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2020年西医综合考研复习已经开始,新东方在线在此整理了2020考研西医综合备考:【生物化学】DNA的分子结构,希望能帮助大家!
生物化学知识:DNA的分子结构
一、 DNA的一级结构 (primary stucture)
DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序,常被简单认为是碱基序列(base sequence)。碱基序有严格的方向性和多样性。一般将5'- 磷酸端作 为多核苷酸链的“头”,写在左侧,如pACUGA( 5'→ 3') 。
在DNA一级结构中,有一种回文结构的特殊序列,所谓回文结构即DNA互补链上一段反向重复顺序,正读和反读意义相同,经反折可形成“十字形”结构,在转录成RNA后可形成“发夹”样结构,有调控意义。
→ GCTA GTTCA CTC TGAAC AATT →
← CGAT CAAGT GAG ACTTG TTAA ←
DNA分子很大,最小的病毒DNA约含5000b。1965年Holley用片段重叠法完成酵母tRNAala 76nt 序列测定;1977年Sanger利用双脱氧法(酶法)测定了φX174单链DNA5386b的全序列。1990年实施的人类基因组计划(HGP),用15年,投资30亿美元,完成人类单倍体基因组DNA3×109bp全序列的测定。该计划由美、英、日、法、德、中六国科学家合作,于2003年提前完成,生命科学进入后基因组时代,研究重点从测序转向对基因组功能的研究。
二、DNA的二级结构——双螺旋(double helix)
1953年,Watson和Crick根据Wilkins 和Franklin拍摄的DNA X-射线照片(DNA有0.34nm和3.4nm两个周期性变化)以及Chargaff等人对DNA的碱基组成的分析(A=T,G=C,A+G=C+T),推测出DNA是由两条相互缠绕的链形成。Watson-Crick 双螺旋结构模型如下:
1.两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。一条链为5'→ 3',另一条为3'→ 5'。(某些病毒的DNA是单链分子ssDNA)
2.碱基在双螺旋内侧,A与T,G与C配对,A与T形成两个氢键,G与C形成三个氢键。糖基-磷酸基骨架在外侧。表面有一条大沟和一小沟。
3.螺距为3.4 nm,含10个碱基对(bp),相邻碱基对平面间的距离为0.34 nm。螺旋直径为2 nm。
氢键维持双螺旋的横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴,碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。
4.碱基在一条链上的排列顺序不受限制。遗传信息由碱基序所携带。
5.DNA构象有多态性。
Watson和Crick根据Wilkins 和Franklin拍摄的DNA X-射线照片是相对湿度92%的DNA钠盐所得的衍射图,因此Watson-Crick 双螺旋结构称B-DNA。细胞内的DNA与它非常相似。另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。
1979年Rich发现Z-DNA(左手螺旋、螺距4.5nm、直径1.8nm)
三、DNA的三级结构
DNA 双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。
某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋,再次螺旋化形成超螺旋;在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋,通过组装形成非常致密的超级结构。
1.环形DNA可形成超螺旋
当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时,都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力,目的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外的左手螺旋(正超螺旋),而欠旋形成额外的右手螺旋(负超螺旋)。
一段双螺旋圈数为10的B-DNA连接成环形时,不发生进一步扭曲,称松弛环形DNA(双螺旋的圈数=链绕数,即T=L,超螺旋数W=0;L=T+W),但将这一线形DNA的螺旋先拧松一圈再连接成环时,解链环形DNA存在的扭曲张力,可导致双链环向右手方向扭曲形成负超螺旋(T=10,L=9,W = -1)。
在生物体内,绝大多数超螺旋DNA以负超螺旋的形式存在,也就是说,一旦超螺旋解开,则会形成解链环形DNA,有利于DNA复制或转录。
螺旋具有相同的结构,但L值不同的分子称为拓扑异构体。DNA拓扑异构酶切断一条链或两条链,拓扑异构体可以相互转变。W的正表示双链闭环的螺旋圈在增加,W的负表示减少。L和T的正负表示螺旋方向,右手为正,左手螺旋为负;L值必定是整数。
2.真核细胞染色体
真核细胞DNA是线形分子,与组蛋白结合,其两端固定也形成超螺旋结构。DNA被紧密地包装成染色体来自三个水平的折叠:核小体、30nm纤丝和放射环。
核小体是染色体的基本结构单位,是DNA包装的第一步,它由DNA结合到组蛋白上形成复合物,在电镜下显示为成串的“念珠”状。组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质,其氨基酸序列在进化中是高度保守的。组蛋白有5种,H2A、H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体是核小体核心颗粒,DNA缠绕其上,相邻核小体间的DNA称为连接DNA且结合H1。200 bpDNA的长度约为68nm,被压缩在10nm的核小体中。压缩比约为7。30nm纤丝是第二级压缩,每圈含6个核小体,压缩比是6。30nm螺旋管再缠绕成超螺旋圆筒,压缩比是40。再进一步形成染色单体,总压缩近一万倍。典型人体细胞的DNA理论长度应是180 cm,被包装在46个5μm的染色体中。
四、DNA和基因组
1.DNA分子中的最小功能单位称作基因,为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因,DNA中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。基因组(genome)是某生物体所含的全部基因,即全部DNA或完整的单套遗传物质(配子中的整套基因)。
2.细菌、噬菌体、大多数动植物病毒的基因组即指单个DNA分子。最小病毒如SV40的基因组仅有5226b,含5个基因。大肠杆菌含4.6×106 bp,有3000~4000个基因,DNA完全伸展总长约1.3mm。
原核生物基因组的特点是:结构简炼,绝大部分为蛋白质编码(结构基因);有转录单元,即功能相关的基因常串联一起,并转录在同一mRNA(多顺反子mRNA)中;有基因重叠现象,即同一段DNA携带两种不同蛋白质的信息。
3.真核生物基因一般分布在若干条染色体上,其特点是:有重复序列(按重复次数分单拷贝序、中度重复序和高度重复序);有断裂基因(由不编码的内含子和编码的外显子组成)。酵母基因组有1.35×107bp,含6374个基因。人类基因组有3×109 bp,含4万个基因。
本文关键字: 2020考研西医综合
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