DNA的碱基序列不同,嘌呤环的挤压状况也不同。当相邻二核苷酸对为嘌呤-嘧啶顺序时,挤压发生在大沟一側;当相邻二核苷酸对为嘧啶-嘌呤顺序时,挤压发生在小沟一側,且小沟挤压状况更为严重。
当然可以通过压缩相邻二核苷酸对中一个碱基对或两个碱基对的螺旋桨扭转来解决这种构型上的危机。但在实际的空间构象采取其他两种方式则更容易些。
方式一:增加挤压部位的碱基对平面转角(简称碱基转角,base roll angle)。尽管碱基对的两个碱基平面之间有螺旋浆扭转,但把碱基对看成一个整体,通过碱基对的长轴取两个碱基平面之间的平均平面作为碱基对的平面。两个相邻碱基对平面之间的夹角就称为碱基转角。
如果这一夹角张开于小沟方向,碱基转角定义为正值,如果这一夹角张开于大沟方向,则碱基转角定义为负值。
当发生大沟挤压时,则碱基转角向着大沟张开,其负值增加。当发生小沟挤压时,则碱基转角向着小沟张开,其正值增加,而且其增加的数值大约是大沟挤压时负值增加的两倍。
方法二:是减少螺旋扭角(helieal twist angle)。不管是大沟挤压还是小沟挤压结果都降低螺旋扭角,只是小沟挤压引起螺旋扭角降低的数值是大沟挤压的两倍。根据Calladine的计算方法,可以比较精确地预测两种右手双螺旋结构的碱基转角,螺旋扭角及螺旋桨扭角本身这些重要的螺旋参数。这些参数的预测值和实际测量值相当吻合。
DNA不同构象形成的原因 ? 2.2.2.4 三链DNA(H-DNA)
含(TC)n和(AG)n这样的同型嘧啶和同型嘌呤,并形成镜像重复或回文结构的序列,在低pH值条件下,双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链回折,并嵌入剩下的双链DNA大沟中形成分子内的三链DNA(hinged DNA, H-DNA)。三链DNA的第三股链可来自分子内或分子外。三链DNA中,位于大沟中的多聚嘌呤链与双链DNA中的多聚嘌呤链成平行走向,碱基按照Hoogsteen方式配对形成TAT,CGC三联体。
作用:与基因表达有关,第三股链可能阻碍一些调控蛋白或RNA聚合酶与DNA结合;干扰转录延伸;反义DNA。
鸟苷酸四聚体:四螺旋结构存在于端粒中,DNA分子或染色体分子可能彼此连接形成局部的四螺旋结构,可能起着稳定染色体和在复制过程中保持其完整性的作用。
2.2.2.5 影响多态性的因素
产生多态性的原因是由于多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键,从而使糖环可采取不同的折叠形式和苷键采取不同构象。
湿度和盐离子的影响:在溶液或细胞中的天然DNA大多数为B-DNA,但改变湿度或由钠盐变为钾盐、铯盐等,则会引起构象的变化,形成A-DNA、C-DNA等构象。
有机溶剂的影响:用乙醇沉淀DNA时可将DNA由B-DNA经C-DNA转变为A-DNA。
盐浓度的影响:高浓度盐溶液(4mol/L)会使B-DNA部分变构为Z-DNA。
碱基序列的影响:人工合成的CGCGCG序列的高盐溶液中为Z-DNA构象;含(TC)n和(AG)n的同型嘧啶和同型嘌呤,并形成镜像重复的序列,在低pH值条件下,可形成分子内的三链DNA(H-DNA)。
在双螺旋结构中的碱基对中,由于Pu是双环结构大于Py的单环,因此在碱基对中会伸过中点突出到对方一侧,增加了碱基的堆积程度,也使官能团发生挤压,这种挤压随碱基序列发生变化。
双螺旋结构通过局部调整来缓解这种效应,这些变化使DNA形成了精细的结构,它正是DNA发挥功能时相应蛋白因子与靶位点作专一性识别和结合的标志。
2.2.3 核酸的变性和复性
变性和复性是双链核酸分子的重要物理特性。双链DNA、RNA双链区、DNA与RNA杂种双链(hybrid duplex)以及其它异源双链核酸分子(hetero duplex) 都具有此性质。
2.2.3.1 DNA的变性(denaturation)
变性是DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。即维持双螺旋稳定性的氢键和疏水键的断裂。变性不涉及到其一级结构的改变。
破坏双螺旋稳定性的因素都可使DNA变性: DNA分子中的碱基处于配对和不配对的动态平衡状态,很多因素会引起它向不配对方向转变,即引起DNA变性。
测量变性的方法有分光光度法、流体力学法、量热法、极谱法、旋光色散法、圆二色性法和层析法等。使用最广泛的方法是紫外光吸收法(260nm)。
加热:高温(>70℃)可破坏碱基间的氢键。然而高温可能引起磷酸二酯键的断裂。
离子强度:提高溶液的离子强度,可中和DNA分子链上磷酸基团的负电荷,降低它们之间的排斥力,稳定DNA的结构。
极端的pH值:pH﹤1时,DNA的磷酸二酯键会被水解;pH﹥11.3时,DNA的所有氢键断裂变成单链的变性DNA。在制备单链DNA时,优先采取碱变性。要维持单链状态,或者保持pH大于11.3,或者盐浓度低于0.01mo1/L。 在这样低盐浓度时,由于磷酸基的静电斥力,可以配对的碱基无法相互靠近,碱基堆集作用也仍然保持在最低水平。
疏水作用:甲醇可增加碱基的溶解度,三氟醋酸钠可降低DNA分子的疏水作用,破坏双螺旋结构引起变性。
尿素及甲酰胺:它们可与碱基间形成氢键。
碱基堆积:氢键和碱基堆积是一致的,碱基堆积是一种协同作用,处于中间的碱基比两边的碱基稳定,线状双链DNA分子的两端常有7个未配对的碱基,因此