA之间的互补配对,合成出相对应的蛋白质序列。另一方面,细胞也可以在称为DNA复制的过程中,单纯地复制其自身的遗传讯息。
T7RNA聚合酶(蓝色)以DNA模板(橙色)为依据,合成mRNA(绿色)

基因组结构


  真核生物的基因组DNA主要存放于细胞核中,此外也有少量位于粒线体或叶绿体内。原核生物的DNA则是保存在形状不规则的类核(nucloid)当中。基因是DNA的一段区域,保存了基因组里的遗传讯息,是遗传的单位,影响了生物个体的特定表征。基因中含有可转录的开放阅读框架,以及一些可调节开放阅读框架表现的调控序列,如启动子与强化子。

  许多物种的基因组都只有一小部分可编译成蛋白质。以人类为例,在人类的基因组中只有1.5%属于含有蛋白质编码的外显子,另有超过50%属于无编码的重复序列。真核生物基因组中如此大量的非编码DNA,以及物种之间不寻常的基因组大小或C值差异,长久以来一直是个难题,人们称之为“C值谜”。不过这些不含蛋白质编码的DNA序列,仍可能合成出具有功能的非编码RNA分子,用以调控基因表现。

  染色体中的某些非编码DNA序列,本身具有结构上的功能。例如一般只带有少量基因的端粒与着丝粒,对于染色体的稳定性及机能而言显得相当重要。人类体内有一类大量存在的非编码DNA,称为伪基因,是一些因突变累积而变得残缺无用的基因复制品。这些序列通常只可算是分子化石,不过有时候也会因为基因重复与趋异演化,而成为新基因里的新遗传物质。

转录与转译


  基因是指一段含有遗传讯息,且可影响生物体表现型的DNA序列。基因里的DNA碱基序列决定了信使RNA的序列,而信使RNA的序列又决定了蛋白质的序列。转译作用可依据基因所含有的核苷酸序列,以及遗传密码规则,生产出对应的蛋白质氨基酸序列。遗传密码的组成单位称为密码子,是含有三个字母的“指令”,这些单位则由三个核苷酸组成,例如ACT、CAG或TTT。

  在转录作用中,基因里的密码子会在RNA聚合酶的作用下,复制成为信使RNA。之后核糖体会帮助带着氨基酸的转移RNA与信使RNA进行碱基配对,进而将信使RNA解码。由于组成密码子的碱基共有四种,且以三字母为一单位,因此可能存在的密码子一共有64种(43)。与这些密码子对应的标准氨基酸有20种,因此大多数氨基酸对应了一种以上的密码子。另外有三个密码子称为“终止密码子”或“无义密码子”,是编码区域的末端,分别是TAA、TGA与TAG。
图为DNA复制,首先螺旋酶与拓扑异构酶将双螺旋解开,接着一个DNA聚合酶负责合成前进股;另一个则与延迟股结合,制造一些不连续的冈崎片段,再由DNA连接酶将其黏合

DNA复制


  生物个体成长需要经历细胞分裂,当细胞进行分裂时,必须将自身基因组中的DNA复制,才能使子细胞拥有和亲代相同的遗传讯息。DNA的双股结构可供DNA复制机制进行,在此复制过程中,两条长链会先分离,之后一种称为DNA聚合酶的酵素,会分别以两条长链为依据,合成出互补的DNA序列。酵素可找出正确的外来互补碱基,并将其结合到模板长链上,进而制造出新的互补长链。由于DNA聚合酶只能以5'到3'的方向合成DNA链,因此双螺旋中平行但方向相反的两股,具有不同的合成机制。旧长链上的碱基序列决定了新长链上的碱基序列,使细胞得以获得完整的DNA复制品。

变性和复性

 
  使刚性的 DNA双链解开成易于柔折的单链的现象叫做变性。凡能破坏氢键和改变堆集碱基的疏水性的试剂和条件,都能使DNA变性,如尿素、甲酰胺等试剂,酸或碱,以及加热等。随着变性,DNA出现一系列性质的变化,如紫外光吸收的增加即增色效应,旋光的减低,粘度的下降,沉降速度增加,浮力密度上升等。由于GC之间可以形成3个氢键,AT之间只能形成2个氢键,所以DNA分子中G+C的克分子含量愈高,变性愈难。利用DNA变性后的增色效应研究变性过程是最常用的手段。以温度对紫外光吸收作图得一 S形曲线,在一个相当窄的温度范围内,增色效应有一个跳跃,类似于结晶的融化。使50%的DNA变性的温度就叫做DNA的融点,通常写作TmTm的高低和DNA分子中G+C的克分子含量有关,可由下式表示:

(G+C)%=(Tm-69.3)×2.44%

  去除变性条件以后,变性DNA的2条互补链可以重新结合,恢复到原来的双螺旋,这个过程称为复性。复性的速度在一定条件下,和DNA的大小成反比例,如大肠杆菌的DNA比λ噬菌体DNA大80倍,大肠杆菌DNA的复性速度比λ噬菌体DNA小80倍。真核生物DNA更大,变性的真核生物DNA的复性速度相应应该更慢,但小鼠DNA中有约10%的复性速度比已知最小的噬菌体 DNA还要快。原因是原核生物DNA核苷酸顺序是不重复的,而真核生物DNA的核苷酸顺序有不重复的、中度重复的和高度重复的。上述小鼠 DNA的10%复性很快的部分就是高度重复顺序。不重复的顺序大都是编码蛋白质的结构基因。中度重复顺序大部分分散存在于不重复顺序之间,可能对基因表达起着调节控制作用;小部分是连续排列,主要是rRNA的基因,tRNA的基因和某些蛋白质的基因。高度重复顺序的功能还不清楚。

修饰和限制

 
  细菌有一种不降解自身DNA但能降解异源DNA的机制,这是阻止异源DNA在体内起作用的一种保护作用。起这个保护作用的就是限制性核酸内切酶。限制性核酸内切酶有Ⅰ型和Ⅱ型两类:Ⅰ型酶需Mg2+、ATP和S-腺苷甲硫氨酸;Ⅱ型酶只需Mg2+;Ⅰ型酶除有核酸酶活力外,还有甲基化酶和腺三磷酶活力。Ⅱ型酶则只有核酸酶活力;Ⅱ型酶的切点是专一的,它要求一定的核苷酸顺序(具有双重旋转对称性),而Ⅰ型酶则否。

  如果碱基被修饰了,如腺嘌呤的6-氨基上的氢原子被甲基取代或胞嘧啶的5位甲基化了,原来能裂解这个核苷酸顺序的限制性核酸内切酶就不能再作用于这个修饰过的DNA。因此,如果细菌本身的DNA是修饰过的(甲基化),则限制性核酸内切酶对自身DNA不起作用,当外来DNA(未修饰过的)进入细菌体内,限制性核酸内切酸可将其降解,这样对自身就起到了保护作用。

  由于Ⅱ型限制性核酸内切酶作用于DNA时,需要特定的核苷酸排列顺序,因此它是测定DNA核苷酸排列顺序的非常有用的工具。目前 DNA核苷酸顺序的测定之所以得到极为迅速的发展,Ⅱ型限制性核酸内切酶起了很大作用。

  限制性核酸内切酶广泛存在于各种细菌内,但在真核生物中似乎尚未找到过。至1983年已搞清识别顺序的Ⅱ型限制性核酸内切酶达400种。

DNA重组

 
  同源DNA在体内重组是经常发生的。这是产生生物遗传性多样化的主要原因。 DNA重组可通过人工方法实现。即将DNA片段在体外连接,然后引入活细胞内进行复制,要完成这项工作须具备下列条件:①DNA运载体(如质粒、噬菌体、病毒等)能在活细胞内复制;②需要复制的DNA片段即DNA乘客(如各种基因);③连接DNA片段和DNA运载体的方法和工具酶(如限制性核酸内切酶、DNA连接酶等);④将连接好的DNA(重组体DNA)引入寄主细胞的方法(如转化、转染等);⑤筛选带有所需重组体DNA的细胞的方法。

  重组体 DNA是20世纪70年代才开展起来的研究。短短10年利用这个方法已经生产了许多多肽和蛋白质激素、酶制剂、疫苗、干扰素、抗生素等。

DNA生物代谢的演化


  DNA所包含的遗传讯息,是所有现代生命机能,以及生物生长与繁殖的基础。不过目前尚未明了在长达四十亿年的生命史中,DNA究竟是何时出现并开始发生作用。有一些科学家认为,早期的生命形态有可能是以RNA作为遗传物质。RNA可能在早期细胞代谢中扮演主要角色,一方面可传递遗传讯息;另一方面也可作为核糖酶的一部分,进行催化作用。在古代RNA世界里,核酸同时具有催化与遗传上的功能,而这些分子后来可能演化成为目前以四种核苷酸组成遗传密码的形式,这是因为当碱基种类较少时,复制的精确性会增加;而碱基种类较多时,增加的则是核酸的催化效能。两种可达成不同目的功能最后在四种碱基的情形下达到最合适数量。

  不过关于这种古代遗传系统并没有直接证据,且由于DNA在环境中无法存留超过一百万年,在溶液中又会逐渐降解成短小的片段,因此大多数化石中并无DNA可供研究。即使如此,仍有一些声称表示已经获得更古老的DNA,其中一项研究表示,已从存活于2亿5千万年古老的盐类晶体中的细菌分离出DNA,但此宣布引起了讨论与争议。

人工合成

 
  由于重组DNA技术的建立,人工合成DNA的工作有了非常迅速的发展。到1983年,已合成了tRNA、胰岛素A、B链、胰岛素原,生长激素释放抑制因子,胸腺素α、干扰素α和γ、表皮生长因子,生长激素类胰岛素生长因子、 促胰激素、 降钙素、内啡肽等的基因。


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  • 172.11.246.*在 2020/3/3 2:15:56 发表
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  • 172.16.32.*在 2018/7/11 11:40:36 发表
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