脱氧核糖核酸(缩写:DNA),是
生物细胞内含有的四种生物大分子之一核酸的一种。 DNA携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息,是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。 DNA由脱氧核苷酸组成的大分子聚合物。脱氧核苷酸由碱基、脱氧核糖和磷酸构成。其中碱基有4种:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid,DNA),又称
去氧核糖核酸,是染色体的主要成分,是基因的物质基础。
DNA的结构:DNA最重要的特征是碱基序列,由四种脱氧核糖核苷酸排列成长链,两条长链互绕而成稳定结构,进而再有其他卷曲和结构。因此,人类按层次把DNA的结构划分为一级结构、二级结构、三级结构、四级结构。
DNA是一种长链聚合物,基本组成单元为四种脱氧核苷酸,即腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP 脱氧腺苷)、胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP脱氧胸苷)、胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP 脱氧胞苷)、鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP 脱氧鸟苷)。 而脱氧核糖(五碳糖)与磷酸分子借由酯键相连,组成DNA的长链骨架,排列在外侧,四种碱基排列在内侧。每个糖分子都与四种碱基里的其中一种相连,这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列,可组成遗传密码,指导蛋白质的合成。读取密码的过程称为转录,是以DNA双链中的一条单链为模板,复制出一段称为mRNA(信使RNA)的核酸分子。
DNA
多数RNA带有合成蛋白质的信息,另有一些本身就拥有特殊功能,例如rRNA、snRNA与siRNA。在细胞内,DNA能与蛋白质结合形成染色体,整组染色体则统称为染色体组。对于人类而言,正常的体细胞中含有46条染色体。染色体在细胞分裂之前会先在分裂间期完成复制,细胞分裂间期又可划分为:G1期-DNA合成前期、S期-DNA合成期、G2-DNA合成后期。对于真核生物,如动物、植物及真菌而言,染色体主要存在于细胞核内;而对于原核生物,如细菌而言,则主要存在于细胞质中的拟核内。染色体上的染色质蛋白,如组织蛋白,能够将DNA进行组织并压缩,以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用,进而调节基因的转录活性。
物理性质
DNA是高分子聚合物,DNA溶液为高分子溶液,具有很高的粘度,可被甲基绿染成绿色。DNA对
紫外线(260nm)有吸收作用,利用这一特性,可以对DNA进行含量测定。当核酸变性时,吸光度升高,称为增色效应;当变性核酸重新复性时,吸光度又会恢复到原来的水平。较高温度、有机溶剂、酸碱试剂、
尿素、酰胺等都可以引起
DNA分子变性,即DNA双链碱基间的氢键断裂,双螺旋结构解开—也称为DNA的解螺旋。
分子结构
DNA是由许多脱氧核苷酸按一定碱基顺序彼此用3’,5’-磷酸二酯键相连构成的长链。大多数DNA含有两条这样的长链,也有的DNA为单链,如大肠杆菌噬菌体φX174、G4、M13等。DNA有环形DNA和链状DNA之分。在某些类型的DNA中,5-甲基胞嘧啶可在一定限度内取代胞嘧啶,其中小麦胚DNA的5-甲基胞嘧啶特别丰富。在某些噬菌体中,5-羟甲基胞嘧啶取代了胞嘧啶。40年代后期,查加夫(E.Chargaff)发现不同物种DNA的碱基组成比例不同,但其中的腺嘌呤数等于其胸腺嘧啶数(A=T),鸟嘌呤数等于胞嘧啶数(G=C),因而嘌呤数之和等于嘧啶数之和,一般用几个层次描绘DNA的结构。
一级结构
是指构成核酸的四种基本组成单位——脱氧核糖核苷酸(核苷酸),通过3',5'-磷酸二酯键彼此连接起来的线形多聚体,以及其基本单位-脱氧核糖核苷酸的排列顺序。
一级结构
每一种脱氧核糖核苷酸由三个部分所组成:一分子含氮碱基+一分子五碳糖(脱氧核糖)+一分子磷酸根。核酸的含氮碱基又可分为四类:腺嘌呤(adenine,缩写为A),胸腺嘧啶(thymine,缩写为T),胞嘧啶(cytosine,缩写为C)和鸟嘌呤(guanine,缩写为G)。DNA的四种含氮碱基组成比例具有物种特异性。即四种含氮碱基的比例在同物种不同个体间是一致的,但在不同物种间则有差异。DNA的四种含氮碱基比例具有奇特的规律性,每一种生物体DNA中 A=T ,C=G,符合查加夫(Chargaff)法则(即碱基互补配对原则)。
二级结构
二级结构
是指两条脱氧多核苷酸链反向平行盘绕所形成的双螺旋结构。DNA的二级结构分为两大类:一类是右手螺旋,如A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA等;另一类是左手双螺旋,如Z-DNA。詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克所发现的双螺旋,是称为B型的水结合型DNA,在细胞中最为常见。也有的DNA为单链,一般见于原核生物,如大肠杆菌噬菌体φX174、G4、M13等。有
的DNA为环形,有的DNA为线形。在碱基A与T之间可以形成两个氢键,G
与C之间可以形成三个氢键,使两条多聚脱氧核苷酸形 成互补的双链,
由于组成碱基对的两个碱基的分布不在一个平面上,氢键使得碱基对沿长轴旋转一定角度,使碱基的形状像螺旋桨叶片的样子,整个DNA分子形成双螺旋缠绕状。碱基对之间的距离是0.34nm,10个碱基对转一周,故旋转一周(螺距)是3.4nm,这是β-DNA的结构,在生物体内自然生成的
DNA几乎都是以β-DNA结构存在。
三级结构
是指DNA中单链与双链、双链之间的相互作用形成的三链或四链结构。如H-DNA或R-环等三级结构。DNA的三级结构是指DNA进一步扭曲盘绕所形成的特定空间
三级结构
结构,也称为超螺旋结构。DNA的超螺旋结构可分为正、负超螺旋两大类,并可互相转变。超螺旋是克服张力而形成的。当DNA双螺旋分子在溶液中以一定构象自由存在时,双螺旋处于能量最低状态此为松弛态。如果使这种正常的DNA分子额外地多转几圈或少转几圈,就使双螺旋产生张力,如果DNA分子两端是开放的,这种张力可通过链的转动而释放出来,DNA就恢复到正常的双螺旋状态。但如果DNA分子两端是固定的,或者是环状分子,这种张力就不能通过链的旋转释放掉,只能使DNA分子本身发生扭曲,以此抵消张力,这就形成超螺旋,是双螺旋的螺旋。
四级结构
核酸以反式作用存在(如核糖体、剪接体),这可看作是核酸的四级水平的结构。
拓扑结构
也是DNA存在的一种形式。DNA的拓扑结构是指在DNA双螺旋的基础上,进一步扭曲所形成的特定空间结构。超螺旋结构是拓扑结构的主要形式,它可以分为正超螺旋和负超螺旋两类,在相应条件下,它们可以相互转变。