脫氧核糖核酸

1、脫氧核糖核酸由成千上萬個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成的一類核酸。因含脫氧核糖而得名 , 簡稱 DNA(見彩圖 ) 。它是染色體的主要成分。此外，真核生物的線粒體和葉綠體中也含有DNA，原核生物的質(zhì)粒全由DNA構成。在不含核糖核酸(RNA)的病毒和噬菌體中，其核酸都是DNA。除了 RNA病毒和噬菌體外， DNA是所有生物的遺傳物質(zhì)基礎。生物體親子之間的相似性和繼承性即所謂遺傳信息都貯存在DNA分子中。 1944 年 O.T. 埃弗里等人從帶莢膜光滑菌落的 ?型肺炎球菌抽提出DNA,加到不帶莢膜粗糙菌落的肺炎球菌培養(yǎng)基中，使后者轉(zhuǎn)化為帶莢膜光滑菌落的?型肺炎球菌，并證明這種轉(zhuǎn)化能力不能為蛋白水

2、解酶或核糖核酸酶破壞，但若用脫氧核糖核酸酶處理，就失去轉(zhuǎn)化能力。1952 年 A.D. 赫爾希和 M.蔡斯用同位素分別標記 (32P 標記 DNA,35S標記蛋白質(zhì) ) 的T2 噬菌體感染大腸桿菌，發(fā)現(xiàn)只有DNA進入細菌體內(nèi) , 蛋白質(zhì)則留在體外。新生成的噬菌體也只含有32P 而不帶 35S，進一步證實 DNA是遺傳信息的載體。大小和形狀最小的如病毒和噬菌體DNA，分子量 d 也在百萬以上，大腸桿菌的DNA分子量為 2.5 ×109, 人的 DNA為 1.5 ×1012。 DNA的大小還可以所含堿基對數(shù)目和分子長度來表示，如猴腎病毒 40 的 DNA含有 5100 堿基對

3、, 其分子長為 1.7 微米 , 即長度為 1 微米的 DNA相當于 3000 堿基對 , 其分子量為 3000×660 或 2×106( 每一堿基對分子量以 660 計) 。DNA分子大多是線性，不分枝, 如真核生物染色體中的DNA;有些是環(huán)狀分子 , 如大腸桿菌的 DNA，線粒體 DNA，葉綠體 DNA和一些病毒 DNA等。絕大多數(shù) DNA是雙鏈 , 只有少數(shù)噬菌體和病毒 DNA是單鏈，如 X174 的 DNA是環(huán)狀單鏈分子。堿基組成 由脫氧腺苷酸、脫氧鳥苷酸、脫氧胸苷酸和脫氧胞苷酸等脫氧核苷酸所組成。其中腺、鳥即腺嘌呤(A) 和鳥嘌呤 (G); 胸、胞即胸腺嘧啶 (T

4、) 和胞嘧啶(C) 。測定這 4 種堿基的克分子比也就代表了 4 種脫氧核苷酸的克分子比。分析了許多不同生物材料 , 如人肝、牛胸腺、麥胚、酵母、大腸桿菌等的DNA中堿基的克分子比，發(fā)現(xiàn)嘌呤堿克分子含量和嘧啶堿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，鳥嘌呤克分子含量和胞嘧啶克分子含量近似相等( 在單鏈的 DNA中沒有這些規(guī)律 ) 。例如酵母中鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶的克分子百分數(shù)分別為18.3 ， 31.7 ， 17.4,32.6 。此外還發(fā)現(xiàn)每一種生物DNA的堿基比例都是恒定的，不因年齡、生長條件、環(huán)境因素而有變化，而且在高等生物中,不同器官和不同組織的DN

5、A都含有相同的堿基組成。此外, 每個生物 DNA的腺，胸與鳥，胞的比例各異，在細菌中這個比例的范圍很廣，例如藤黃疊球菌為0.35 ，產(chǎn)氣梭狀芽孢桿菌為2.7 。但在高等生物中，這個變化就較小，動物一般為13,1.5,植物為 1.1,1.7 。一級結構也稱化學結構 , 即核苷酸的排列順序。至1983 年中期已經(jīng)測定了許多種含幾千個核苷酸的DNA的一級結構 , 主要有病毒、噬菌體、質(zhì)粒和某些基因的DNA。幾萬對核苷酸的DNA如人的線粒體 DNA,牛線粒體 DNA和 噬菌體 DNA的一級結構也已測出。這樣迅速的發(fā)展 , 是由于 :? 發(fā)現(xiàn)了限制性核酸內(nèi)切酶 , 從而可以把大分子 DNA在特定的部位切

6、成許多片段，再分別進行結構測定 ;? 測定方法有很大進展，特別是化學降解法 ( 用特殊的化學試劑專一性地作用于 A、G、C、T) 和末端終止法 ( 用 2,3,- 雙脫氧核苷三磷酸代替正常的 3,- 脫氧核苷三磷酸以使 DNA鏈在酶促合成時停止延伸 ) 起了很大作用 ;? 運用重組 DNA的方法獲得大量的純 DNA;?新技術的應用，如用高比放射性的 32P 同位素標記 DNA片段 , 使樣品大為節(jié)省 ; 又如用電子計算機幫助排列各酶解片段的先后。中國學者洪國藩在此基礎上，于1982 年又創(chuàng)造出一種系統(tǒng)地非隨機測定法，進一步提高了效率。高級結構 1953 年， J.D. 沃森和克里克根據(jù) DNA

7、分子中堿基組成的規(guī)律性 ,DNA的 X 射線衍射圖譜以及其他一些實驗結果 , 提出了 DNA的雙螺旋模型 ( 見脫氧核糖核酸雙螺旋 ) 。這個模型的特征是 :? DNA 由兩條多核苷酸鏈構成，這兩條鏈的方向相反 , 即一條鏈的 5'- 末端和另一條鏈的 3'- 末端相對應 , 兩條鏈都以右手螺旋方式盤繞同一中心軸成雙螺旋結構 , 這樣的旋轉(zhuǎn)形成了大溝和小溝 ;? 脫氧核糖和磷酸形成的骨架在外側(cè)，堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)，兩兩配對， A 對 T，G對 C， T 對 A，C對 G，配對堿基之間以氫鍵聯(lián)系，從而使兩條多核苷酸鏈形成固定的關系。此外 , 堆集堿基之間的疏水作用也有助于維持 DN

8、A的雙鏈結構。由于 DNA兩條鏈的堿基具有嚴格的配對關系 ,通常叫它們?yōu)榛パa鏈，如果一條鏈的核苷酸順序弄清楚了，另外一條鏈上的核苷酸順序也就一目了然 ;? 每對堿基處于同一平面，而和中心軸垂直，不同堿基對的平面互相平行，相鄰兩平面的間距為3.4 埃，螺旋每轉(zhuǎn)一圈的螺距為3.4 埃，所以每一圈螺旋含 10 對堿基，螺旋的直徑為20 埃。 DNA的雙螺旋結構有3 種，即 A 型， B型和 C 型 , 在生物體內(nèi)和溶液中最常見的為B 型, 就是具有上述各種特征的一種類型。 A 型和 C型與 B 型類似，但有微小差異。1979 年以來對人工合成的dCpGpCpGpCpGp，dpCpGpCpG晶體和聚

9、d(GC)纖維進行 X 射線衍射研究，發(fā)現(xiàn)這些化合物為左旋結構，被命名為Z 型 DNA。其他嘌呤和嘧啶相間的 DNA片段也具有 Z 型的左旋結構。 Z 型 DNA比 B 型 DNA細而長，堿基對偏離軸心，靠近雙螺旋的外側(cè)，呈現(xiàn)一種比較暴露的狀態(tài)，可能較易受外來因素的影響。 Z 型 DNA還能在異體動物體內(nèi)誘生抗體，用 Z 型 DNA抗體進行實驗，發(fā)現(xiàn)它能和天然 DNA結合，說明天然 DNA分子中有 Z 型 DNA的結構。DNA還有三級結構，如超螺旋結構, 由雙螺旋鏈扭曲而成。在原核生物內(nèi)長1 毫米的 DNA鏈能壓縮在直徑 1 微米的細胞內(nèi)就是這種盤旋扭曲的結果。在真核生物細胞染色體上， DNA

10、鏈與組蛋白組成核小體, 在電子顯微鏡下呈念珠狀，在一根長絲上附著很多小球 , 小球直徑 100 埃左右，由長約 140 堿基對的 DNA繞在由組蛋白H2A,H2B,H3和H4各兩分子組成的八聚體蛋白質(zhì)核心外面，小球之間為細絲, 由DNA和組蛋白H1 構成。核小體進一步旋繞折疊壓縮而成染色質(zhì)( 見染色體) 。變性和復性使剛性的 DNA雙鏈解開成易于柔折的單鏈的現(xiàn)象叫做變性。凡能破壞氫鍵和改變堆集堿基的疏水性的試劑和條件，都能使DNA變性 , 如尿素、甲酰胺等試劑，酸或堿，以及加熱等。隨著變性,DNA出現(xiàn)一系列性質(zhì)的變化，如紫外光吸收的增加即增色效應，旋光的減低，粘度的下降，沉降速度增加，浮力密度

11、上升等。由于 GC之間可以形成 3 個氫鍵， AT之間只能形成 2 個氫鍵，所以 DNA分子中 G+C的克分子含量愈高，變性愈難。利用DNA變性后的增色效應研究變性過程是最常用的手段。以溫度對紫外光吸收作圖得一S 形曲線，在一個相當窄的溫度范圍內(nèi)，增色效應有一個跳躍，類似于結晶的融化。使50, 的 DNA變性的溫度就叫做DNA的融點，通常寫作Tm。Tm的高低和 DNA分子中 G+C的克分子含量有關，可由下式表示 :(G+C),( Tm-69.3) ×2.44,去除變性條件以后，變性DNA的 2 條互補鏈可以重新結合 , 恢復到原來的雙螺旋 , 這個過程稱為復性。復性的速度在一定條件下

12、，和 DNA的大小成反比例 , 如大腸桿菌的 DNA比 噬菌體 DNA大 80 倍, 大腸桿菌 DNA的復性速度比 噬菌體 DNA小80 倍。真核生物 DNA更大，變性的真核生物DNA的復性速度相應應該更慢，但小鼠 DNA中有約 10, 的復性速度比已知最小的噬菌體DNA還要快。原因是原核生物DNA核苷酸順序是不重復的，而真核生物DNA的核苷酸順序有不重復的、中度重復的和高度重復的。上述小鼠DNA的 10, 復性很快的部分就是高度重復順序。不重復的順序大都是編碼蛋白質(zhì)的結構基因。中度重復順序大部分分散存在于不重復順序之間，可能對基因表達起著調(diào)節(jié)控制作用; 小部分是連續(xù)排列，主要是rRNA的基因

13、， tRNA的基因和某些蛋白質(zhì)的基因。高度重復順序的功能還不清楚。復制 生物為了維持種族的延續(xù)，必須把遺傳信息穩(wěn)定不變地傳給下一代，這就靠 DNA的忠實復制來實現(xiàn)。以雙鏈 DNA為遺傳物質(zhì)的生物在 DNA復制時 , 將親代DNA的兩條鏈分別作為模板，通過堿基配對 (A 配 T，G配 C)合成兩條新生鏈 , 然后將兩個各含一新一舊的雙鏈DNA分配到兩個子代細胞中 , 這種復制方式便稱為半保留復制。復制是一個極為復雜的過程，除需DNA聚合酶外 , 還有多種酶或蛋白質(zhì)因子參與( 見脫氧核糖核酸的復制)。損傷和修復環(huán)境中化學的或物理的因素以及生物體內(nèi)代謝過程中產(chǎn)生的自由基均可對 DNA造成損傷。如 :

14、 酸和熱能使嘌呤堿基脫落 ; 堿基脫氨能使 DNA復制時產(chǎn)生差錯 ; 有些化合物如吖啶嵌入 DNA堿基中時 , 可引起復制和重組的誤差 ( 插入或缺失一個核苷酸 ) ，而產(chǎn)生移碼突變。電離輻射或化學物質(zhì) ( 如博萊霉素 ) 能引起磷酸二酯鍵斷裂。紫外光能使 DNA分子中相鄰二嘧啶 ( 特別胸腺嘧啶 ) 形成環(huán)丁基二聚體，而妨礙了嘧啶通過氫鍵形成堿基對。DNA 修復的分子機制目前了解得最多的是對嘧啶二聚體的修復。主要通過兩個途徑 :? 酶促光激活作用。生物體內(nèi)有一個能專一地和嘧啶二聚體結合的酶，當酶和二聚體結合后，在可見光照射下，光能可使二聚體解開恢復成嘧啶單體;? 切除修復。在大腸桿菌中，先由

15、一特殊的內(nèi)切酶在鄰近胸腺嘧啶二聚體處切開，然后由聚合酶 ?的 5,?3, 外切酶活力將帶有二聚體的寡核苷酸片段除去, 同時通過聚合酶 ?的作用 ( 從切斷處的 3,- 端開始 ) 重新合成缺損的片段，最后再經(jīng)過DNA連接酶的作用將新合成片段和DNA的其余部分連接起來。如果缺乏這種修復機制，可造成一些疾病，如人的著色性干皮病, 就是因為不能修復由于紫外光造成對DNA的損傷所致?；加羞@種病的人對陽光非常敏感，容易生皮膚癌 ( 見 DNA損傷修復 ) 。修飾和限制細菌有一種不降解自身DNA但能降解異源 DNA的機制，這是阻止異源 DNA在體內(nèi)起作用的一種保護作用。起這個保護作用的就是限制性核酸內(nèi)切酶

16、。限制性核酸內(nèi)切酶有 ?型和 ?型兩類 :? 型酶需 Mg2+、ATP和 S- 腺苷甲硫氨酸 ;? 型酶只需Mg2+;?型酶除有核酸酶活力外，還有甲基化酶和腺三磷酶活力。?型酶則只有核酸酶活力;? 型酶的切點是專一的，它要求一定的核苷酸順序( 具有雙重旋轉(zhuǎn)對稱性 ) ，而 ?型酶則否。如果堿基被修飾了，如腺嘌呤的 6- 氨基上的氫原子被甲基取代或胞嘧啶的 5 位甲基化了 , 原來能裂解這個核苷酸順序的限制性核酸內(nèi)切酶就不能再作用于這個修飾過的 DNA。因此，如果細菌本身的 DNA是修飾過的 ( 甲基化 ) ，則限制性核酸內(nèi)切酶對自身 DNA不起作用 , 當外來 DNA(未修飾過的 ) 進入細菌

17、體內(nèi) , 限制性核酸內(nèi)切酸可將其降解，這樣對自身就起到了保護作用。由于 ?型限制性核酸內(nèi)切酶作用于 DNA時, 需要特定的核苷酸排列順序 , 因此它是測定 DNA核苷酸排列順序的非常有用的工具。目前 DNA核苷酸順序的測定之所以得到極為迅速的發(fā)展， ?型限制性核酸內(nèi)切酶起了很大作用。限制性核酸內(nèi)切酶廣泛存在于各種細菌內(nèi)，但在真核生物中似乎尚未找到過。至 1983 年已搞清識別順序的 ?型限制性核酸內(nèi)切酶達 400 種。示例如下 : 。DNA重組 同源 DNA在體內(nèi)重組是經(jīng)常發(fā)生的。這是產(chǎn)生生物遺傳性多樣化的主要原因。 DNA重組可通過人工方法實現(xiàn)。即將 DNA片段在體外連接 , 然后引入活細胞內(nèi)進行復制 , 要完成這項工作須具備下列條件 :?DNA運載體 ( 如質(zhì)粒、噬菌體、病毒等 ) 能在活細胞內(nèi)復制 ;? 需要復制的 DNA片段即 DNA乘客 ( 如各種基因 );? 連接DNA片段和 DNA運載體的方法和工具酶 ( 如限制性核酸內(nèi)切酶、 DNA連接酶等 );? 將連接好的