DNA結構是什么？關于DNA結構的科普介紹

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創聞用戶 2022-09-04 16:00:52

DNA（DeoxyriboNucleic Acid）指脫氧核糖核酸，由兩條平行的鏈組成，兩條鏈互相繞成螺旋狀。雙螺旋結構中磷酸與脫氧核糖通過磷酸二酯鍵鏈接交替排列在結構外側，構成DNA分子的基本骨架，內側堿基通過氫鍵相連形成堿基對，堿基對形成遵循堿基互補配對原則。DNA是由四種脫氧核糖核苷酸組成而成的大分子聚合物，是主要的遺傳物質。

DNA的一級結構　　

     一級結構是指構成核酸的四種基本組成單位——脫氧核糖核苷酸，通過3'，5'－磷酸二酯鍵彼此連接起來的線形多聚體?！?/p>

　

  

 

 

      脫氧核糖核苷酸由三個部分所組成：一分子含氮堿基、一分子五碳糖(脫氧核糖)、一分子磷酸根。含氮堿基又可分為四類：腺嘌呤（adenine，縮寫為A），胸腺嘧啶（thymine，縮寫為T），胞嘧啶（cytosine，縮寫為C）和鳥嘌呤（guanine，縮寫為G）。根據連接的堿基種類不同，脫氧核苷酸種類也不同，共有四種：腺嘌呤脫氧核糖核苷酸、胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸、鳥嘌呤脫氧核糖核苷酸、胞嘧啶脫氧核糖核苷酸。

 

   

DNA的四種含氮堿基組成具有物種特異性，即四種含氮鹽基的比例在同物種不同個體間是一致的，但在不同物種間則有差異。DNA的四種含氮堿基比例遵循查哥夫（Chargaff）法則，即每一種生物體DNA中 A=T ，C=G 。

 

DNA的二級結構　

　

 

     二級結構是指兩條脫氧多核苷酸鏈反向平行盤繞所形成的雙螺旋結構。DNA的二級結構分為兩大類：一類是右手螺旋，如A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA等；另一類是左手雙螺旋，如Z-DNA。詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克里克所發現的雙螺旋，是稱為B型的水結合型DNA，在細胞中最為常見。

 

      堿A與T之間可以形成兩個氫鍵，G 與C之間可以形成三個氫鍵，使兩條多聚脫氧核苷酸形成互補的雙鏈，由于組成堿基對的兩個堿基的分布不在一個平面上，氫鍵使堿基對沿長軸旋轉一定角度，使堿基的形狀像螺旋槳葉片的樣子，整個DNA分子形成雙螺旋纏繞狀。堿基對之間的距離0.34nm，10個堿基對轉一周，故旋轉一周（螺距）3.4nm，這是β-DNA的結構，在生物體內自然生成的 DNA幾乎都是以β-DNA結構存在。

單鏈DNA

 

      含有一條脫氧核糖核苷酸鏈的DNA形式。發生在下列幾種情況下：①復制時，由雙鏈DNA分子在復制叉處解鏈瞬間產生；②DNA復制時，某種情況下只有一條鏈被復制，隨復制的進行被合成的DNA會作為單鏈“尾巴”解旋而產生單鏈DNA產物；③某些線形大腸桿菌噬菌體含有的單鏈環狀DNA分子。

 

　  大部分DNA以雙螺旋結構存在，但一經熱或堿處理就會變為單鏈狀態。單鏈DNA就是指以這種狀態存在的DNA。單鏈DNA在分子流體力學性質、吸收光譜、堿基反應性質等方面都和雙鏈DNA不同。某些噬菌體粒子內含有單鏈環狀的DNA，這樣的噬菌體DNA在細胞內增殖時則形成雙鏈DNA。

閉環DNA

      一個長的雙鏈DNA(雙螺旋的)首尾是相接，沒有斷口，也稱作超螺旋DNA。是游離在細胞核外的雙鏈可自我復制的DNA環狀物。在基因工程上，稱它為質粒用于承載DNA片段，多存在細菌等擬合生物中。

雙螺旋結構的特點

1、DNA是反向平行的互補雙鏈結構，它的兩條多聚核苷酸鏈在空間排布呈反向平行，堿基位于內側，親水的脫氧核糖基和磷酸基位于外側，堿基間以A-T和G-C的方式互補配對；

2、DNA雙鏈是右手螺旋結構，DNA的兩條多核苷酸鏈反向平行圍繞同一中心軸互相纏繞，呈右手螺旋；

3、疏水力和氫鍵維系DNA雙螺旋的穩定，橫向穩定靠堿基間的氫鍵維系，縱向靠堿基平面間的疏水性堆積力維持。

DNA分子中堿基數量計算的規律

根據堿基互補配對原則引出的關于堿基比率和數量的計算是本節的重點之一，可以根據以下規律解決這一問題。

規律一：互補的兩條鏈之間堿基數量相等，即A=T，G=C。

規律二：任意兩個不互補的堿基之和占堿基總數的50%，即A+G=T+C=A+C=T+G=50%。

規律三：兩個不互補的堿基之和比值相等，即（A+G)/(T+C)=(A+C)/(T+G)=1。

規律四：一條鏈中互補堿基的和等于另一條鏈中這兩個堿基的和，即A1=T2，T1=A2或A1+T1=A2+T2。

規律五：一條鏈中互補的兩堿基的和占該單鏈的比例等于DNA分子雙鏈中這兩種堿基的和占堿基總數的比例，

即（G1+C1)/單=I(G+C)/雙，(A1+T1)/單=(A+T)/雙。

規律六：若一條鏈中（A1+G1)/(T1+C1)=K，則另一條鏈中（A2+G2)/(T+C2)=1/K。

DNA的三級結構　

　

 

      三級結構是指DNA中單鏈與雙鏈、雙鏈之間的相互作用形成的三鏈或四鏈結構。如H-DNA或R-環等三級結構，也稱為超螺旋結構。DNA的超螺旋結構可分為正、負超螺旋兩大類，并可互相轉變。當DNA雙螺旋分子在溶液中以一定構象自由存在時，雙螺旋處于能量最低狀態此為松弛態。正常的DNA分子額外地多轉幾圈或少轉幾圈，就會使雙螺旋產生張力，如果DNA分子兩端是開放的，這種張力可通過鏈的轉動而釋放出來，DNA就恢復到正常的雙螺旋狀態，但如果DNA分子兩端是固定的，或者是環狀分子，這種張力就不能通過鏈的旋轉釋放掉，只能使DNA分子本身發生扭曲，以此抵消張力，這就形成超螺旋。

 

DNA的拓撲結構　　

       這也是DNA存在的一種形式。DNA的拓撲結構是指在DNA雙螺旋的基礎上，進一步扭曲所形成的特定空間結構。超螺旋結構是拓撲結構的主要形式，可以分為正超螺旋和負超螺旋兩類，在相應條件下，它們可以相互轉變。

DNA結構的特點

①多樣性：DNA分子堿基對的排列順序千變萬化。

一個由n個堿基對組成的DNA分子可能的排列方式有4種。一個最短的DNA分子也有4000個堿基對，可能的排列方式就有4000種。

②特異性：特定的DNA分子具有特定的堿基排列順序。

不同的生物，堿基對的數目可能不同，堿基對的排列順序肯定不同。

③穩定性

DNA分子的多樣性由DNA分子雙螺旋結構中堿基對的排列順序和數量決定、穩定性是由DNA分子的堿基互補配對以及雙螺旋等特點決定的、特異性是由DNA分子的堿基對排列順序

內含子與外顯子

     

內含子（intron）指斷裂基因的非編碼序列，可被轉錄，但在mRNA加工過程中被剪切掉，故成熟mRNA上無內含子編碼序列。內含子可能含有“舊碼”，就是在進化過程中喪失功能的基因部分。正因為內含子對翻譯產物的結構無意義，不受自然選擇的壓力，所以它比外顯子累積有更多的突變。

 

      外顯子(expressed region)，是真核生物基因的一部分，它在剪接后仍會被保存下來，并可在蛋白質生物合成過程中被表達為蛋白質。外顯子是最后出現在成熟RNA中的基因序列，又稱表達序列。既存在于最初的轉錄產物中，也存在于成熟的RNA分子中的核苷酸序列。通過確定在多種生物中出現的片段來鑒定編碼區域，而外顯子的保守性可以作為這種鑒定的基礎。

DNA的復制

     

半保留復制：DNA在復制時，以親代DNA的一條鏈作模板，合成完全相同的兩個雙鏈子代DNA，每個子代DNA中都含有一條親代DNA鏈，這種現象稱為DNA的半保留復制(semiconservative replication)。DNA以半保留方式進行復制，是在1958年由M. Meselson 和 F. Stahl 所完成的實驗所證明。

 

     DNA在復制時，需在特定的位點起始，這是一些具有特定核苷酸排列順序的片段，即復制起始點（復制子）。在原核生物中，復制起始點通常為一個，而在真核生物中則為多個。

     DNA復制需要引物(primer)：DNA聚合酶必須以一段具有3'端自由羥基（3'-OH）的RNA作為引物，才能開始聚合子代DNA鏈。RNA引物的大小，在原核生物中通常為50～100個核苷酸，而在真核生物中約為10個核苷酸。

     雙向復制：DNA復制時，以復制起始點為中心，向兩個方向進行復制。但在低等生物中，也可進行單向復制。

    半不連續復制：由于DNA聚合酶只能以5'→3'方向聚合子代DNA鏈，因此兩條親代DNA鏈作為模板聚合子代DNA鏈時的方式是不同的。以3'→5'方向的親代DNA鏈作模板的子代鏈在聚合時基本上是連續進行的，這一條鏈被稱為領頭鏈(leading strand)。而以5'→3'方向的親代DNA鏈為模板的子代鏈在聚合時則是不連續的，這條鏈被稱為隨從鏈(lagging strand)。DNA在復制時，由隨從鏈所形成的一些子代DNA短鏈稱為岡崎片段(Okazaki fragment).岡崎片段的大小，在原核生物中約為1000～2000個核苷酸，而在真核生物中約為100個核苷酸。

      DNA復制完整過程：DNA解旋酶在局部展開雙螺旋結構的DNA分子為單鏈，引物酶辨認起始位點，以解開的一段DNA為模板，按照5'到3'方向合成RNA短鏈，形成RNA引物。在引物提供了3'-OH末端的基礎上，DNA聚合酶催化DNA的兩條鏈同時進行復制過程，當DNA合成一定長度后，DNA聚合酶水解RNA引物，補填缺口。DNA連接酶將DNA片段連接起來，形成完整的DNA分子。最后DNA新合成的片段在旋轉酶的幫助下重新形成螺旋狀。

DNA生物學功能

1、DNA通過精準的復制，將遺傳信息傳遞給下一代；

2、DNA在復制過程中有概率發生突變，為生物進化提供了分子基礎；

3、DNA能轉錄成RNA，進而翻譯成蛋白質，通過蛋白質實現生命的結構和功能；

發現歷史

 

      1952年6月，沃森和克里克邀請劍橋大學數學系研究生格里菲斯進行理論計算后得知：A吸引T，G吸引C，即嘌呤有吸引嘧啶的趨勢。同年，哥倫比亞大學教授查伽夫訪問劍橋，沃森和克里克得知查伽夫已發表研究成果，即查伽夫定律：核酸的兩個嘌呤和兩個嘧啶兩兩相等，分子數A＝T、G＝C，繼而形成了堿基配對的概念。由此，沃森和克里克確定DNA分子不是多條鏈而是由兩條單鏈組成。

 

      之后，沃森和克里克從生物大分子的基本單位出發，運用化學規律發現核苷酸之間可能形成的排列方式，著重考慮對整個大分子結構的穩定性具有決定作用的氫鍵的形成方式，并開始了模型設計。兩人測定各種嘌呤和嘧啶的大小、堿基對的排列、氫鍵的引力以及DNA分子直徑、螺距、鍵角等結構數據，再與DNA衍射圖像一一對比設計模型。他們發現四種堿基中，腺嘌呤（A）-胸腺嘧啶（T）對之間可以形成兩個氫鍵連接，鳥嘌呤（G）-胞嘧啶（C）對之間可以形成三個氫鍵連接，兩種配對均是一個雙環和一個單環的組合，直徑相差較小，并且從這一發現解釋了查伽夫定律。最終他們設計出了DNA分子雙螺旋結構的模型。這一結構模型可以描述為：脫氧核糖和磷酸交替排列構成DNA的基本骨架，堿基在內側，兩條長鏈的堿基通過氫鍵形成堿基對，并且是A與T配對，G與C配對。由此也可以證實一條鏈是如何作為模板合成另一條互補堿基順序的鏈，并且兩條鏈的方向一定是相反的。

      沃森和克里克用運用一周的時間構建了DNA結構模型，測量出兩種堿基對和DNA長鏈上每一種鍵的旋轉角度。同時將金屬材料制成的模型與X射線拍攝的衍射照片相比較，發現二者完全相符，進一步分析證實了雙螺旋結構模型是正確的。

      1953年4月，英國的《自然》雜志刊登了沃森和克里克在英國劍橋大學合作的研究成果：DNA雙螺旋結構的分子模型，這一成果被譽為20世紀以來生物學方面最偉大的發現，標志著分子生物學的誕生。DNA分子結構的發現，更好地解釋了DNA是遺傳物質以及在分子水平上闡明了DNA的復制和控制蛋白質合成的功能。

基因工程

     

基因工程是一種DNA操作技術，需要借助限制酶、連接酶以及載體等工具才能進行?；蚬こ痰幕静僮鞒绦蚴牵菏紫韧ㄟ^不同的方法得到人們所需要的目的基因，然后將目的基因與基因表達所需要的多種元件組裝起來構成一個表達載體，再將表達載體導入受體細胞，并使目的基因整合到受體細胞的DNA上，從而培育出轉基因生物。

 

步驟一：基因文庫內尋找目的基因;

步驟二：進行PCR基因擴增;

步驟三：選取合適的質粒作為目的基因載體;

步驟四：利用切位點相同的限制性內切酶分別對利用PCR擴增技術擴增過的DNA和質粒進行酶切;

步驟五：利用與限制性內切酶切點相對應的DNA連接酶進行目的基因與質粒的組裝;

步驟六：重復以上步驟，在質粒中導入抗性基因以及啟動子、終止子;

步驟七：利用顯微注射技術導入目的基因;

步驟八：利用抗性基因所抗抗生素，選出目的基因成功導入的細胞;

步驟九：單另培養細胞，檢查是否可以產生目的基因對應蛋白，如果可以產生，即為目的基因表達成功，在檢測其安全性後，可以批量培養

DNA折紙技術

     

DNA折紙技術，顧名思義，它是通過使用DNA和RNA等核酸的折疊和自組裝成形成復雜結構的技術。當DNA中互補的核苷酸堿基接觸并結合時，就會產生這種結果。在自然界中，核酸鏈段提供了合成復雜蛋白質所需的生物密碼，這是地球生命的基礎。利用DNA簡單的堿基配對特性，設計出能夠在實驗室中自我組裝的結構是可行的。DNA折紙技術自誕生之日起就取得了驚人的成績，但研究人員始終無法通過可預測和可編程的方式在DNA中創造出復雜的結結構。來自中科院上海應用物理研究所，美國亞利桑那州立大學的研究人員發表了題為“Complex silica composite nanomaterials templated with DNA origami”的文章，克服了DNA折紙技術中二氧化硅復合納米材料的問題，確立了一種創建仿生納米結構的通用技術。

 

       在用DNA制作各種圖樣時，先借助納米儀器，繪制折疊物形狀，然后用折疊的DNA長鏈將形狀填滿。而DNA短鏈就是固定折疊的DNA長鏈的”圖釘”，有了它們，DNA長鏈組成的圖形才不會散開。用計算機計算作品所需DNA短鏈的數量后，將這些DNA短鏈”釘”在長鏈構成的支架上。然后將DNA長鏈和短鏈一起放入一種堿性溶液加熱，它們就會自動結合在一起，組合成人們想要的圖案。

      2006年美國加州理工學院計算機生物工程師Paul Rothemund開發了一種“DNA折紙術”（ DNA origami technique），像折疊一條長帶子那樣，把一條DNA長鏈反復折疊，形成需要的圖形，就像用一根單線條繪制出整幅圖畫。經過近十年的發展，DNA折紙技術已經變得更加強大了。來自加州理工學院生物工程系的錢璐璐（Lulu Qian）博士早年師從上海交通大學賀林院士，她一直都對生物納米技術與DNA分子計算感興趣，幾年前就曾與加州理工學院合作，利用人工合成的DNA分子，在試管中制成了當時最復雜的生化電路。其研究組在Science雜志上發表了全新DNA“機器人”的重要成果，解決了現有的機器人不能自動行走等局限問題。來自慕尼黑理工大學的生物物理學家Hendrik Dietz的研究小組則是采用的DNA折紙技術與逐步構建策略，也就是自然界中分子機器采用的方法，例如對稱性和多層次的裝配過程。這些方法令他的團隊“從DNA折紙之前的megadalton單位發展成了gigadalton單位”。

 

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