DNA作为遗传物质具有什么特性?
DNA是一个长期的聚合物从称为重复单元制成的核苷酸, DNA 的结构沿其长度是动态的,能够盘绕成紧密的环和其他形状。在所有物种中,它由两条螺旋链组成,通过氢键相互结合。两条链都围绕同一轴盘绕,并且具有相同的3.4 nm 节距。
这对链的半径为1.0 nm。根据另一项研究,当在不同的溶液中测量时,DNA 链的宽度为 22-26 至2.2-2.6 纳米,一个核苷酸单元的长度为 3.3 埃(0.33 纳米)。
尽管每个单独的核苷酸都非常小,但 DNA 聚合物可以非常大,并且可能包含数亿个核苷酸,例如在染色体 1 中。1号染色体是最大的人类染色体,大约有2.2亿个碱基对,将是如果拉直,则为85 毫米长。
DNA 通常不以单链形式存在,而是以紧密结合在一起的一对链形式存在。这两条长线相互缠绕,呈双螺旋状。核苷酸包含分子骨架的一段(将链固定在一起)和核碱基(与螺旋中的另一条 DNA 链相互作用)。
与糖相连的核碱基称为核苷,与糖和一个或多个磷酸基相连的碱基称为核苷酸。包含多个连接的核苷酸(如在 DNA 中)的生物聚合物称为多核苷酸。
DNA 链的主链由交替的磷酸基团和糖基团构成。 DNA 中的糖是2-脱氧核糖,它是一种戊糖(五碳)糖。糖类通过磷酸基团连接,在相邻糖环的第三个和第五个碳原子之间形成磷酸二酯键。
这些被称为3'-末端(三个主要末端)和5'-末端(五个主要末端)碳,主要符号用于将这些碳原子与脱氧核糖与其形成糖苷键的碱基的碳原子区分开来。
因此,任何 DNA 链通常都有一个末端,在该末端有一个磷酸基团连接到核糖的 5' 碳(5'磷酰基),另一端有一个游离羟基连接到核糖的 3' 碳上。核糖(3'羟基)。
沿着糖-磷酸骨架的 3' 和 5' 碳的方向赋予每条 DNA 链方向性(有时称为极性)。在核酸双螺旋中,一条链中核苷酸的方向与另一条链中核苷酸的方向相反:两条链是反平行的。
据说 DNA 链的不对称末端具有五个主要末端 (5') 和三个主要末端 (3') 的方向性,其中 5' 末端具有末端磷酸基团,而 3' 末端具有末端羟基。DNA 和RNA之间的一个主要区别是糖,DNA 中的 2-脱氧核糖被RNA 中的替代戊糖核糖取代。
DNA 双螺旋主要由两种力稳定:核苷酸之间的氢键和芳香核碱基之间的碱基堆积相互作用。在 DNA 中发现的四种碱基是腺嘌呤(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G) 和胸腺嘧啶(T)。
这四个碱基连接到糖磷酸上以形成完整的核苷酸,如单磷酸腺苷所示。腺嘌呤与胸腺嘧啶配对,鸟嘌呤与胞嘧啶配对,形成AT和GC碱基对。
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。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。