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结构生物化学/核酸/DNA/DNA变性

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当DNA溶液被加热到足够高的温度时,双链DNA会解开,并且将两条链连接在一起的氢键会减弱,最终断裂。将双链DNA分解成单链的过程被称为DNA变性或DNA变性。DNA链半变性,即一半为双链,一半为单链的温度称为熔点(Tm)。链分离或熔化的程度通过DNA溶液在260nm处的吸光度来衡量。核酸由于其碱基中的电子结构而在该波长处吸收光,但当两条DNA链结合在一起时,两条链中碱基的紧密接近会抑制部分吸光度。当两条链分离时,这种抑制消失,吸光度升高30%-40%。这被称为增色效应。减色效应是双螺旋中堆叠碱基吸收较少紫外线的现象。

DNA变性的应用

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通过使用DNA变性,也可以检测两个不同DNA序列之间的序列差异。将DNA加热并变性成单链状态,然后将混合物冷却以允许链重新杂交。在相似的序列之间形成杂合分子,并且这些序列之间的任何差异都会导致碱基配对的破坏。

什么决定了熔点(Tm)?

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虽然生物体DNA中G(鸟嘌呤)与C(胞嘧啶)以及A(腺嘌呤)与T(胸腺嘧啶)的比率是固定的,但DNA的GC含量(G+C的百分比)在不同DNA之间可能存在很大差异。DNA的GC含量的百分比对其Tm有显著影响。因为G-C对形成三个氢键,而A-T对只形成两个氢键,所以GC含量越高,其Tm就越高。因此,富含G和C的双链DNA比富含A和T的双链DNA需要更多的能量才能断裂,这意味着更高的熔点(Tm)。在Tm以上,DNA会变性,在Tm以下,DNA会退火。退火是变性的逆过程。

热变性有一个方面从未讨论过。用来使这种变性发生的热量没有特定的方向,因此是一个标量。然而,解开双螺旋涉及解旋,而解旋有方向,因此是一个矢量。问题是:标量如何引起矢量变化?

其他使DNA变性的方法

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加热并不是使DNA变性的唯一方法。有机溶剂,如二甲基亚砜和甲酰胺,或高pH值,也会破坏DNA链之间的氢键。低盐浓度也会通过去除稳定两条链之间的负电荷的离子来使DNA双链变性。

双螺旋变性的核心问题仍然存在。氢键断裂后,两条链,通常包含许多圈,甚至几百圈,是如何真正实现链分离的?

另一个主要困难在于,将热量施加到核酸悬浮液中相当于施加一个标量,因为以这种方式施加的热量没有方向。然而,解开链需要一个角力,而角力是一个矢量,因为它有一个特定的方向。从未解释过标量(热量)如何引起矢量变化(旋转)的溶液。世界上根本没有足够的科技和智慧来解释这一点。

这些问题的解决方案是由侧边模型提供的,在这些模型中,链之间没有净缠绕。

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