自己看的遗传学（二）：DNA和RNA

时间：2021-03-19 09:06 | 栏目：本章综合 | 点击：次

所谓基因，就是能产生一条多肽链或功能RNA所需的全部核苷酸序列。绝大多数情况下，基因指的是DNA的其中一段序列，但是从广义上讲，“RNA病毒的基因”指的是RNA，照这么讲RNA也该算是基因。因此本篇主要讲DNA的基本结构，顺带提一下RNA的基本结构。

DNA由碱基、脱氧核糖和磷酸组成，碱基和脱氧核糖结合成脱氧核糖核苷，糖分子再跟磷酸分子结合形成脱氧核糖核苷酸，碱基分四种：A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、T（胸腺嘧啶）。RNA由碱基、核糖和磷酸组成，同DNA一样，碱基和核糖结合成核糖核苷，糖分子再跟磷酸分子结合形成核糖核苷酸，碱基分四种：A（腺嘌呤）、G（鸟嘌呤）、C（胞嘧啶）、U（尿嘧啶）。脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸都是通过磷酸二酯键连接成长链的。

1.DNA的基本结构

先讲DNA。绝大多数DNA分子都是由两条碱基互补的单链构成，呈线性或者环状；只有某些噬菌体或病毒的DNA是以单链形式存在的，例如猪圆环病毒。DNA分子的糖-磷酸位于外侧、碱基位于内侧、一条链上的碱基和另一条链上的碱基通过氢键配对形成的反向平行双螺旋结构，我已经不想多作叙述。就DNA的碱基数量而言，A=T，C=G。而A和T总是通过2个氢键相连接，C和G则通过3个氢键相配对。高温或者较高的pH值下，DNA分子的氢键遭到破坏，双螺旋解开，形成两条互补的单链，这个过程叫做变性。变性后的互补链缓慢冷却，又会重新连接成规则的双螺旋结构，这个过程叫做复性。A和T之间的氢键数量较少，因此A-T的变性和复性比C-G容易。

关于DNA变性的现象研究发现，含有DNA的溶液的最大紫外光吸收波长在260nm处，而且双螺旋DNA的吸光值大大低于单链DNA——这是因为单链DNA暴露出了更多的共轭双键。DNA变性就是解开双链的过程，当DNA溶液的温度逐渐升高到水的沸点附近时，溶液在260nm处的吸光度也逐渐增加，这就叫做增色效应。反之则叫做减色效应。实验室往往通过检测DNA溶液的紫外吸光度来监测DNA的变性过程。将温度相对于260nm处吸光度作图，得到的就是DNA的解链曲线。在一个很窄的温度范围内，DNA溶液的吸光度会急剧上升。人们把吸光度增加到最大值一半时的温度称为DNA的解链温度，也叫DNA的熔点（Tm）。DNA的Tm值和DNA的长度、碱基的GC含量等因素有关。G+C碱基的含量越高，DNA的Tm值就越高（G-C连有三个氢键，堆积力较大）；溶液的离子强度越高，Tm值也越高（溶液中的阳离子可以中和DNA的负电荷使其稳定）；DNA均一性越高，解链温度的范围就越小。

DNA的一级结构，就是指4种核苷酸的连接及排列顺序。碱基在长链中的排列是千变万化的，这也就构成了DNA分子的多样性。而DNA的二级结构，就是两条多核苷酸链反向平行盘绕的双螺旋结构。二级结构大概可以分成两类：一类是右手螺旋，最常见的是B-DNA结构，其次常见的是A-DNA结构；另一类是左手螺旋，即Z-DNA。

B-DNA结构是DNA钠盐在较高湿度下的结构，既规则又稳定，是普遍存在的，富含A-T的DNA尤其常常呈现出B-DNA的结构。B-DNA链间有螺旋形的凹槽——小沟（约1.2nm交叉）和大沟（约2.2nm交叉），相邻碱基对平面间距0.34nm，以3.4nm为一个结构重复周期，双螺旋直径2.0nm。换言之，每圈螺旋包含10对碱基。

A-DNA则是相对湿度在75%以下时会出现的结构，螺旋宽而短，倾斜大，偏向双螺旋的边缘，具有一个深窄的大沟和宽浅的小沟。当DNA处于转录状态时，DNA模板链和它转录所得到的RNA链之间形成的双链就是A-DNA。两条RNA互补链形成的双螺旋结构也是A-DNA。

Z-DNA细长，大沟平坦而小沟深窄，核苷酸构象顺反相间，每圈螺旋有12对碱基。dT-dG的多聚家族就是这种构象，该家族是一种短的重复序列，嘌呤和嘧啶交替排列。Z-DNA可以调控转录，它一般在邻近转录区域的调节区域，就像是机场跑道边的塔台。只有当它变成B-DNA构象的时候，转录才能够得到开始的指令。

DNA的高级结构是DNA双螺旋进一步扭曲盘绕形成的特定空间结构，包括超螺旋、线性双链纽结、多重螺旋等等，其中以超螺旋最为常见。超螺旋分为正超螺旋（右手）和负超螺旋（左手）两种，负超螺旋在细胞DNA中比较常见。这两种超螺旋可以在拓扑异构酶或者溴化乙锭的作用下相互转变。在电场中，相同分子质量的超螺旋DNA的迁移率大于线性DNA，线性DNA的迁移率又大于开环的DNA。那么，我们可以通过电泳的方式将三者分开，这个实验通常被拿来判断细菌质粒是否被破坏——天然质粒呈环状双链结构，稍被破坏就是开环结构，双链皆断开就是线性结构。

DNA在复制时，是“半保留”的：DNA分子双链解开，形成两条互补的单链；每条单链都可以作为复制的模板，分别合成与自己互补的新链，产生互补的2条链。这样，新形成的2个DNA分子中的碱基和原来DNA分子完全一样。每个子链（新产生的DNA分子）中，都有一条链来自亲链（原来的DNA分子），另一条链是以亲链为模板新合成的。DNA的复制还有其它的特点，在本篇中就不再详细讲述，留待后文。

2.RNA的基本结构

然后来说RNA，生物体中的RNA主要有三类：mRNA，编码特定蛋白质序列；tRNA，特异性解读mRNA的遗传信息，并且运载相对应的氨基酸加入肽链；rRNA，直接作为核糖体的组成，成分参与蛋白质合成。除此之外，自然界还存在着snRNA、miRNA、lncRNA等等其它非编码RNA。

RNA通常是单链的线性分子，骨架中含有核糖，这个和DNA分子不同。DNA分子骨架中没有核糖，只有脱氧核糖。RNA自身频繁折叠，因为它也有A、C、G、U四种碱基，所以也可以形成许多互补配对的区域，形成茎环结构、发夹结构、凸结构、环结构等等。正因此，RNA仍然具有大量双螺旋结构特征。RNA本身除了可以A-U和C-G配对外，还可以形成类似G-U这样不同寻常的碱基对，这大大增加了RNA分子局部区域碱基配对的概率。RNA分子小沟宽浅，大沟深窄，不太适合特异性结合蛋白质，但还是有些蛋白质可以序列特异性地结合RNA。RNA的三级结构非常复杂且不规则，暂时不作深入探讨。

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