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核酸的性质、变性与分子杂交

 lcy1971 2019-10-23

大分子溶液比普通溶液粘度大,线形大分子又比球形大分子粘度大。DNA是线形大分子,人类DNA分子平均长度在4 cm以上,而双螺旋直径只有2 nm,长度直径比高达千万数量级。因此,DNA粘度极高,也极易在机械力作用下折断。双链DNA解链成为单链DNA时,由较伸展的双螺旋变成较紧凑的线团结构,粘度明显下降。RNA因为分子量小,且呈线团结构,所以其粘度低得多。

不同大分子的浮力密度也不同。DNA一般在1.7以上,RNA为1.6,蛋白质为1.35-1.40。分子量相同结构不同的DNA沉降系数不同,线形双螺旋DNA、线形单链DNA、超螺旋DNA沉降系数之比为1:1.14:1.4。所以可用利用密度梯度离心分离核酸。氯化铯溶解度高,可制成高密度溶液,所以最为常用。要求不高时,也可用蔗糖等。

密度梯度离心,引自百度图片

嘌呤和嘧啶因具有共轭体系而有强紫外吸收。核酸在260nm有紫外吸收峰,蛋白质在280nm。利用紫外吸收可测定核酸的浓度和纯度。一般测定OD260/OD280,纯DNA为1.8,RNA为2.0。如果含有蛋白质,比值会明显下降。纯的核酸可以根据紫外吸收计算浓度。

紫外吸收改变是DNA结构变化的标志,当双链DNA解链时碱基外露增加,紫外吸收明显增加,称为增色效应。双链、单链DNA与核苷酸的紫外吸收之比是1:1.37:1.6。

在一定条件下,双链DNA解链成为单链的现象称为变性或熔解。加热引起的变性称为热变性;碱性条件(pH>11.3)下,DNA会发生碱变性。此外,尿素、有机溶剂、甚至脱盐都可引起DNA变性。DNA变性后粘度降低,密度和吸光度升高。

DNA变性与复性,引自百度图片

通常将50%DNA分子变性时的温度称为熔点(Tm)。一般DNA在生理条件下的熔点在85-95度之间。熔点主要取决于碱基组成,G-C对含量越高,熔点越高。一般G-C对含量40%时熔点是87度,每增加1%,熔点增加约0.4度。缓冲液中的离子能与DNA结合,使其稳定,所以离子强度越低,熔点越低,熔解范围越窄。因此DNA应保存在高盐溶液中。如果DNA不纯,则变性温度范围也会扩大。甲酰胺可以使碱基对之间的氢键不稳定,降低熔点。所以分子生物实验中经常用甲酰胺使DNA变性,以避免高温引起DNA断裂。乙醇、丙酮、尿素等也可促进DNA变性。

除去变性因素后,互补的单链DNA又可以重新结合为双链DNA,称为复性或退火。DNA复性由局部序列配对形成双链核心的慢速成核反应开始,然后经过快速的所谓拉链反应而完成。

DNA的复性速度与其初始浓度C0及复杂度有关。当温度、离子强度等其他条件固定时,一半DNA复性时的C0t值仅与其复杂度有关,可用来计算基因组的复杂度。

变性后的单链DNA与具有互补序列的其它DNA或RNA分子结合形成双链的DNA-DNA或DNA-RNA杂合分子的过程称为分子杂交。实验室中常用的Southern Blot(DNA杂交)、Northern Blot(RNA杂交)等技术都是以此为基础的。分子杂交技术的发展和应用,对分子生物学和基因工程技术的发展起到了重要的推动作用。

Northern Blot原理,引自百度图片

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