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新理论可改进对DNA和RNA大小的估测

文章作者:科技中心 上传时间:2020-02-09

新理论可改进对DNA和RNA大小的估测

组成核酸的元素有C、H、O、N、P等,其中N含量约为15%~16%,磷含量为9%~10%。由于核酸分子中的磷含量比较恒定,因此,核酸定量测定的经典方法,是以测定磷含量代表核酸量。

和来自化学课上僵硬的塑料模型不同,真正的分子链能弯曲和伸展。一些像DNA一样的聚合物尤其具有伸展性。这种特征使建立其行为模型的努力变得更加复杂。

核酸经水解可得到多核苷核,因此核苷酸是核酸的基本单位,核酸就是由很多单核苷酸聚合形成的多核苷酸,核苷酸可被水解产生核苷和磷酸,核苷还可进一步水解,产生戊糖和含氮碱。因此,核酸是由含氮碱、戊糖及磷酸三种成分组成。

自从保罗:弗洛里做出了开创性工作,研究人员提出各种计算弯曲的聚合物两端之间距离的公式。不过,这些公式通常没有考虑分子的伸展性。在日前发表于美国物理联合会所属《化学物理学杂志》的最新研究中,科学家推导出一个判断半柔性聚合物(包括DNA或者RNA)两个末端之间距离的公式,同时将聚合物的拉伸程度考虑进来。

含氮碱:核酸中的含氮碱简称碱基,是嘌呤碱与嘧啶碱的衍生物。RNA和DNA含有的共同碱基成分是腺嘌呤、鸟嘌呤和胞嘧啶。二者的区别是RNA含有尿嘧啶,而DNA含有胸腺嘧啶。嘌呤和嘧啶都有酮-烯醇式互变异构现象,一般生理pH条件下呈酮式。它们的结构如下:

此前对聚合物如何弯曲的估测并未解释分子如何在三维下移动。研究人员表示,计算伸直长度分布的最新方法更加严谨。其不仅能计算两端之间的距离,还能弄清楚聚合物的形状。

有些核酸中含有修饰碱基,这些碱基大多是在上述嘌呤或嘧啶碱的不同部位甲基化或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。例如有些DNA分子中含有5-甲基胞嘧啶,5-羟甲基胞嘧啶。某些RNA分子中含有1-甲基腺嘌呤、2,2-二甲基鸟嘌呤和5,6-二氢尿嘧啶等。

通过将聚合物的伸展性考虑进来,最新公式可帮助研究人员估测DNA片段的灵活性。研究发现,DNA的这种属性对于其生物功能至关重要。DNA的灵活性影响调节蛋白的结合以及DNA如何环绕像线轴一样使其被整齐地“打包”在细胞核内的组蛋白。DNA弯曲和环绕组蛋白的特定方式会通过将特定基因暴露在外面同时将其他基因隐藏起来,影响基因表达。

嘌呤碱和嘧啶碱一般多不易溶于水,对250~280nm波长的紫外光有较强的吸收,但对260nm光波的吸收能力最大。由于碱基是核酸的基本组成成分,因此,所有的核酸其共同特点是对260nm处的紫外光有最大的吸收值。

研究人员以像蠕虫一样的链模型为基础,推导出新的公式。该模型将诸如DNA、RNA等半柔性聚合物作为链条上的一个环节。利用大量的蒙特卡罗模拟,他们在很大范围内验证了公式的有效性。研究人员还利用对分子如何运动和相互作用进行实时建模的分子动力学模拟,确保从他们的方法中获得关于短链DNA和RNA聚合物的类似结果。

核酸分子中碱基的克分子数与磷的克原子数相等,所以可根据核酸溶液中的磷含量及紫外光的吸收值来测定核酸量。一般以每升核酸溶液中含1g磷原子为标准来计算核酸的吸光率,这称为克原子磷吸光率或克原子磷消光系数[ε],ε(p)的计算式为:

ε=A/Cl

A为吸光度,1为比色杯内径,通常为1.0cm;C为每升核酸溶液中磷的克原子数。

C= 每升溶液中磷重/30.98ε(p)=30.98A/wl

一般DNA的ε=6000~8000;RNA为7000~10000

现将DNA和RNA的化学组成归纳如表18-1:

表18-1

RNADNA嘌呤碱腺嘌呤鸟嘌呤腺嘌呤鸟嘌呤嘧啶碱胞嘧啶尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶戊糖核糖脱氧核糖磷酸磷酸磷酸

皇牌天下,二、核酸的一级结构

核酸又称多核苷酸,组成DNA的脱氧核糖核苷酸主要为四种,即dAMP、dGMP、dCMP及dTMP;组成RNA的核糖核苷酸主要有AMP、GMP、CMP及UMP四种。对两种核酸的组成可简写如下:

DNA=n;RNA=n

核酸中核苷酸的连接方式为:一个核苷核C-3’上羟基与下一个核苷核酸C-5’连接在磷酸羟基脱水缩合成酯键,称酯键称3’5’磷酸二酯键,若干个核苷酸间依3’5’磷酸二酯键连接成长链的大分子即为核酸。此长链称多核苷酸链,在链的一核苷酸,其C-5’连接的磷酸只一个酯键,称此核苷酸为链的5’磷酸未端或5’。链的另一端核苷酸上C-3’上羟基是自由的,对此核苷酸称为3’羟基末端或3’端,链内的核苷酸在C-5’上磷酸已形成二酯键,C-3’上羟基也已参与二酯键的形成,故称核苷酸残基。

核酸的一级结构乃指其核苷酸链中核苷酸的排列顺序,由于核酸中核苷酸彼此之间的差别乃在于碱基部分,故核酸的一级结构即指核酸分子中碱基的排列顺序。

对核酸一级结构的描述为:将5’磷酸末端书于左侧,中间部分为核苷酸残基,3’羟基末端书于右侧。通常用竖线表示核糖,碱基标于竖线上端,竖线间有含P的斜线,代表3’,5’磷酸二酯键。此表示法及简化式如下:

三、核酸的高级结构

核酸的多核苷酸链在次级键的基础上,还可形成更为复杂的二级及三级的高级结构。

DNA

1.二级结构1953年Watson 及Crick在化学分析及X光衍射法观察DNA结构的基础上提出了著名的DNA双螺旋结构模型此结构是在核酸一级结构基础上形成的更为复杂的高级结构,即DNA的二级结构,结构如图18-1。

图18-1 DNA的双螺旋结构

P:磷酸基;S:脱氧核糖;G:鸟嘌呤;

A:腺嘌呤;T:胸腺嘧啶C:胞嘧啶

DNA的二级结构即双螺旋结构,其内容可归纳为:

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