DNA 脱氧核糖核酸 deoxyribonucleic acid-百科知识

dna 脱氧核糖核酸(英语:deoxyribonucleic acid,缩写:DNA)又称去氧核糖核酸,是一种生物大分子,可组成遗传指令,引导生物发育与生命机能运作。主要功能是信息储存,可比喻为“蓝图”或“配方”。其中包含的指令,是建构细胞内其他的化合物,如蛋白质与核糖核酸所需。带有蛋白质编码的DNA片段称为基因。其他的DNA序列,有些直接以本身构造发挥作用,有些则参与调控遗传信息的表现。

DNA是一种长链聚合物,组成单位称为核苷酸,而糖类与磷酸借由酯键相连,组成其长链骨架。每个糖单位都与四种碱基里的其中一种相接,这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列,可组成遗传密码,是蛋白质氨基酸序列合成的依据。读取密码的过程称为转录,是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。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,例如核糖体RNA、小核RNA与小干扰RNA。

在细胞内,DNA能组织成染色体结构,整组染色体则统称为基因组。染色体在细胞分裂之前会先行复制,此过程称为DNA复制。对真核生物,如动物、植物及真菌而言,染色体是存放于细胞核内;对于原核生物而言,如细菌,则是存放在细胞质中的拟核里。染色体上的染色质蛋白,如组蛋白,能够将DNA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。

一、dna理化性质

DNA由脱氧核苷酸组成的大分子长链聚合物,宽度约22到24埃(2.2到2.4纳米),每一个核苷酸单位则大约长3.3埃(0.33纳米)。在整个脱氧核糖核酸聚合物中,可能含有数百万个相连的核苷酸。

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)。DNA 分子结构中,两条多脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕,构成双螺旋结构。

dna的结构很像一座螺旋形的楼梯,两侧扶手是两条多核苷酸链的糖一磷基因交替结合的骨架,而踏板就是碱基。脱氧核糖-磷酸链在螺旋结构的外面,碱基朝向里面。两条多脱氧核苷酸链反向互补,通过碱基间的氢键形成的碱基配对相连,形成相当稳定的组合。

dna和rna
dna和rna

脱氧核糖核酸骨架是由磷酸与糖类基团交互排列而成。组成脱氧核糖核酸的糖类分子为环状的2-脱氧核糖,属于五碳糖的一种。

磷酸基团上的两个氧原子分别接在五碳糖的3号及5号碳原子上,形成磷酸双酯键。这种两侧不对称的共价键位置,使每一条脱氧核糖核酸长链皆具方向性。

双螺旋中的两股核苷酸互以相反方向排列,这种排列方式称为反平行。脱氧核糖核酸链上互不对称的两末端一边叫做5’端,另一边则称3’端。脱氧核糖核酸与RNA主要的差异之一,在于组成糖分子的不同,DNA为2-脱氧核糖,RNA则为核糖。

二、碱基配对

一股脱氧核糖核酸上所具有的各类型含氮碱基,都只会与另一股上的一个特定类型碱基产生键结。此种情形称为互补性碱基配对。

碱基配对
碱基配对

嘌呤与嘧啶之间会形成氢键,在一般情况下,A只与T相连,而C只与G相连。因此排列于双螺旋上的核苷酸,便以这种称为碱基对的方式相互联结。除此之外,与脱氧核糖核酸序列无关的疏水性效应,以及π重叠效应所产生的力,也是两股脱氧核糖核酸能维持结合状态的原因。

由于氢键比共价键更容易断裂,这使双股脱氧核糖核酸可能会因为机械力或高温作用,而有如拉链一般地解开,这种现象被称为DNA变性。由于互补的特性,使位于双股序列上的信息,皆以双倍的形式存在,这种特性对于脱氧核糖核酸复制过程来说相当重要。互补碱基之间可逆且具专一性的交互作用,是生物脱氧核糖核酸所共同拥有的关键功能。

两种不同的碱基对分别是以不同数目的氢键结合:A-T之间有两条;G-C之间则有三条(如本段上方左图所示)。多一条氢键使GC配对的稳定性高于AT配对,也因此两股脱氧核糖核酸的结合强度,是由GC配对所占比例,以及双螺旋的总长度来决定。

当脱氧核糖核酸双螺旋较长且GC含量较高时,其双股之间的结合能力较强;长度较短且AT含量较高时,结合能力则较弱。双螺旋上有某些部位必须能够轻易解开,这些部位通常含有有较多的AT配对,例如细菌启动子上一段含有TATAAT序列的普里布诺盒。

在实验室中,若找出解开氢键所需的温度,也就是所谓熔点(Tm),便能计算出两股之间的结合强度。当脱氧核糖核酸双螺旋上所有的碱基配对都解开之后,溶液中的两股脱氧核糖核酸将分裂成独立的分子。单股脱氧核糖核酸分子并无固定的形体,但仍有某些形状较为稳定且常见。

三、dna超螺旋DNA supercoil

DNA超螺旋(英语:DNA supercoil)指双螺旋环状DNA扭转后再进一步地扭转,产生的结构类似电话线被扭转之后的样子。 所谓的超螺旋就是:原本已经是螺旋形态的结构进一步再次螺旋缠绕。对DNA而言,原本已经是双股螺旋的结构,如果进一步再次缠绕成为螺旋形,就叫超螺旋。

就正常的DNA而言都会维持在超螺旋的状态,乃至将DNA从细胞中萃取出来时也是维持在超螺旋结构。 而DNA维持在超螺旋状态的方法是通过减低回转(turn)数目来达成。通过减低回转数,引入结构性张力而使得DNA发生超螺旋以缓解张力。

超螺旋的发生是因为有结构性张力被引入DNA而导致:为了疏解张力,所以进一步缠绕成为双螺旋。此处引入张力的前提是:在连续性变形中,如果DNA 扭转的数目减少,但是碱基数仍然不变,则代表每一回转中碱基数目会增加,不同于一般 B DNA 的10.5碱基/回转,则代表有张力被引入结构。注意此处的前提不包括非连续性变形,因为非连续性变形讲的是双股发生断裂而使得碱基数减少,此处讨论的前提是碱基数不变情况下,回转数减少而使的张力增加。至于结构性张力被引入的原因,是因为有拓扑异构酶的存在。

拓扑酶的作用原理是:对于放松状态的DNA进行切割后,移位,再粘回去,从而将张力引入螺旋之中,导致超螺旋的形成。

拓扑酶引入张力有两种方式:减少连环数(linking number)或增加连环数,都会使张力被引入。

拓扑酶有两种:第一型主要是减少 1个连环数,而第二型主要是减少两个连环数。

举个例子:如果放松状态的DNA透过某方法增加2个 连环数,导入张力,进而形成双螺旋结构,则打开双螺旋结构时就会由第二型拓扑酶减少两个连环数使得每一回转中碱基数目回复放松时的碱基数目,进而导致回复放松状态。

在机制方面,是由于拓扑酶经由在原本右手螺旋的DNA导入右手螺旋或左手螺旋的回转而使得连环数发生对应的增或减。 对细胞的DNA而言,会随时在两种拓扑酶的调控下在放松状态以及超螺旋状态之间变化。然而当DNA 要自我复制或转译时,非得放松的状态不可,因此拓扑酶的调控便对DNA的功能行使有举足轻重的影响。

与DNA双螺旋的旋转方向相同的扭转称为正超螺旋;反之称为负超螺旋。是一种三级构造。

DNA超螺旋有两种存在形式:具绞旋线超螺旋以及螺管式超螺旋

具绞旋线是发生在当DNA从细胞中独立出来后形成的超螺旋状态,而螺管式则是当DNA处于染色质中维持的超螺旋状态。其中以螺管式缠绕的更加紧密,且需要蛋白质的辅助方能形成——染色质中组蛋白。 由于拓扑酶对于DNA双螺旋结构的形成以及放松起关键性作用,换句话说,就是对DNA的表达以及自我复制有调控作用。

因此许多药物被开发来作为拓扑酶的抑制剂,就可以将该药物作为抗生素或抗癌药应用。

扭转数(T;twisting number)绞拧数(W;writhing number)与环绕数(L;Linking number)之间的关系可写成:

L = T + W

其中,L(环绕数)定义为当一个环状双螺旋DNA分子平铺在平面时,一条链跨越另一条链的次数,T(扭转数),指一条链绕双螺旋假想轴缠绕的圈数,W(缠绕数)亦称为超螺旋数(Number Of Turns Of Superhelix)

一般情况下,大多数生物体的DNA是负超螺旋。

怀特公式

四、各种类型的双螺旋结构

脱氧核糖核酸有多种不同的构象,其中有些构象之间在构造上的差异并不大。目前已辨识出来的构象包括:A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA、E-DNA、H-DNA、L-DNA、P-DNA[37]与Z-DNA。不过以现有的生物系统来说,自然界中可见的只有A-DNA、B-DNA与Z-DNA。

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由左到右分别为A型、B型与Z型三种脱氧核糖核酸结构

脱氧核糖核酸所具有的构象可根据脱氧核糖核酸序列、超螺旋的程度与方向、碱基上的化学修饰,以及溶液状态,如金属离子与多胺浓度来分类。三种主要构象中以B型为细胞中常见的类型,与另两种脱氧核糖核酸双螺旋的差异,在于其几何形态与尺寸。

其中A型拥有较大的宽度与右旋结构,小凹槽较浅且较宽,大凹槽则较深较窄。A型一般存在于非生理状态的脱水样本中,在细胞中则可能为脱氧核糖核酸与RNA混合而成的产物(类似酶及脱氧核糖核酸的复合物)。

若一段脱氧核糖核酸上的碱基受到一种称为甲基化的化学修饰,将使其构型转变成Z型。此时螺旋形式转为左旋,与较常见的右旋B型相反。

某些专门与Z-脱氧核糖核酸结合的蛋白质可辨识出这种少见的结构,此外Z型脱氧核糖核酸可能参与了转录作用的调控。

五、四联体结构

线状染色体的末端有一段称端粒的特殊区域,由于一般参与复制脱氧核糖核酸的酶无法作用于染色体的3’端,因此这些端粒的主要功能,是使细胞能利用一种称为端粒酶的酶来复制端粒。如果端粒消失,那么复制过程将使染色体长度缩小。因此这些特化的端帽能保护染色体结尾不被外切酶破坏,并阻止细胞中的DNA修复系统将其视为需修正的损毁位置。在人类细胞中,端粒是由重复出现数千次TTAGGG序列的单股脱氧核糖核酸所组成。

这些序列富含鸟嘌呤,可形成一种由四个碱基重叠而成的特殊结构,使染色体末端较为稳定。四个鸟嘌呤可构成一个平面,并且重叠于其他平面之上,产生稳定的G-四联体结构。碱基与位在四个碱基中心的金属离子螯合物之间,是经由氢键结合以稳定结构。左图显示由上方观看人类端粒中的四联体,图中可见每四个碱基为一组,共三层碱基重叠而成的单股脱氧核糖核酸环状物。在碱基环绕的中心,可见三个螯合在一起的钾离子。也有其他类型的结构存在,例如中心的四个碱基,除了可以是属于单一的一股脱氧核糖核酸之外,也可能是由多条平行的脱氧核糖核酸各自贡献一个碱基而形成。

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脱氧核糖核酸四联体结构形态

端粒另外还可形成一种大型环状结构,称为端粒环或T环(T-loop)。是由单股脱氧核糖核酸经过端粒结合蛋白的作用之后,卷曲而成的一个大循环。在T环长链前端的地方,单股的脱氧核糖核酸会附着在双股脱氧核糖核酸之上,破坏双螺旋脱氧核糖核酸与另一股的碱基配对,形成一种称为替代环或D环的三股结构。

六、技术应用

1、遗传工程(基因工程)

重组脱氧核糖核酸技术在现代生物学与生物化学中受到广泛应用,所谓重组DNA,是指集合其他脱氧核糖核酸序列所制成的人造脱氧核糖核酸,可以质粒或以病毒载体搭载所想要的格式,将脱氧核糖核酸转型到生物个体中。经过遗传改造处里之后的生物体,可用来生产重组蛋白质,以供医学研究使用,或是于农业上栽种。

2、法医鉴定

法医可利用犯罪现场遗留的血液、精液、皮肤、唾液或毛发中的脱氧核糖核酸,来辨识可能的加害人。此过程称为遗传指纹分析或脱氧核糖核酸特征测定,此分析方法比较不同人类个体中许多的重复脱氧核糖核酸片段的长度,这些脱氧核糖核酸片段包括短串联重复序列与小卫星序列等,一般来说是为可靠的罪犯辨识技术。不过如果犯罪现场遭受多人的脱氧核糖核酸污染,那么将会变得较为复杂难解。

首先于1984年发展脱氧核糖核酸特征测定的人是一名英国遗传学家阿莱克·杰弗里斯。

到了1988年,英国的谋杀案嫌犯科林·皮奇福克,成为第一位因脱氧核糖核酸特征测定证据而遭定罪者。利用特定类型犯罪者的脱氧核糖核酸样本,可建立出数据库,帮助调查者解决一些只从现场采集到脱氧核糖核酸样本的旧案件。此外,脱氧核糖核酸特征测定也可用来辨识重大灾害中的罹难者。

另外,有保险公司利用DNA鉴识技术,以确认理赔责任归属。相关事例包括:年仅16岁的台湾少年Lien-Yang Lee于2013年9月在澳洲遭遇车祸,他在申报保险理赔时声称,事故发生时他是坐后排乘客座上;不过,RACQ保险公司指驾驶座前安全气囊上血迹的DNA,是属于Lien-Yang Lee,故推断在车祸发生时他是坐在前排驾驶座上;故此,RACQ保险公司指他涉及诈欺,拒绝支付相关医疗费用;随后昆士兰州高等法院亦于2017年3月确认,Lien-Yang Lee在事故发生时涉及无照驾驶。

3、历史学与人类学

由于脱氧核糖核酸在经历一段时间后会积聚一些具有遗传能力突变,因此其中所包含的历史信息,可经由脱氧核糖核酸序列的比较,使遗传学家了解生物体的演化历史,也就是种系。这些研究是系统发生学的一部分,也是演化生物学上的有利工具。假如对物种以内范围的脱氧核糖核酸序列进行比较,那么群体遗传学家就可得知特定种群的历史。

此方法的应用范围可从生态遗传学到人类学,举例而言,脱氧核糖核酸证据已被试图用来寻找失踪的以色列十支派。

DNA也可以用来调查现代家族的亲戚关系,例如建构莎丽·海明斯与托马斯·杰斐逊的后代之间的家族关系,研究方式则与上述的犯罪调查相当类似,因此有时候某些犯罪调查案件之所以能解决,是因为犯罪现场的脱氧核糖核酸与犯罪者亲属的脱氧核糖核酸相符。

4、生物信息学

生物信息学影响了脱氧核糖核酸序列数据的运用、搜索与数据挖掘工作,并发展出各种用于储存并搜索脱氧核糖核酸序列的技术,可进一步应用于计算机科学,尤其是字串搜索算法、机器学习以及数据库理论。字串搜索或比对算法是从较大的序列或较多的字母中,寻找单一序列或少数字母的出现位置,可发展用来搜索特定的核苷酸序列。在其他如文本编辑器的应用里,通常可用简单的算法来解决问题,但只有少量可辨识特征的脱氧核糖核酸序列,却造成这些算法的运作不良。序列比对则试图辨识出同源序列,并定位出使这些序列产生差异的特定突变位置,其中的多重序列比对技术可用来研究种系发生关系及蛋白质的功能。由整个基因组所构成的数据含有的大量脱氧核糖核酸序列,例如人类基因组计划的研究对象。若要将每个染色体上的每个基因,以及负责调控基因的位置都标示出来,会相当困难。脱氧核糖核酸序列上具有蛋白质或RNA编码特征的区域,可利用基因识别算法辨识出来,使研究者得以在进行实验以前,就预测出生物体内可能表现出来的特殊基因产物[

5、脱氧核糖核酸与电脑

脱氧核糖核酸早在运算上应用,是解决了一个属于NP完全的小型直接汉弥尔顿路径问题。脱氧核糖核酸可作为“软件”,将信息写成核苷酸序列;并以酶或其他分子作为“硬件”进行读取或修饰。举例来说,作为硬件的限制酶FokI可以搭载一段具有软件功能的GGATG序列脱氧核糖核酸,再以其他的脱氧核糖核酸片段进行输入,并与软硬件复合物产生反应,后输出另一段脱氧核糖核酸。这种类似图灵机的装置可应用于药物治疗。此外脱氧核糖核酸运算在能源消耗、空间需求以及效率上优于电子电脑,且脱氧核糖核酸运算为具有高度平行(见平行运算)的计算方式。许多其他问题,包括多种抽象机器的模拟、布尔可满足性问题,以及有界形式的旅行推销员问题,皆曾利用脱氧核糖核酸运算做过分析。由于小巧紧密的特性,脱氧核糖核酸也成为密码学理论的一部分,尤其在于能够利用脱氧核糖核酸有效地建构并使用无法破解的一次性密码本。

6、脱氧核糖核酸与纳米科技

脱氧核糖核酸的分子性质,例如自我组装特性,使其可用于某些纳米尺度的建构技术,例如利用脱氧核糖核酸作为模板,可导引半导体晶体的生长。或是利用脱氧核糖核酸本身,来制成一些特殊结构,例如由脱氧核糖核酸长链交叉形成的脱氧核糖核酸“瓦片”或是多面体。此外也可以做出一些可活动的元件,例如纳米机械开关,此机械可经由使脱氧核糖核酸在不同的光学异构体(B型与Z型)之间进行转变,而使构形发生变化,导致开关的开启或关闭。还有一种脱氧核糖核酸机械含有类似镊子的构造,可加入外来脱氧核糖核酸使镊子开合,并排出废物脱氧核糖核酸,此时脱氧核糖核酸的作用类似“燃料”。脱氧核糖核酸所建构出来的装置,也可用来作为上述的脱氧核糖核酸运算工具。

7、dna的发现历程

1869年瑞士医生弗雷德里希·米歇尔早分离出脱氧核糖核酸,他从废弃绷带里所残留的脓液中,发现一些只有显微镜可观察的物质。由于这些物质位于细胞核中,因此米歇尔称之为“核素”(nuclein)。

1919年,菲巴斯·利文进一步辨识出组成脱氧核糖核酸的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元,他认为脱氧核糖核酸可能是许多核苷酸经由磷酸基团的联结,而串联在一起。不过他所提出概念中,脱氧核糖核酸长链较短,且其中的碱基是以固定顺序重复排列。

1928年,弗雷德里克·格里菲斯从格里菲斯实验中发现,平滑型的肺炎球菌,能转变成为粗糙型的同种细菌,方法是将已死的平滑型与粗糙型活体混合在一起。这种现象称为“转型”。

1937年,威廉·阿斯特伯里完成了第一张X光衍射图,阐明了脱氧核糖核酸结构的规律性。

1943年,奥斯瓦尔德·埃弗里等人辨识出造成【该系统在没有提供任何物质引起变化的证据的同时,表明某些物质可以将遗传信息从死亡细菌的遗体传递给生物。】现象的因子,就是脱氧核糖核酸。

1944年,Erwin Schrödinger鉴于量子物理学少数原子的系统具有无序行为理论,断言遗传物质必须由大的非重复分子构成,方足以维持遗传信息的稳定

1953年,阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了脱氧核糖核酸的遗传功能,他们在赫希-蔡斯实验中发现,脱氧核糖核酸是T2噬菌体的遗传物质。

1953年,美国的沃森和英国的克里克提出了DNA双螺旋结构的分子模型。当时在卡文迪许实验室的詹姆斯·沃森与佛朗西斯·克里克,依据伦敦国王学院的罗莎琳·富兰克林所拍摄的X光衍射图及相关数据,提出了早的核酸分子结构精确模型,并发表于《自然》期刊。五篇关于此模型的实验证据论文,也同时以同一主题发表于《自然》。其中包括富兰克林与雷蒙·葛斯林的论文,此文所附带的X光衍射图,是沃森与克里克阐明脱氧核糖核酸结构的关键证据。此外莫里斯·威尔金斯团队也是同期论文的发表者之一。富兰克林与葛斯林随后又提出了A型与B型脱氧核糖核酸双螺旋结构之间的差异。

1953年由弗朗西斯·克里克画的DNA双螺旋结构的铅笔素描
DNA双螺旋结构的铅笔素描

1957年,克里克在一场演说中,提出了分子生物学的中心法则,预测了脱氧核糖核酸、RNA以及蛋白质之间的关系,并阐述了“转接子假说”(即后来的tRNA)。

1958年,马修·梅塞尔森与富兰克林·斯塔尔在梅塞尔森-斯塔尔实验中,确认了脱氧核糖核酸的复制机制。后来克里克团队的研究显示,遗传密码是由三个碱基以不重复的方式所组成,称为密码子。这些密码子所构成的遗传密码,后是由哈尔·葛宾·科拉纳、罗伯特·W·霍利以及马歇尔·沃伦·尼伦伯格解出。这些发现代表了分子生物学的诞生。

1961年,哈尔·葛宾·科拉纳、罗伯特·W·霍利及马歇尔·沃伦·尼伦伯格解出这些密码子所构成的遗传密码

1990年,为了测出所有人类的脱氧核糖核酸序列,人类基因组计划开始。

2001年,多国合作的国际团队与私人企业塞雷拉基因组公司,分别将人类基因组序列草图发表于《自然》与《科学》两份期刊。

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