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DNA的一般性质

DNA是遗传物质的由来：1944年Avery等发现，从S型肺炎球菌中提取的DNA与R型肺炎球菌混合后，能使某些R型菌转化为S型菌，且转化率与DNA的纯度呈正相关。若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不会发生。因此得出结论，S型菌的DNA将其遗传特性传递给了R型菌，DNA就是遗传物质。后来A.D.Hershey和M.Cha-se用35S和32P双标记T2噬菌体证明DNA是遗传物质。具体的实验过程为噬菌体在35S培养基中外壳蛋白被标记；在32P培养基中DNA被标记；这种双标记的噬菌体感染大肠杆菌时，DNA进入细胞大量复制（只有亲本DNA链才有32P）并装配成子代颗粒，实验结果显示只有少量的噬菌体有32P，而无外壳有35S。

多核苷酸链

1、核酸的化学成分

核酸在生物体内属于高分子化合物，它可以分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两大类。DNA和RNA都是由单个核苷酸（nucleotide）首尾相连形成的。核苷酸是由碱基、磷酸和戊糖构成。

单个核苷酸

1）碱基（base）

嘌呤(purine)：腺嘌呤(adenine，A)、鸟嘌呤(guanine，G)；

嘧啶(pyrimi-dine)：胞嘧啶(cytosine，C)、胸腺嘧啶（thymine，T)、尿嘧啶(uracil，U)。

DNA中存在：A、T、G、C；

RNA中存在：A、U、G、C。

注意：核酸分子中还有数十种修饰碱基（themodified component），又称为稀有碱基。是五种碱基环上的某一位置被一些化学基团（如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。

2）戊糖：RNA中的戊糖是D-核糖，DNA中的戊糖是D-2-脱氧核糖

3）核苷（nucleoside）：由核糖和碱基通过糖苷键连接形成的化合物，核酸中的核苷主要有8种。

4）核苷酸（nucleotide）：是核苷与磷酸残基构成的化合物，是核酸分子的结构单元。

2、核苷酸的连接方式

核酸是由多个核苷酸以3’，5’磷酸二酯键聚合形成的多聚核苷酸（poly nucleotide）

1）寡核苷酸（oligonucleotide）：指二至十个核苷酸残基以磷酸二酯键相连接而形成的线性多核苷酸片段。三十甚至更多个核苷酸残基的多核苷酸分子也称为寡核苷酸。寡核苷酸可以由机器自动合成，用于作为DNA合成的引物（primer）、基因探针（probe）等。

2）核酸链的简写式（即核酸分子的一级结构）

字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用P代表磷酸残基，出现T的为DNA链，出现 U则为RNA链。以5’和3’表示链的末端及方向，分别置于简写式的左右二端。

线条式：字符书写基础上，以垂线（位于碱基之下）和斜线（位于垂线与P之间）分别表示糖基和磷酸酯键。

DNA的一级结构

DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列顺序，简称为DNA顺序（或序列）。DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定的功能单位，这就是基因，不同基因的功能各异，各自分布在DNA的一定区域。基因的功能取决于DNA的一级结构，要解释基因的生物学含义，就必须弄清DNA顺序。

DNA的二级结构及多态性

双螺旋结构

不同物种组织DNA在总的碱基组成上有很大的变化，表现在A+T/G+C比值的不同，但同种生物的不同组织DNA碱基组成相同

1、双螺旋结构的特征

1）主链（backbone）：脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接成反向平行的两条主链，它们绕一共同轴心向右盘旋形成双螺旋构型，主链处于螺旋的外则

2）碱基对（base pair）：碱基位于螺旋的内侧，A-T、G-C间以氢键配对

3）大沟和小沟：分别指双螺旋表明凹下去的较大的沟槽和较小的沟槽。大沟对于蛋白质识别DNA双螺旋结构上的特定信息非常重要，只有在沟内蛋白质才能识别到不同的碱基顺序。

4）结构参数：螺旋直径2nm，一个螺旋周期包含10bp，螺距为3.4nm，相邻碱基对平面的间距为0.34nm

2、影响双螺旋结构的因素

1）氢键：碱基之间通过氢键连接，单个氢键是不稳定的，因此DNA双螺旋结构中的氢键处于不断的断裂和复合的热平衡状态。由20个以上的碱基对组成的双螺旋在室温条件下已经相当稳定，因此在设计PCR引物时一般至少在16nt，最好在20-24nt，以增加特异性和稳定性。（氢键的形成有助于DNA复制、修复、重组、转录、翻译以及各种分子杂交等）

2）碱基堆积力：是同一条链中相邻碱基之间的疏水作用和范德华力。DNA的主链是亲水的，但是碱基本身具有一定的疏水性。因此在水溶液中这些疏水基团自发的聚集，从热力学角度来看，DNA倾向于形成三维结构是有利于高溶性的磷酸基团与水的接触增加到最大的限度，使碱基与水的接触减小到最小限度，从而使双螺旋内部相近的碱基相互聚集，形成双螺旋，这是形成碱基堆积力的因素之一（DNA双螺旋结构中的疏水作用力可用加入甲醇或三氟乙酸钠来证明。它们对磷酸-脱氧核糖骨架均无明显影响，但能显著降低Tm值，Tm值降低的程度恰恰与碱基溶解度的增加成比例。

3）静电斥力：DNA链上核苷酸的磷酸基上都带有一个负电荷，双链之间的这种强有力的静电排斥作用驱使两条链分开。

4）碱基分子内能：当由于温度等因素使碱基分子内能增加时，碱基的定向排列会遭受到破坏，削弱氢键的结合力和碱基堆积力，从而破坏双螺旋结构

3、DNA空间结构的不均一性

一级结构决定高级结构

1）反向重复序列（inverted repeats）：又称为回文序列，能在DNA或RNA中形成发夹结构，但DNA中有可能形成十字形结构，这个过程需能，一般在DNA水平上发生这种转变的可能性较小。注意，较短的回文序列可能是作为一种特别信号，如限制性内切核酸酶的识别位点。人们已经发现转录的终止作用与回文结构有关。

2）富含A/T的序列：在高等生物中，A+T与G+C的含量差不多相等。然而在它们的染色体的某一区域， A.T含量可能很高。在很多有重要调节功能的DNA区段都富含A-T， 5’-TA-3’的Tm值最低，例如在复制起点的序列中，富含A/T序列。启动子中富含A/T对转录起始复合物形成有重要作用。

3）嘌呤和嘧啶的排列顺序对双螺旋结构稳定性的影响

嘌呤与嘌呤之间>嘌呤与嘧啶之间>嘧啶与嘧啶之间 ，例如5’-GC-3’的稳定性比5’-CG-3’大很多，从嘌呤到嘧啶的方向的碱基堆集作用显著地大于同样组成的嘧啶到嘌呤方向的碱基推集作用，这是由于嘌呤环和嘧啶环间的重迭面积在不同形式的排列中不同

4、双螺旋结构的意义

DNA的二条链是一对互补的模板(亲本)，复制时两条链分开，每条链都作为模板指导合成与自身互补的新链，最后从原有的两条链得到两对链而完成复制。在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性。复制得到的每对链中只保留了一条亲链，称为半保留复制(semi-conservative replication)

二级结构多态性

1、DNA构象

分为右手双螺旋构象（A、B、C、D、E）和左手双螺旋构象（Z，Z-DNA只有一个螺旋沟，相当于B构象中的小沟）。DNA的构象是可以改变的，在不同的条件下构象不同。在DNA分子中存在有Z-DNA区，而且有一些因素可以促使B-DNA转变为Z-DNA。Z-DNA的形成通常在热力学上是不利的，因为Z-DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，会导致静电排斥。但DNA链的局部不稳定区域的存在会称为潜在的解链位点。DNA解旋是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因调节有关系。

2、DNA螺旋上沟的特征在信息表达中的作用

调控蛋白通过特定的氨基酸侧链与DNA与双螺旋沟中碱基的氢原子形成氢键，从而识别DNA上的遗传信息。沟的宽窄和深浅直接影响调控蛋白质对DNA信息的识别。

3、DNA不同构象形成的原因

含(TC)n和(AG)n这样的同型嘧啶和同型嘌呤，并形成镜像重复或回文结构的序列，在低pH值条件下，双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折，并嵌入剩下的双链DNA大沟中形成分子内的三链DNA（hinged DNA,H-DNA）。三链DNA的第三股链可来自分子内或分子外。三链DNA中，位于大沟中的多聚嘌呤链与双链DNA中的多聚嘌呤链成平行走向，碱基按照Hoogsteen方式配对形成TAT，CGC三联体。

4、影响多态性的因素

1）湿度和盐离子的影响：在溶液或细胞中的天然DNA大多数为B-DNA，但改变湿度或由钠盐变为钾盐、铯盐等，则会形成A-DNA、C-DNA等构象

2）有机溶剂的影响：用乙醇沉淀DNA时可将DNA由B-DNA经C-DNA转变为A-DNA

3）盐浓度的影响：高浓度盐溶液（4mol/L）会使B-DNA部分变构为Z-DNA。

4）碱基序列的影响：含(TC)n和(AG)n的同型嘧啶和同型嘌呤，并形成镜像重复的序列，在低pH值条件下，可形成分子内的三链DNA（H-DNA）

变性与复性

1、DNA的变性（denaturation）：在高温或其他物理化学条件的作用下，使得DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。包括加热、提高离子强度、维持极端的PH值、通过疏水作用以及利用碱基堆积力等可以破坏双螺旋稳定性的因素。变性会导致DNA的一些理化及生物学性质发生改变。

1）增色效应或高色效应（hyperchromic effect）：是DNA变性后溶液的紫外吸收作用增强的效应。原因就在于DNA变性会导致双链解开，那碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故产生增色效应。

2）熔解温度（melting temperature, Tm）: 热变性使DNA分子双链解开所需的温度，是被测DNA的50%发生变性（增色效应达到一半）时的温度。Tm值的影响因素主要包括DNA的均一性（若样品比较均一，只含一种DNA，那Tm值范围就比较窄，反之则比较宽）；DNA的GC含量（G+C含量越高，Tm值越高。因为G-C碱基有三对氢键，A-T碱基有2对氢键，DNA中G+C含量高能增强结构的稳定性，因此破坏G-C间的氢键要付出更多的能量）

2、DNA的复性（renaturation）：已经变性的DNA在适当的条件下两条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的过程。复性的条件包括1有足够的盐浓度以消除磷酸基的静电斥力；2有足够高的温度以破坏无规则的链内氢键。完全变性DNA一般需要几个小时才能复性。复性DNA分子不一定是原有的一对互补链，大部分复性DNA分子都不是原配的。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为"退火"(annealing)。 "退火"也用以描述杂交核酸分子的形成。DNA的复性不仅受温度影响，还受DNA自身特性等其它因素的影响。一般认为比Tm低25℃左右的温度是复性的最佳条件，越远离此温度，复性速度就越慢。

DNA的超螺旋结构

超螺旋是双螺旋DNA进一步扭曲盘绕形成的高级结构

1、超螺旋的形成

DNA的双螺旋结构在一般情况下总是处于能量最低的状态，若正常DNA双螺旋额外的多转或少转几圈，就会出现超螺旋空间结构的改变，在DNA分子中产生额外的张力，如果此时双螺旋的末端是固定的或是环状分子，双链就不能自由的转动，额外的张力不能释放，导致DNA分子内部位置的重排，出现扭曲，出现双螺旋。超螺旋又可以分为正超螺旋（紧旋效应）和负超螺旋（松旋效应）。天然的DNA都呈负超螺旋，但体外可得到正超螺旋。溴化乙锭（ethidium bromide）能与DNA紧密结合，使DNA的密度降低。它插入DNA分子碱基对之间，引起DNA分子松旋，随着EB量的增加，负超螺旋DNA就转变为松弛态；EB的进一步增加，DNA就转变为正超螺旋。负超螺旋是DNA复制的必需条件，负超螺旋可使DNA双链碱基对打开所需要的能量降低4.1KJ/mol，因而，有利于DNA的双链分开

2、超螺旋的意义

①超螺旋形式是DNA分子复制和转录的需要

②超螺旋可使DNA分子形成高度致密的状态从而得以容纳于有限的空间

染色体的结构

DNA molecules are the largest macromolecules in the cell and are commonly packaged into structures called “chromosomes”, most bacteria & viruses have a single chromosome where as Eukaryotic cells usually contain many.

1、染色体的概念

狭义：指细胞分裂时出现在核内的易被碱性染料着色的物质

广义：指存在于病毒、细菌、真核生物及其细胞器内所含的核酸分子

染色体是由DNA、组蛋白和非组蛋白组成，是遗传信息或基因的载体，是遗传的主要物质基础。（染色体存在于细胞核中，经染色后，一般在细胞分裂时才能看到，在分裂期间，染色体可自身复制成含两个拷贝的姐妹染色单体（sister chromatid））

2、染色质的化学组成

1）DNA：是染色质的主要化学成分，也是遗传信息的载体，它与组蛋白相结合

2）蛋白质：包括组蛋白和非组蛋白，组蛋白是染色体的结构蛋白，它与DNA组成核小体。组蛋白的含量与DNA含量之比约为1:1。（组蛋白在进化上极度保守，且无组织特异性，组蛋白的修饰作用包括甲基化、乙基化、磷酸化等；非组蛋白与基因表达以及染色体高级结构的维持有关，参与基因复制、转录及核酸修饰的酶类就是重要的非组蛋白）

3、核小体（nucleosome）的结构

核小体是染色体的基本结构单位

1）核小体的组分

不同生物（或同种生物的不同细胞）的核小体，其DNA片段长度有所差别。每一核小体所含的DNA与组蛋白的量大致相等。用可使DNA降解的小球菌核酸酶(micro coccal nuclease)处理提取的染色质，可以得到单个的核小体颗粒。

2）核小体的结构

由核心颗粒（coreparticie）和连接区DNA（linker DNA）组成。核小体的核心颗粒很难降解，它是由146bp的DNA片段和H2A、H2B、H3和H4各2分子组成。

4、染色体的包装

细胞核DNA在双螺旋基础上进一步结构变化，形成更高层次的超螺旋，使巨大的DNA链包装成染色体。

1）染色体的一级包装---核小体

2）染色体的二级包装---染色质螺线管（chromatin solenoid）

3）染色体的三级包装---染色质纤维环（loops of chromatin fiber）:螺线管纤维缠绕在非组蛋白构成的中心轴骨架上形成染色质纤维环。每个环的DNA长度约为75kb。主要的支架蛋白质包括拓朴异构酶II，它的功能是避免DNA形成缠结。与支架蛋白质结合的DNA序列大部分是A和T，涵盖数百bp，称支架联结区(scaffold association region，SAR)

4）染色体（chromosome）的形成：染色质浓缩时，纤维环会再绕成直径700nm的螺旋

染色质基本单位的核小体。

由核小体螺旋化盘绕形成螺线管。

由螺线管纤维缠绕形成染色质纤维环。

由染色质纤维环会再绕成螺旋形成染色体。