DNA的结构与功能
DNA的结构与功能
DNA（脱氧核糖核酸）是生物体内存储遗传信息的重要分子，其独特的结构决定了其在生命活动中的重要作用。本文将从DNA的一级结构、二级结构、三级结构以及DNA的性质等方面，全面介绍DNA的结构与功能。
DNA的一级结构
DNA分子中各脱氧核苷酸之间的连接方式（3´-5´磷酸二酯键）和排列顺序叫做DNA的一级结构，简称为碱基序列。一级结构的走向规定为5´→3´。
DNA一级结构的表示法
- 结构式：显示磷酸、脱氧核糖和碱基的详细结构。
- 线条式：简化表示碱基序列。
- 字母式：用A、T、C、G表示碱基序列。
DNA一级结构的基本特点
- 双链反向平行配对而成
- 脱氧核糖和磷酸交替连接，构成DNA骨架，碱基排在内侧
- 内侧碱基通过氢键互补形成碱基对（A：T，C：G）
- DNA在碱性条件下稳定性强，不断裂。pH=11.5时仍稳定，而RNA易被碱水解
DNA的二级结构
1953年，沃森和克里克根据DNA纤维X射线晶体衍射图，提出了DNA分子结构的双螺旋模型。这一发现获得了1962年诺贝尔生理学医学奖。
DNA双螺旋的基本特征
- 两条链反向平行，围绕同一中心轴构成右手双螺旋。
- 相邻碱基对间距离为0.34nm,每周螺距为3.4nm(10bp),d为2nm。
- 双螺旋有两种不同的沟（大沟和小沟）。大沟携带分子可识别信息，是蛋白质识别DNA碱基序列产生相互作用的基础。
DNA双螺旋结构稳定因素
- 碱基对间的氢键
- 碱基堆积力
- 相邻碱基对间的范德华力
- 碱基对间的疏水作用力
- 磷酸基上负电荷被胞内组蛋白或正离子中和，降低静电张力
DNA双螺旋类型
类型 | 碱基倾角/（°） | 碱基间距/nm | 螺旋直径/nm | 每轮碱基数 | 螺旋方向 |
|---|---|---|---|---|---|
A-DNA | 20 | 0.26 | 2.6 | 11 | 右 |
B-DNA | 6 | 0.34 | 2.0 | 10 | 右 |
Z-DNA | 7 | 0.37 | 1.8 | 12 | 左 |
DNA三级结构
DNA在细胞内以双螺旋为基础进一步旋转折叠成超螺旋结构。超螺旋可分为正超螺旋和负超螺旋，其中负超螺旋有利于转录的起始。
真核生物DNA的三级结构
真核生物DNA与蛋白质形成非常致密的复合物存在于细胞核内，基本结构式核小体。核小体由DNA和组蛋白组成，其中组蛋白H2A、H2B、H3、H4形成八聚体核心，组蛋白H1位于连接区。
核小体的结构
核小体链（11nm，每个核小体200bp）→纤丝（30nm，每圈6个核小体）→突环（150nm，每个突环大约75000bp）→玫瑰花结（300nm，6个突环）→螺旋圈（700nm，每圈30个玫瑰花）→染色体（1400nm，每个染色体含10个玫瑰花200bp）。
DNA的性质
DNA的变性
某些理化因素会导致DNA双链互补碱基之间的氢键发生断裂，使双链DNA解离为单链。只改变DNA的二级结构，不改变它的核苷酸序列。变性因素包括过量酸、碱，加热，离子强度改变等。
DNA的增色效应
DNA变性时其溶液OD260值增高，这一现象称为增色效应。
解链曲线与解链温度
解链温度（Tm）是在解链过程中，UV吸收值的变化达到最大变化值一半时对应的温度，此温度时，50%DNA双链打开。Tm值与DNA均一性和长短、碱基GC含量、溶液离子强度相关，GC含量越高，Tm值越高。
Tm值的计算及应用
- 对于常规DNA片段：Tm=69.3+0.41×(G+C)/(G+C+A+T)×100%
- 对于小于20bp的寡核苷酸片段：Tm=4（G+C）+2（A+T)
- PCR退火温度比Tm值低4~6℃
DNA的复性
DNA回复成双链结构，称为复性。影响复性的因素包括样品的性质、DNA片段的大小、DNA浓度、温度、离子强度等。