核酸热力学

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核酸热力学是指温度影响双链DNA(dsDNA)的核酸结构DNA变性DNA denaturation)又称DNA融化DNA melting)是DNA双螺旋解开成为两条单股长链的过程。在过程中,使两股长链上的碱基相连的氢键会断裂。 DNA的变性可以是温度升高而产生的作用,也可能是其他化学物质如尿素的诱导。使DNA解开的融化温度(Tm)是依DNA链的长度,以及特定核苷酸序列的组成形式而定。

目录

基础概念

杂交

杂交是建立在两个以上序列具有特异性相互作用的互补链之间产生非共价键核酸成单一复合物,此种情况称为DNA双股螺旋。寡核苷酸,DNA或RNA将在正常条件下绑定到其互补之序列,而使此互补链可以容易地与彼此结合。为了降低差异和获得能量最高的优选配合物,实验室中使用一种叫做退火的方法。然而,由于不同的核甘酸分子具有不同的几何形状,两条链之间的差异不一会使它们之间具有较低的能量亲和性来进行结合。通过量化两条链在退火之间的相似性可以提供碱基序列中温度测量不相容效果的信息。该复合物可以通过热解离来进行变性,亦被称为融化,此法为将复合物溶液加热,打破其核酸碱基对间的氢键,而使两股分开。在没有外来的不利因素,杂交和融化的过程可以重复连续下去,其中配对方法可参考聚合酶链式反应。最常见的是,核酸碱基对以A = T和G≡C的方式成对形成,其中后者是较稳定的(由于氢键数较多)。

变性

DNA变性,又称DNA解链或融化,是由双链去氧核糖核酸开旋并通过断裂分离成单链疏水且堆叠的单链分子。“变性”还可以指DNA链的诱导化学物质,如分离尿素。

DNA变性的方法亦可用于分析DNA的某些方面。因为胞嘧啶/鸟嘌呤碱基配对通常比腺嘌呤/胸腺嘧啶碱基配对更强,胞嘧啶和鸟嘌呤在一个基因组中(称为“GC含量 “),可以通过测量在该基因组DNA的熔解温度来估计。[1]较高的温度与GC含量高有关。由于GC含有三个氢键,而AT只具有两个氢键。

DNA变性,也可用于检测两个不同的DNA序列之间之序列差异。将DNA加热和变性成单链状态,并将该混合物冷却使可以重新进行杂交。杂交分子的相似序列中如果互补序列有差异,则会导致碱基配对中断。在基因组范围中,该方法已被用于估算两物种之间遗传距离的研究,称为DNA-DNA杂交。[2] 在其中的单个分区的DNA,变性梯度凝胶和温度梯度凝胶可用于检测此两个序列,此法称为温度梯度凝胶电泳,为表现较小差异时使用的方法。[3][4]

DNA熔解的也应用于分子生物学技术,特别是在聚合酶链式反应。尽管此技术不能诊断DNA熔化的温度,所以估计(Tm)是确定来调整是和温度是非常重要的。DNA的熔解温度也可被用作用于均衡的一组分子的杂交优势,例如的寡核苷酸探针DNA微阵列

退火

退火,在遗传学中,用于单链的DNA或RNA的一互补序列由氢键形成配对的双链多核苷酸。该术语通常用来描述一个的结合的DNA探针,或一个的结合的引物对DNA链中一个聚合酶链式反应。这个词也经常说是蛋白质,如RAD52可以帮助DNA退火。

两种形态的热力学

以下几个公式用于计算(Tm)的值。[5][6]某些公式更精确地预测DNA双链体的解链温度[7]对于DNA寡核苷酸,两个型态的进过程短的DNA序列能被准确地杂交热力学描述,假设两个单链中间互相彼此结合成双链的机率为100%之下,可以极简单地描述热力学单链核酸A和B形成双链核酸AB

AB ↔ A + B

该反应的平衡常数为K=\frac{[A][B]}{[AB]},根据范特霍夫等式,其自由能 ΔG, 和 K 是 Δ = -RTln K,其中R是理想气体常数,T是该反应的开尔文温度。此法适用于核酸系统。

\Delta G^\circ = -RT\ln\frac{[A][B]}{[AB]}.

于温度达到(Tm)一半时解链就已经开始发生。如果没有额外的核酸存在时,[A],[B]和[AB]将是相等的,并且等于双链核酸的初始浓度的一半。这给出了一个核酸双链体的融点的表达式:

T_m = -\frac{\Delta G^\circ}{R\ln\frac{[AB]_{initial}}{2}}.

由于 ΔG° = ΔH° -TΔS°, Tm 也可以以下式表示:

T_m = \frac{\Delta H^\circ}{\Delta S^\circ-R\ln\frac{[AB]_{initial}}{2}}.

ΔH° and ΔS°通常为合作而非分解反应,则演变成下式:[8]

T_m = \frac{\Delta H^\circ}{\Delta S^\circ+R\ln([A]_{total} - [B]_{total}/2)}, where [B]total < [A]total.

如上述所提到的,该方程是基于只有双链和随机卷曲两种状态参与了熔化的假设。然而,核酸还可以通过许多中间状态的融化。考虑到这类复杂的行为,必须结合统计力学,特别是长序列相关的复合物。

此外还有 Wallace method For 15-20 nucleotides primers

   Tm = 2(A+T) + 4(G+C) ℃ 

核酸序列推定热力学性质

上段表示了熔化温度和热力学参数都是相互关联的(ΔG° or ΔH° & ΔS°)。从观察熔化温度中可以通过实验确定其热力学参数。当一个给定的核酸序列的热力学参数是,熔融温度即可以预测。对寡核苷酸而言,这些参数可以很好地通过最近邻模型近似。

最近邻近似法(Nearest-neighbor method)

在不同链之之间的相互作用一定程度上取决于相邻碱基。最近邻模型将DNA螺旋表示为“邻近”的碱基对之间的相互作用的序列组。[8] 例如,下面所表示的DNA具有最接近由箭头表示邻相互作用。

    ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
5' C-G-T-T-G-A 3'
3' G-C-A-A-C-T 5'

此DNA来自其自身之自由能ΔG于37℃时表示为

ΔG°37(理想) = ΔG°37(CG 最初) + ΔG°37(CG/GC) + ΔG°37(GT/CA) + ΔG°37(TT/AA) + ΔG°37(TG/AC) + ΔG°37(GA/CT) + ΔG°37(AT 最初)

第一项代表第一碱基对,CG的自由能,第二项包括形成第二个碱基对,GC的双方的自由能,以此类推。该碱基对产生与先前的碱基对之间的堆积作用。在一般情况下,形成的核酸双链体的自由能总和以下式表示:

\Delta G_{37}^\circ (\mathrm{total}) = \Delta G_{37}^\circ (\mathrm{initiations}) + \sum_{i=1}^{10} n_i\Delta G_{37}^\circ (i).

上式亦可表达成以下形式:

\Delta G^\circ (\mathrm{total}) = \Delta H_{\mathrm{total}}^\circ - T\Delta S_{\mathrm{total}}^\circ.

ΔH° 和 ΔS°的值已经确定至少有十个可能的相互作用。(表一)
表一. 1M NaCl的DNA / DNA双链体最近邻参数。[8]
最近邻序列
(5'-3'/3'-5')
ΔH°
千焦/莫耳
ΔS°
焦耳/(莫耳·K)
ΔG°37
千焦/莫耳
AA/TT −33.1 −92.9 −4.26
AT/TA −30.1 −85.4 −3.67
TA/AT −30.1 −89.1 −2.50
CA/GT −35.6 −95.0 −6.12
GT/CA −35.1 −93.7 −6.09
CT/GA −32.6 −87.9 −5.40
GA/CT −34.3 −92.9 −5.51
CG/GC −44.4 −113.8 −9.07
GC/CG −41.0 −102.1 −9.36
GG/CC −33.5 −83.3 −7.66
终端AT碱基对 9.6 17.2 4.31
终端的GC碱基对 0.4 −11.7 4.05

表1所示的十个邻居相关的参数是由短寡核苷酸的双链熔解点确定的。特别的是,他们十组之中只有八组是独立的。 最近邻模型可以扩展超出了华森克立克的配对,包括错配和邻近碱基对之间相互作用的参数。[9]这使得含有孤立错配的序列具有热力学参数的估计,例如像下列序列(箭头表示不匹配):

          ↓ ↓ ↓
5' G-G-A-C-T-G-A-C-G 3'
3' C-C-T-G-G-C-T-G-C 5'

参考文献

  1. M. Mandel and J. Marmur. Use of Ultraviolet Absorbance-Temperature Profile for Determining the Guanine plus Cytosine Content of DNA. Methods in Enzymology. Methods in Enzymology. 1968, 12 (2): 198–206. doi:10.1016/0076-6879(67)12133-2. ISBN 978-0-12-181856-2. 
  2. C.G. Sibley and J.E. Ahlquist. The Phylogeny of the Hominoid Primates, as Indicated by DNA-DNA Hybridization. Journal of Molecular Evolution. 1984, 20 (1): 2–15. doi:10.1007/BF02101980. PMID 6429338. 
  3. R.M. Myers, T. Maniatis, and L.S. Lerman. Detection and Localization of Single Base Changes by Denaturing Gradient Gel Electrophoresis. Methods in Enzymology. Methods in Enzymology. 1987, 155: 501–527. doi:10.1016/0076-6879(87)55033-9. ISBN 978-0-12-182056-5. PMID 3431470. 
  4. T. Po, G. Steger, V. Rosenbaum, J. Kaper, and D. Riesner. [http//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC305948/ Double-stranded cucumovirus associated RNA 5: experimental analysis of necrogenic and non-necrogenic variants by temperature-gradient gel electrophoresis]. Nucleic Acids Research. 1987, 15 (13): 5069–5083. doi:10.1093/nar/15.13.5069. PMID 3601667. PMC 305948. 
  5. Breslauer, K.J. et al.; Frank, R; Blöcker, H; Marky, LA. [http//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC323600/ Predicting DNA Duplex Stability from the Base Sequence]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.. 1986, 83 (11): 3746–3750. doi:10.1073/pnas.83.11.3746. PMID 3459152. PMC 323600.  (pdf)
  6. Rychlik, W.; Spencer, W. J.; Rhoads, R. E.. [http//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC332522/ Optimization of the annealing temperature for DNA amplification in vitro]. Nucleic Acids Res.. 1990, 18 (21): 6409–6412. doi:10.1093/nar/18.21.6409. PMID 2243783. PMC 332522. 
  7. Owczarzy R., Vallone P.M., Gallo F.J., Paner T.M., Lane M.J. and Benight A.S. Predicting sequence-dependent melting stability of short duplex DNA oligomers. Biopolymers. 1997, 44 (3): 217–239. doi:10.1002/(SICI)1097-0282(1997)44:3<217::AID-BIP3>3.0.CO;2-Y. PMID 9591477.  (pdf)
  8. 8.0 8.1 8.2 John SantaLucia Jr.. [http//www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC19045/ A unified view of polymer, dumbbell, and oligonucleotide DNA nearest-neighbor thermodynamics]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998, 95 (4): 1460–5. doi:10.1073/pnas.95.4.1460. PMID 9465037. PMC 19045. 
  9. John SantaLucia Jr., John; Donald Hicks. The thermodynamics of DNA structural motifs. Annual Review of Biophysics and Biomolecular Structure. June 2004, 33: 415–440 [27 March 2013]. doi:10.1146/annurev.biophys.32.110601.141800. PMID 15139820. 

参见

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参考来源

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