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DNA

理化性质

DNA是一种长链聚合物,组成单位为四种脱氧核苷酸,即:腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP )、胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP )、胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP )、鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP )。

而脱氧核糖(五碳糖)与磷酸分子借由酯键相连,组成其长链骨架,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转录出一段称为mRNA(信使RNA)的核酸分子。多数RNA带有合成蛋白质的讯息,另有一些本身就拥有特殊功能,例如rRNA、snRNA与siRNA。

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,正常的人体细胞中含有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。

DNA1.jpg

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,查伽夫(E.Chargaff)发现不同物种DNA的碱基组成不同,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。

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 查伽夫规则(即碱基互补配对原则)。

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(如图)。也有的DNA为单链,一般见于病毒,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,就是双螺旋产生张力,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。

结构特点

DNA的结构一般划分为一级结构、二级结构、三级结构、四级结构四个阶段。

分布功能

原核细胞的遗传物质是一个长DNA分子,但是原核细胞没有真正的细胞核。真核细胞核中有不止一个染色体,每个染色体也只含一个DNA分子。不过它们一般都比原核细胞中的DNA分子大而且和蛋白质结合在一起。DNA分子的功能是贮存决定物种的所有蛋白质和RNA结构的全部遗传信息;策划生物有次序地合成细胞和组织组分的时间和空间;确定生物生命周期自始至终的活性和确定生物的个性。除染色体DNA外,有极少量结构不同的DNA存在于真核细胞的线粒体和叶绿体中。DNA病毒的遗传物质也是DNA。

复制方式

在双螺旋的DNA中,分子链是由互补的核苷酸配对组成的,两条链依靠氢链结合在一起。由于氢链链数的限制,DNA的碱基排列配对方式只能是A对T(由两个氢键相连)或C对G(由三个氢链相连)。因此,一条链的碱基序列就可以决定了另一条的碱基序列,因为每一条链的碱基对和另一条链的碱基对都必须是互补的。在DNA复制时也是采用这种互补配对的原则进行的:当DNA双螺旋被展开时,每一条链都用作一个模板,通过互补的原则补齐另外的一条链,即半保留复制。

分子链的开头部分称为3'端而结尾部分称为5'端,这些数字表示脱氧核糖中的碳原子编号。

DNA的书写方式应从5'-末端到3'-末端。

主要类别

单链DNA

单链DNA(single-stranded DNA)大部分DNA以双螺旋结构存在,但一经热或碱处理就会变为单链状态。单链DNA就是指以这种状态存在的DNA。单链DNA在分子流体力学性质、吸收光谱、碱基反应性质等方面都和双链DNA不同。某些噬菌体粒子内含有单链环状的DNA,这样的噬菌体DNA在细胞内增殖时则形成双链DNA。

单链DNA.jpg

闭环DNA

闭环DNA(closed circular DNA)没有断口的双链环状DNA,亦称为超螺旋DNA。由于具有螺旋结构的双链各自闭合,结果使整个DNA分子进一步旋曲而形成三级结构。另外如果一条或二条链的不同部位上产生一个断口,就会成为无旋曲的开环DNA分子。从细胞中提取出来的质粒或病毒DNA都含有闭环和开环这二种分子。可根据两者与色素结合能力的不同,而将两者分离开来。

连接DNA

连接DNA (Linker DNA):核小体中除147bp核心DNA 外的所有DNA。

模板DNA

模板DNA可以是单链分子,也可以是双链分子,可以是线状分子,也可以是环状分子(线状分子比环状分子的扩增效果稍好)。就模板DNA而言,影响PCR的主要因素是模板的数量和纯度。

互补DNA

互补DNA(cDNA,complementary DNA)构成基因的双链DNA分子用一条单链作为模板,转录产生与其序列互补的信使RNA分子,然后在反转录酶的作用下,以mRNA分子为模板,合成一条与mRNA序列互补的单链DNA,最后再以单链DNA为模板合成另一条与其互补的单链DNA,两条互补的单链DNA分子组成一个双链cDNA分子.因此,双链cDNA分子的序列同转录产生的mRNA分子的基因是相同的.所以一个cDNA分子就代表一个基因.但是cDNA仍不同于基因,因为基因在转录产生mRNA时,一些不编码的序列即内含子被删除了,保留的只是编码序列,即外显子.所以cDNA序列都比基因序列要短得多,因为cDNA中不包括基因的非编码序列---内含子。

技术发展

早期发展

1860至1870年,奥地利学者孟德尔根据豌豆杂交实验提出遗传因子概念,并总结出孟德尔遗传定律。

1909年,丹麦植物学家和遗传学家约翰逊首次提出“基因”这一名词,用以表达孟德尔的遗传因子概念。

1944年,3位美国科学家分离出细菌的DNA(脱氧核糖核酸),并发现DNA是携带生命遗传物质的分子。

1953年,美国人沃森和英国人克里克通过实验提出了DNA分子的双螺旋模型。

1969年,科学家成功分离出第一个基因。 

完整的DNA形态在1944年由美国人埃弗里确定发现,1953年克里克教授绘制出DNA的双螺旋线结构图;1985年莱斯特大学的亚历克·杰弗里斯教授又发明利用DNA对人体进行鉴别的办法;DNA自1988年起开始应用在司法方面;1994年7月29日,法国法律规定了使用基因标记的条件。

另外詹姆斯·沃森也有贡献20世纪40年代末和50年代初,在DNA被确认为遗传物质之后,生物学家们不得不面临着一个难题:DNA应该有什么样的结构,才能担当遗传的重任?它必须能够携带遗传信息,能够自我复制传递遗传信息,能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动,并且能够突变并保留突变。这4点,缺一不可,如何建构一个DNA分子模型解释这一切?

根据科学分析,每一个人拥有400万亿个细胞(皮肤、肌肉、神经等),人体细胞除了红血球外都拥有一个由46种染色体组成的细胞核,染色体本身又由DNA染色体丝构成,这种染色体丝在所有细胞中都是相同的。DNA由被称作A(adenine)、T(thymine)、G(guanine)和C(cytosine)的核酸组成,正是它们构成我们人体的基因。根据DNA可以断定两代人之间的亲缘关系,因为一个孩子总是分别从父亲和母亲身上接受一半基因物质的。科学家们还把DNA研究的目标放在确定导致人们生病的基因起源方面,以便将来更好地认识、治疗和预防危害人类健康的各种疾病

DNA的可信度如何呢?两个人的染色体是否会相似?根据科学试验,这种可能性几乎没有。然而,在所有过程中出现差错将是可能的,这主要是在提取和化验标本的时候,标本也可能受到另一个人DNA的污染。为了保证DNA的可靠性,必须在提取标本和化验分析时严格把关。不仅可以避免可能的错误,而且大大加快了DNA检查的速度。

垃圾DNA

一项针对基因组进行的广泛比较研究显示,问题的答案可能就隐藏在生物的垃圾脱氧核糖核酸(DNA)中。美国科学家发现,生物越复杂,其携带的垃圾DNA就越多,而恰恰是这些没有编码的“无用”DNA帮助高等生物进化出了复杂的机体。

自从第一个真核生物——包括从酵母到人类的有细胞核的生物——的基因组被破译以来,科学家一直想知道,为什么生物的大多数DNA并没有形成有用的基因。从突变保护到染色体的结构支撑,对于这种所谓的垃圾DNA的可能解释有许多种。但是2004年从人类、小鼠和大鼠身上得到的完全一致的关于垃圾DNA的研究结果却表明,在这一区域中可能包含有重要的调节机制,从而能够控制基础的生物化学反应和发育进程,这将帮助生物进化出更为复杂的机体。与简单的真核生物相比,复杂生物有更多的基因不会发生突变的事实无疑极大地强化了这一发现。

为了对这一问题有更深的了解,由美国加利福尼亚大学圣塔克鲁斯分校(UCSC)的计算生物学家David Haussler领导的一个研究小组,对5种脊椎动物——人、小鼠、大鼠、鸡和河豚——的垃圾DNA序列与4种昆虫、两种蠕虫和7种酵母的垃圾DNA序列进行了比较。研究人员从对比结果中得到了一个惊人的模式:生物越复杂,垃圾DNA似乎就越重要。

这其中暗含的可能性在于,如果不同种类的生物具有相同的DNA,那么这些DNA必定是用来解决一些关键性的问题的。酵母与脊椎动物共享了一定数量的DNA,毕竟它们都需要制造蛋白质,但是只有15%的共有DNA与基因无关。研究小组在2005年7月14日的《基因组研究》杂志网络版上报告说,他们将酵母与更为复杂的蠕虫进行了比较,后者是一种多细胞生物,发现有40%的共有DNA没有被编码。随后,研究人员又将脊椎动物与昆虫进行了对比,这些生物比蠕虫更为复杂,结果发现,有超过66%的共有DNA包含有没有编码的DNA。

参与该项研究工作的UCSC计算生物学家Adam Siepel指出,有关蠕虫的研究结果需要慎重对待,这是由于科学家仅仅对其中的两个基因组进行了分析。尽管如此,Siepel还是认为,这一发现有力地支持了这样一种理论,即脊椎动物和昆虫的生物复杂性的增加主要是由于基因调节的精细模式。

DNA探针

DNA探针是最常用的核酸探针,指长度在几百碱基对以上的双链DNA或单链DNA探针。现已获得DNA探针数量很多,有细菌病毒、原虫、真菌动物人类细胞DNA探针。这类探针多为某一基因的全部或部分序列,或某一非编码序列。这些DNA片段须是特异的,如细菌的毒力因子基因探针和人类Alu探针。这些DNA探针的获得有赖于分子克隆技术的发展和应用。以细菌为例,加之分子杂交技术的高敏感性,分子杂交在临床微生物诊断上具有广阔的前景。

细菌基因组大小约5×106bp,约含3000个基因。各种细菌之间绝大部分DNA是相同的,要获得某细菌特异的核酸探针,通常要采取建立细菌基因组DNA文库的办法,即将细菌DNA切成小片段后分别克隆得到包含基因组的全信息的克隆库。然后用多种其它菌种的DNA作探针来筛选,产生杂交信号的克隆被剔除,最后剩下的不与任何其它细菌杂交的克隆则可能含有该细菌特异性DNA片段。将此重组质粒标记后作探针进一步鉴定,亦可经DNA序列分析鉴定其基因来源和功能。因此要得到一种特异性DNA探针,常常是比较繁琐的。探针DNA克隆的筛选也可采用血清学方法,所不同的是所建DNA文库为可表达性,克隆菌落或噬斑经裂解后释放出表达抗原,然后用来源细菌的多克隆抗血清筛选阳性克隆,所得到多个阳性克隆再经其它细菌的抗血清筛选,最后只与本细菌抗血清反应的表达克隆即含有此细菌的特异性基因片段,它所编码的蛋白是该菌种所特有的。用这种表达文库筛选得到的显然只是特定基因探针。

DNA修复

DNA修复(DNA repairing)是细胞对DNA受损伤后的一种反应,这种反应可能使DNA结构恢复原样,重新能执行它原来的功能;但有时并非能完全消除DNA的损伤,只是使细胞能够耐受这DNA的损伤而能继续生存。也许这未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来(如细胞的癌变等),但如果细胞不具备这修复功能,就无法对付经常在发生的DNA损伤事件,就不能生存。所以研究DNA修复也是探索生命的一个重要方面,而且与军事医学、肿瘤学等密切相关。对不同的DNA损伤,细胞可以有不同的修复反应。

DNA.jpg

DNA复制

DNA复制是指DNA双链在细胞分裂以前进行的复制过程,复制的结果是一条双链变成两条一样的双链(如果复制过程正常的话),每条双链都与原来的双链一样。这个过程是通过名为半保留复制的机制来得以顺利完成的。复制可以分为以下几个阶段:

起始阶段:解旋酶在局部展开双螺旋结构的DNA分子为单链,引物酶辨认起始位点,以解开的一段DNA为模板,按照5'到3'方向合成RNA短链。形成RNA引物。

DNA片段的生成:在引物提供了3'-OH末端的基础上,DNA聚合酶催化DNA的两条链同时进行复制过程,由于复制过程只能由5'->3'方向合成,因此一条链能够连续合成,另一条链分段合成,其中每一段短链成为冈崎片段(Okazaki fragments)。

RNA引物的水解:当DNA合成一定长度后,DNA聚合酶水解RNA引物,补填缺口。

DNA连接酶将DNA片段连接起来,形成完整的DNA分子。

最后DNA新合成的片段在旋转酶的帮助下重新形成螺旋状。

DNA重组

重组DNA是一种人工合成的脱氧核糖核酸。它是把一般不同时出现的DNA序列组合到一起而产生的。从遗传工程的观点来看重组DNA是把相关的DNA添加到已有生物基因组中,比如细菌的质粒中,其目的是为了改变或者添加特别是的特性,比如免疫。重组DNA与遗传重组不是一回事。它不是重组细胞内或者染色体上已经存在的基因组,而完全是通过外部工程达到的。重组蛋白质是从重组DNA合成出来的蛋白质。

重组DNA技术是1973年由斯坦利·诺曼·科恩和赫伯特·玻意尔设计的。1974年他们发表了他们的设计。在这篇论文中他们描述了分离和放大基因或者DNA片段,然后精确地把它们插入其它细胞中,由此制造出转基因细菌。沃纳·亚伯、丹尼尔·那森斯和汉弥尔顿·史密斯发明了限制酶才使得重组DNA技术可行,为此他们获得了1978年诺贝尔医学奖。

超速离心

近代质粒DNA分离纯化以从大肠杆菌中分离为代表,鉴于大肠杆菌(E.coli)在分子生物学研究中的重要地位,从大肠杆菌(E.coli)中分离纯化质粒DNA(Plasmid DNA)成为超离心技术中一个重要课题。而质粒DNA的快速分离纯化又对超离心设备(超速离心机、转头和附属设备)提出了更高要求。

针对E.coli的显微结构待点,在进行超离心分离纯化质粒DNA之前的预处理顺序是:沉淀物可以在加入TE缓冲液(10mM Tris-HCL, lmM EDTA,pH8.0)后分子筛技术去除蛋白和RNA; 也可以用超速离心法去除蛋白质和RNA,去级状DNA或DNA断片。

质粒DNA超速离心的分离方法

传统的分离方法:数年前,由于受设备条件限制,质粒DNA的分离一般用CsCl平衡等密度离心法,自形成梯度。以10~12ml单管容量为例,用甩平转头分离,36.000rpm×60小时,用角式转头分离45,000rpm×36小时,前者包括加减速在内共用去1.3亿转驱动部寿命,后者也要用去1亿转驱动部寿命,这对当时超速离心机总寿命为100~200亿转来看,无疑每次实验费用过高,加上CsCl用量多、价格贵等因素,使这类分离纯化工作成为非常昂贵的实验。

质粒DNA超速离心分离的最新进展

1、超速垂直管转头的离心分离(钦合金或碳纤维制造的):从1975年垂直管转头向世后,最高转速从50,000rpm到120,000rpm,RCFmax可达700,000Xg,90年代开发的新机型和转头己能够使质粒DNA垂直管离心分离实验做起来得心应手。

2、近垂直管转头离心分离:为了消除垂直管转头用于质粒DNA离心在壁部形成的RNA沉淀对已形成的DNA区带的污染,同时也为了改进一般斜角式转头(倾角25——35)由于沉降距离较长,因而分离时间也较长的缺点,近几年开发了多种近垂直管转头(即Near VerticalTube Rot时,简称NVT转头或Neo Angle Rotor,小假角转头,简称NT).它们的离心管纵剖面中心轴线与离心机驱动轴线之间夹角在7.5——10之间,转速从65,000rpm到120,OOOrpm,RCFmax可达646,000×g单管容量从2ml至13.5ml。NVT(或NT)转头的开发主要是为质粒DNA分离而设计,当然它也适用于线粒体DNA、染色体DNA、RNA及血清脂蛋白的分离·纯化。

3、不连续阶梯梯度分离:质校DNA分离纯化传统方法是采用金管CsCl自形成梯度平衡等密度离心法,离心开始时金管CsCl密度均一,样品均匀分布其中。

交互作用

脱氧核糖核酸若要发挥其功用,必须依赖与蛋白质之间的交互作用,有些蛋白质的作用不具专一性,有些则只专门与个别的脱氧核糖核酸序列结合。聚合酶在各类酵素中尤其重要,此种蛋白质可与脱氧核糖核酸结合,并作用于转录或脱氧核糖核酸复制过程。

脱氧核糖核酸与组织蛋白(右图白色部分)的交互作用,这种蛋白质中的碱性氨基酸(左下蓝色),可与脱氧核糖核酸上的酸性磷酸基团结合(右下红色)。

结构蛋白可与脱氧核糖核酸结合,是非专一性脱氧核糖核酸-蛋白质交互作用的常见例子。染色体中的结构蛋白与脱氧核糖核酸组合成复合物,使脱氧核糖核酸组织成紧密结实的染色质构造。对真核生物来说,染色质是由脱氧核糖核酸与一种称为组织蛋白的小型碱性蛋白质所组合而成;而原核生物体内的此种结构,则掺杂了多种类型的蛋白质。双股脱氧核糖核酸可在组织蛋白的表面上附着并缠绕整整两圈,以形成一种称为核小体的盘状复合物。组织蛋白里的碱性残基,与脱氧核糖核酸上的酸性糖磷酸骨架之间可形成离子键,使两者发生非专一性交互作用,也使复合物中的碱基序列相互分离。在碱性氨基酸残基上所发生的化学修饰有甲基化、磷酸化与乙酰化等,这些化学作用可使脱氧核糖核酸与组织蛋白之间的作用强度发生变化,进而使脱氧核糖核酸与转录因子接触的难易度改变,影响转录作用的速率。其他位于染色体内的非专一性脱氧核糖核酸结合蛋白,还包括一种能优先与脱氧核糖核酸结合,并使其扭曲的高移动性群蛋白。这类蛋白质可以改变核小体的排列方式,产生更复杂的染色质结构。

脱氧核糖核酸结合蛋白中有一种专门与单股脱氧核糖核酸结合的类型,称为单股脱氧核糖核酸结合蛋白。人类的复制蛋白A是此类蛋白中获得较多研究的成员,作用于多数与解开双螺旋有关的过程,包括脱氧核糖核酸复制、重组以及脱氧核糖核酸修复。这类结合蛋白可固定单股脱氧核糖核酸,使其变得较为稳定,以避免形成茎环(stem-loop),或是因为核酸酶的作用而水解。

相对而言,其他的蛋白质则只能与特定的脱氧核糖核酸序列进行专一性结合。大多数关于此类蛋白质的研究集中于各种可调控转录作用的转录因子。这类蛋白质中的每一种,都能与特定的脱氧核糖核酸序列结合,进而活化或抑制位于启动子附近序列的基因转录作用。转录因子有两种作用方式,第一种可以直接或经由其他中介蛋白质的作用,而与负责转录的RNA聚合酶结合,再使聚合酶与启动子结合,并开启转录作用。第二种则与专门修饰组织蛋白的酵素结合于启动子上,使脱氧核糖核酸模板与聚合酶发生接触的难度改变。

由于目标脱氧核糖核酸可能散布在生物体中的整个基因组中,因此改变一种转录因子的活性可能会影响许多基因的运作。这些转录因子也因此经常成为信号传递过程中的作用目标,也就是作为细胞反映环境改变,或是进行分化和发育时的媒介。具专一性的转录因子会与脱氧核糖核酸发生交互作用,使脱氧核糖核酸碱基的周围产生许多接触点,让其他蛋白质得以“读取”这些脱氧核糖核酸序列。多数的碱基交互作用发生在大凹槽,也就是最容易从外界接触碱基的部位。

溅射法制备 a-GaN 薄膜的光学性质也类似于脱氧核糖核酸化学成分。

历史沿革

早期发现

最早分离出DNA的弗雷德里希·米歇尔是一名瑞士医生,他在1869年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)。到了1919年,菲巴斯·利文进一步辨识出组成DNA的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元,他认为DNA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,DNA长链较短,且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年,威廉·阿斯特伯里完成了第一张X光绕射图,阐明了DNA结构的规律性。

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”。但造成此现象的因子,也就是DNA,是直到1943年,才由奥斯瓦尔德·埃弗里等人所辨识出来。1953年,阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了DNA的遗传功能,他们在赫希-蔡斯实验中发现,DNA是T2噬菌体的遗传物质。

组成与功能

蛋白质的发现比核酸早30年,发展迅速。进入20世纪时,组成蛋白质的20种氨基酸中已有12种被发现,到1940年则全部被发现。

20世纪初,德国科赛尔(1853-1927)和他的两个学生琼斯(1865-1935)和列文(1869-1940)的研究,弄清了核酸的基本化学结构,认为它是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成的。其中碱基有4种(腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶),核糖有两种(核糖、脱氧核糖),因此把核酸分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。

列文急于发表他的研究成果,错误地认为4种碱基在核酸中的量是相等的,从而推导出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成的四核苷酸,以此为基础聚合成核酸,提出了“四核苷酸假说”。这个错误的假说,对认识复杂的核酸结构起了相当大的阻碍作用,也在一定程度上影响了人们对核酸功能的认识。人们认为,虽然核酸存在于重要的结构--细胞核中,但它的结构太简单,很难设想它能在遗传过程中起什么作用。

1902年,德国化学家费歇尔提出氨基酸之间以肽链相连接而形成蛋白质的理论,1917年他合成了由15个甘氨酸和3个亮氨酸组成的18个肽的长链。于是,有的科学家设想,很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。如果核酸参与遗传作用,也必然是与蛋白质连在一起的核蛋白在起作用。因此,那时生物界普遍倾向于认为蛋白质是遗传信息的载体。

到了1919年,菲巴斯·利文进一步辨识出组成DNA的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元,他认为DNA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,DNA长链较短,且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年,威廉·阿斯特伯里完成了第一张X光绕射图,阐明了DNA结构的规律性。

1928年,美国科学家弗雷德里克·格里菲斯(1877-1941)在实验中发现,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。格里菲斯用一种有荚膜、毒性强的和一种无荚膜、毒性弱的肺炎双球菌对老鼠做实验。他把有荚病菌用高温杀死后与无荚的活病菌一起注入老鼠体内,结果他发现老鼠很快发病死亡,同时他从老鼠的血液中分离出了活的有荚病菌。这说明无荚菌竟从死的有荚菌中获得了什么物质,使无荚菌转化为有荚菌。这种假设是否正确呢?格里菲斯又在试管中做实验,发现把死了的有荚菌与活的无荚菌同时放在试管中培养,无荚菌全部变成了有荚菌,并发现使无荚菌长出蛋白质荚的就是已死的有荚菌壳中遗留的核酸(因为在加热中,荚中的核酸并没有被破坏)。格里菲斯称该核酸为"转化因子"。这种现象称为“转化”。

但这个发现没有得到广泛的承认,人们怀疑当时的技术不能除净蛋白质,残留的蛋白质起到转化的作用。造成此现象的因子,也就是DNA,是直到1943年,才由奥斯瓦尔德·埃弗里(O,Avery)等人所辨识出来。1953年,阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了DNA的遗传功能,他们在赫希-蔡斯实验中发现,DNA是T2噬菌体的遗传物质。

1952年,噬菌体小组主要成员赫尔希(1908一)和他的学生蔡斯用先进的同位素标记技术,做噬菌体侵染大肠杆菌的实验。他把大肠杆菌T2噬菌体的核酸标记上32P,蛋白质外壳标记上35S。先用标记了的T2噬菌体感染大肠杆菌,然后加以分离,结果噬菌体将带35S标记的空壳留在大肠杆菌外面,只有噬菌体内部带有32P标记的核酸全部注人大肠杆菌,并在大肠杆菌内成功地进行噬菌体的繁殖。这个实验证明DNA有传递遗传信息的功能,而蛋白质则是由 DNA的指令合成的。这一结果立即为学术界所接受。

美籍德国科学家德尔布吕克(1906--1981)的噬菌体小组对艾弗里的发现坚信不移。因为他们在电子显微镜下观察到了噬菌体的形态和进入大肠杆菌的生长过程。噬菌体是以细菌细胞为寄主的一种病毒,个体微小,只有用电子显微镜才能看到它。它像一个小蝌蚪,外部是由蛋白质组成的头膜和尾鞘,头的内部含有DNA,尾鞘上有尾丝、基片和小钩。当噬菌体侵染大肠杆菌时,先把尾部末端扎在细菌细胞膜上,然后将它体内的DNA全部注人到细菌细胞中去,蛋白质空壳仍留在细菌细胞外面,再没有起什么作用了。进入细菌细胞后的噬菌体DNA,就利用细菌内的物质迅速合成噬菌体的DNA和蛋白质,从而复制出许多与原噬菌体大小形状一模一样的新噬菌体,直到细菌被彻底解体,这些噬菌体才离开死了的细菌,再去侵染其他的细菌

几乎与此同时,奥地利生物化学家查伽夫对核酸中的4种碱基的含量的重新测定取得了成果。在艾弗里工作的影响下,他认为如果不同的生物种是由于DNA的不同,则DNA的结构必定十分复杂,否则难以适应生物界的多样性。因此,他对列文的"四核苷酸假说"产生了怀疑。在1948- 1952年4年时间内,他利用了比列文时代更精确的纸层析法分离4种碱基,用紫外线吸收光谱做定量分析,经过多次反复实验,终于得出了不同于列文的结果。实验结果表明,在DNA大分子中嘌呤和嘧啶的总分子数量相等,其中腺嘌呤A与胸腺嘧啶T数量相等,鸟嘌呤G与胞嘧啶C数量相等。说明DNA分子中的碱基A 与T、G与C是配对存在的,从而否定了“四核苷酸假说”,并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。

克里克在1957年的一场演说中,提出了分子生物学的中心法则,预测了DNA、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·梅瑟生与富兰克林·史达在梅瑟生-史达实验中,确认了DNA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,最后是由哈尔·葛宾·科拉纳、罗伯特·W·霍利以及马歇尔·沃伦·尼伦伯格解出。

双螺旋的发现

20世纪30年代后期,瑞典的科学家们就证明DNA是不对称的。第二次世界大战后,用电子显微镜测定出DNA分子的直径约为2nm。DNA双螺旋结构被发现后,极大地震动了学术界,启发了人们的思想。从此,人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着4 种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种氨基酸为中心开展实验研究。

20世纪50年代,DNA双螺旋结构被阐明,揭开了生命科学的新篇章,开创了科学技术的新时代。随后,遗传的分子机理――DNA复制、遗传密码、遗传信息传递的中心法则、作为遗传的基本单位和细胞工程蓝图的基因以及基因表达的调控相继被认识。至此,人们已完全认识到掌握所有生物命运的东西就是DNA和它所包含的基因生物的进化过程和生命过程的不同,就是因为DNA和基因运作轨迹不同所致。

1953年4月25日,英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果:DNA双螺旋结构的分子模型,这一成果后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现,标志着分子生物学的诞生。

沃森(1928一)在中学时代是一个极其聪明的孩子,15岁时便进入芝加哥大学学习。当时,由于一个允许较早人学的实验性教育计划,使沃森有机会从各个方面完整地攻读生物科学课程。

大学期间,沃森在遗传学方面虽然很少有正规的训练,但自从阅读了薛定谔的《生命是什么?--活细胞<

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