染色体与DNA

第二章D N A与染色体

第二节D N A的结构

一.D N A结构性质及其研究历程

2.核苷酸的性质

(1)碱基的性质

①互变异构。嘌岭和嘧啶都有酮式和烯醇式的互变异构体。

一般而言，酮式稳定。

②光吸收。所有嘌呤和嘧啶在260n m左右都有最大光吸收。

③疏水性。在中性p H和细胞环境中嘌呤和嘧啶相当不溶于

水。

(2)核苷酸的解离

主要是磷酸基团的解离，其解离常数p K a1接近1，p K a2约为6，因此核苷酸在中性p H时带有负电荷。

3．核苷酸的生物学功能

①作为核酸构件分子。4种5'-核苷三磷酸(N T P)和4种5‟-

脱氧核苷三磷酸(d N T P)作为底物，分别用于合成R N A和

D N A。

②作为能量载体，如A T P、G T P、C T P和U T P。

③作为多糖或寡糖合成的糖基载体，如U D P-G l c；磷脂等合成中的酰基、胆碱等载体，如C D P-胆碱。

④作为信息分子。环核苷酸如c A M P和c G M P作为细胞通讯第二信使。…

⑤作为辅酶。如辅酶A(C o A)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(辅酶I，N A D+)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(辅酶Ⅱ，N A D P+)、黄素单核苷酸(F M N)、黄素腺嘌岭二核苷酸(F A D)。

(3)分子形状和相对分子质量

DNA是大的生物分子

因此DNA水溶液具有高黏度；

分子形状对分子质量也影响DNA在超速离心和在密度梯度离心时的行为。

在氯化铯密度梯度离心时(48小时)，DNA的浮力密度与其碱基组成、分子构象有关，有高G+C的其浮力密度较高，超螺旋>环状>线形。

⏹但事实上碱基环上的氢原子有其较为固定的位置：腺嘌呤和胞嘧啶环上的氮原子常处于氨基（-N H2）状态，只有极少数处于亚氨基（=N H）状态。同样，鸟嘌呤和胸腺嘧啶环上的C6上的氧原子常为酮式

（C=O），很少有烯醇式（C-O H）。

⏹另一方面,A与C上的氮原子偶尔也可以形成亚氨基，G与T上的氧原子偶尔也可形成烯醇式。可能这就是D N A复制时引起突变的原因之一。这种突变是生物进化的动力。

D N A双螺旋结构模型的要点：

①主链：脱氧核糖与磷酸基通过3…，5‟－磷酸二酯键连接形成螺旋链的骨架。两条多核苷酸链以右手螺旋的形式，彼此以一定的空间距离，平行地环绕于同一轴上，很象一条扭曲起来的梯子。

两条多核苷酸走向为反向平行（a n t i p a r a l l e l），即一条链磷酸二脂键为5‟-3‟方向，另一条刚好相反。

②碱基配对：每条长链的内侧是扁平的盘状碱基，碱基一方面与脱氧核糖相联系，另一方面通过氢键（h y d r o g e n b o n d）与它互补的碱基相联系。碱基配对不是随机的A与T配对

(A=T)；C与G配对(C≡G)。

③螺旋参数：碱基是接近平面的结构，基本与螺旋轴垂直。相邻碱基对之间的距离为0.34n m。相邻碱基对之间绕螺旋轴旋转的夹角为36°.每个螺旋为3.4n m长，刚好含有10个碱基对.双螺旋直径约为2n m。

④在双螺旋分子的表面大沟（w i d e o r m a j o r g r o o v e）和小沟（n a r r o w o r m i n o r g r o o v e）交替出现。大沟中碱基的差异易于识别，对于蛋白质识别双螺旋结构上的特异信息非常重要。

二、D N A一级结构及其稳定性

脱氧核苷酸以磷酸二酯键连结，碱基排列蕴藏了遗传信息。

D N A一级结构的稳定性：

D N A在p H>11时，双链解开，酸性条件下糖苷键断裂，p H<1时磷酸二酯键水解。

R N A在p H>11时水解。

三.D N A的二级结构：通常是指双股核苷酸链通过碱基的配对作用形成的双螺旋结构。

1.维持双螺旋结构的作用力

H键

A=T

C≡G

双螺旋结构的稳定性与G+C的百分含量成正比。

⏹碱基堆集力

同一条链中的相邻碱基之间的非特异性作用力即疏水作用力和V a n d e r W a a l力

嘌呤环、嘧啶环有一定的疏水性，堆积形成疏水区。（疏水h y d r o p h o b i c；

亲水h y d r o p h i l i c）。

任何一种溶剂若能加强弱的可溶性物质与水的相互作用，或能打破该物质外面的¡°水壳¡±，就会降低疏水相互作用，T m也降低。如甲醇能增加碱基的溶解度，三氟醋酸钠可打破¡°水壳¡±，都能使T m降低。

盐浓度高，促进疏水。

疏水力在温度25℃>40℃，疏水层析不宜低温。

⏹带负电荷的磷酸基的静电斥力

带负电荷的磷酸基团与介质中阳离子之间形成离子键，屏蔽磷酸基之间的斥力。

纯水

高盐（增加疏水作用力，碱基溶解性降低，若不与溶剂成分结合则自相聚集

⏹碱基分子内能

2.D N A双螺旋的呼吸作用

呼吸

绽裂（末端几个碱基对常处于单链状态，两端碱堆集力小，则氢键也不稳定。）

3.D N A的变性与复性

变性：由天然的双链变为单链。

复性：变性D N A在适当的条件下，两条彼此分开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性或退火。

3.1变性

变性方法：热变性，碱变性,有机溶剂如甲醛和尿素等。

D N A在p H>11时，双链解开，酸性条件下糖苷碱断裂，p H<1时磷酸二酯键水解。

双链DNA（ds DNA）A260=1.00，ssDNA A260=1.37，故双链DNA缓慢加热，其溶液对UV吸收值增加。

加温使DNA变性时，其紫外吸收光密度值达最大增值一半时的温度叫解链温度（melting temperature , Tm）。

Tm越高，说明DNA分子越稳定。

Marmur-Doty关系式Tm=69.3+0.41（% G+C）

PCR 引物的Tm=2×(A+T)+4×(C+G)

②影响T m的因素。G-C含量、D N A样品均一性、缓冲液的离子强度和p H。例如在标准条件

(0．15m o l/N a C1-0.15m o l/L柠檬酸钠)下，T m=

69.3+0.41(C+C)。

尿素、甲酰胺、甲醛等和D N A碱基形成氢键，降低T m值。

3.2复性