DNA的分子结构
1 DNA的分子大小:106-1010 :肺鱼1000亿
人类30多亿碱基对,约一米长。
2 DNA的碱基组成
在绝大多数天然DNA分子中,只含有A、G、C、T四种碱基 (但有个别来源的DNA含有其它稀有碱基。如大肠杆菌噬菌体含有5-羟甲基胞嘧啶代之胞嘧啶;枯草杆菌含有尿嘧啶代之胸腺嘧啶;小牛胸腺DNA含有5-甲基胞嘧啶)。
DNA的碱基组成:指A、T、G、C 这四种碱基在DNA分子中的摩尔比例。通过对多种生物DNA的碱基分析,发现DNA碱基组成由一定的规律性,即所谓的碱基定律。这是Chargaff在1950年总结的,也称Chargaff碱基定律。
Chargaff碱基定律。主要内容如下:
在所有DNA中,A=T、G=C,所以A+G=C+T,即嘌呤与嘧啶相等。
不同生物DNA 的碱基组成是不同的。生物的亲缘关系越近,DNA碱基组成越相似。 所以通过测定生物DNA的序列进行生物的分类。
DNA的碱基组成没有组织器官的特异性。即同一生物个体的所有组织器官的DNA 碱基组成都是一样的。
年龄、营养条件、环境的改变不影响DNA的碱基组成。
3 DNA的一级结构
脱氧多核苷酸链中的脱氧核苷酸排列顺序叫DNA的一级结构。
由于生物的遗传信息储存在DNA的脱氧核苷酸的序列之中,所以了解各种生物的DNA的脱氧核苷酸序列,即一级结构是非常重要的。如在2003年,经过国际间合作,科学家完成人类基因组计划,即 30亿个碱基的测序任务,我国承担1%的任务。现在测序技术越来先进,水稻的全序列也已经完成,新的微生物出现后,在很短时间就可分析出全序列,如SARS 病毒的基因序列。
DNA分子主要由dAMP、dTMP、dGMP、dCMP四种脱氧核苷酸组成, 它们是通过3,5磷酸二酯键连接在一起的。即一个脱氧核苷酸的脱氧核糖的3位碳原子的羟基与另一个脱氧核苷酸脱氧核糖的5位碳原子的磷酸基形成的磷酸二酯键。DNA 分子一级结构就是由许多脱氧核苷酸通过3,5磷酸二酯键连接而成的链状结构。脱氧多核苷酸链具有方向性,5’→3’ 或3’→5’。
4 DNA 的二级结构—双螺旋结构
DNA分子是由两股脱氧核苷酸链组成的。两股链盘绕成螺旋形,这就是所谓的DNA二级结构,即双螺旋结构。这一结构是1953年又Watson and Crick 根据前人(Rosalind Franklin and Maurice Wilkins)做的DNA晶体X-光衍射结果提出的结构,后来被证实。
其基本内容如下:
A. DNA是由两条反向平行的脱氧多核苷酸链相互围绕形成的右手双螺旋;
B. 碱基位于螺旋的内侧,碱基环与中心轴垂直,两条链通过碱基之间形成的氢键连接在一起,形成碱基配对,配对规律为:A-T, G-C。 所以知道一条链的碱基顺序,就可知道另一条链的顺序。A-T 为2个氢键;G-C 为3个氢键。所以GC含量高的区域DNA双螺旋稳定。
C. 磷酸基和脱氧核糖位于螺旋的外侧,构成双螺旋的骨架。
D. 螺旋的直径为2nm,螺距为3.4nm,碱基平面间的距离为0.34nm,所以一个螺距包括10个碱基对。
E. 双螺旋形成有大沟(major groove)和小沟,(minor groove)并交替出现。DNA双螺旋之间形成的沟称为大沟,而两条DNA链之间形成的沟称为小沟。
5 DNA 三级结构:DNA的三级结构是指DNA分子双螺旋通过弯曲和扭转所形成的特定构象,其主要形式是超螺旋(Super helix或Super coiled DNA),主要是在原核生物和病毒中发现的。有些病毒,如λ噬菌体的DNA分子可在线型与环形间互变,在病毒内是线性,侵入宿主细胞后呈环形。环状DNA是DNA链首尾相连或称共价闭合。后来发现超螺旋是环状或线状DNA共有的特征,也是DNA三级结构的一种普遍形式。
为了说明超螺旋的形成,我们将DNA双螺旋中一条链沿右手方向缠绕另一条链的次数称为连锁数(Linking number,L),如图 4‑15A所示为一线状DNA,连锁数为L=25。这样的DNA链连接起来形成闭合环,此环状DNA称为松弛型(图 4‑15B)。螺旋数(twisting number,T)是指DNA的一条链绕双螺旋轴所做的完整的旋转数。超螺旋数(writhing number,W)是指DNA的双螺旋轴在空间的转动数。L、T、W三者之间的关系为:
L = T + W
T和W可以是小数,但L必须是整数。L值相同的DNA之间可以不经链的断裂而相互转变。
这些仅仅因为连锁数不同的分子互为拓扑异构体(topoisomer),拓扑学是数学的一个分支,它研究那些不因为变形(如拉长和弯曲)而改变的结构特性。自然界存在的所有超螺旋DNA分子都是最初缠绕不足,而形成的负超螺旋。
DNA拓扑学特性可用以下3个参数描述:
连环数(linking number, L): 指双螺旋中两条链相互缠绕的次数。一级结构相同而L值不同的环形DNA分子称为拓扑异构体。
缠绕数(twisting number, T):指DNA分子中Watson-Crick螺旋的数目。
超螺旋数(number of turns of supercoiling)或扭曲数(writhing number, W)
三者之间的关系可表示为: L=T+W。L代表整个分子的特征,T与W可在分子的不同区域有所变化。当L为定值时,T与W呈相反的变化关系。
真核细胞的DNA主要以染色质的形式存在于细胞核中。染色质的结构极为复杂。已知染色质的基本构成单位为核小体,核小体的主要成分为DNA和组蛋白,它是以组蛋白为核心颗粒,而双螺旋DNA则盘绕在此核心颗粒上形成核小体(核小体中的DNA为超螺旋)。许多核小体之间由高度折叠的DNA链相连在一起,构成串珠状结构,这种结构再进一步盘绕成更复杂更高层次的结构。