核酸熱力學(xué)

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核酸熱力學(xué)是指溫度影響雙鏈DNA（dsDNA）的核酸結(jié)構(gòu)。DNA變性（DNA denaturation）又稱DNA融化（DNA melting）是DNA雙螺旋解開成為兩條單股長鏈的過程。在過程中，使兩股長鏈上的堿基相連的氫鍵會斷裂。 DNA的變性可以是溫度升高而產(chǎn)生的作用，也可能是其他化學(xué)物質(zhì)如尿素的誘導(dǎo)。使DNA解開的融化溫度（T_m）是依DNA鏈的長度，以及特定核苷酸序列的組成形式而定。

基礎(chǔ)概念

雜交

雜交是建立在兩個以上序列具有特異性相互作用的互補(bǔ)鏈之間產(chǎn)生非共價鍵結(jié)核酸成單一復(fù)合物，此種情況稱為DNA雙股螺旋。寡核苷酸，DNA或RNA將在正常條件下綁定到其互補(bǔ)之序列，而使此互補(bǔ)鏈可以容易地與彼此結(jié)合。為了降低差異和獲得能量最高的優(yōu)選配合物，實驗室中使用一種叫做退火的方法。然而，由于不同的核甘酸分子具有不同的幾何形狀，兩條鏈之間的差異不一會使它們之間具有較低的能量親和性來進(jìn)行結(jié)合。通過量化兩條鏈在退火之間的相似性可以提供堿基序列中溫度測量不相容效果的信息。該復(fù)合物可以通過熱解離來進(jìn)行變性，亦被稱為融化，此法為將復(fù)合物溶液加熱，打破其核酸堿基對間的氫鍵，而使兩股分開。在沒有外來的不利因素，雜交和融化的過程可以重復(fù)連續(xù)下去，其中配對方法可參考聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。最常見的是，核酸堿基對以A = T和G≡C的方式成對形成，其中后者是較穩(wěn)定的(由于氫鍵數(shù)較多)。

變性

DNA變性，又稱DNA解鏈或融化，是由雙鏈去氧核糖核酸開旋并通過斷裂分離成單鏈疏水且堆疊的單鏈分子。“變性”還可以指DNA鏈的誘導(dǎo)化學(xué)物質(zhì)，如分離尿素。

DNA變性的方法亦可用于分析DNA的某些方面。因為胞嘧啶/鳥嘌呤堿基配對通常比腺嘌呤/胸腺嘧啶堿基配對更強(qiáng)，胞嘧啶和鳥嘌呤在一個基因組中（稱為“GC含量 “），可以通過測量在該基因組DNA的熔解溫度來估計。^[1]較高的溫度與GC含量高有關(guān)。由于GC含有三個氫鍵，而AT只具有兩個氫鍵。

DNA變性，也可用于檢測兩個不同的DNA序列之間之序列差異。將DNA加熱和變性成單鏈狀態(tài)，并將該混合物冷卻使可以重新進(jìn)行雜交。雜交分子的相似序列中如果互補(bǔ)序列有差異，則會導(dǎo)致堿基配對中斷。在基因組范圍中，該方法已被用于估算兩物種之間遺傳距離的研究，稱為DNA-DNA雜交。^[2] 在其中的單個分區(qū)的DNA，變性梯度凝膠和溫度梯度凝膠可用于檢測此兩個序列，此法稱為溫度梯度凝膠電泳，為表現(xiàn)較小差異時使用的方法。^[3]^[4]

DNA熔解的也應(yīng)用于分子生物學(xué)技術(shù)，特別是在聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。盡管此技術(shù)不能診斷DNA熔化的溫度，所以估計（T_m）是確定來調(diào)整是和溫度是非常重要的。DNA的熔解溫度也可被用作用于均衡的一組分子的雜交優(yōu)勢，例如的寡核苷酸探針 DNA微陣列。

退火

退火，在遺傳學(xué)中，用于單鏈的DNA或RNA的一互補(bǔ)序列由氫鍵形成配對的雙鏈多核苷酸。該術(shù)語通常用來描述一個的結(jié)合的DNA探針，或一個的結(jié)合的引物對DNA鏈中一個聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。這個詞也經(jīng)常說是蛋白質(zhì)，如RAD52可以幫助DNA退火。

兩種形態(tài)的熱力學(xué)

以下幾個公式用于計算（T_m）的值。^[5]^[6]某些公式更精確地預(yù)測DNA雙鏈體的解鏈溫度。^[7]對于DNA寡核苷酸，兩個型態(tài)的進(jìn)過程短的DNA序列能被準(zhǔn)確地雜交熱力學(xué)描述，假設(shè)兩個單鏈中間互相彼此結(jié)合成雙鏈的機(jī)率為100%之下，可以極簡單地描述熱力學(xué)單鏈核酸A和B形成雙鏈核酸AB

AB ? A + B

該反應(yīng)的平衡常數(shù)為 $K=\frac{[A][B]}{[AB]}$ ，根據(jù)范特霍夫等式，其自由能 ΔG, 和 K 是 ΔG° = -RTln K,其中R是理想氣體常數(shù)，T是該反應(yīng)的開爾文溫度。此法適用于核酸系統(tǒng)。

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

于溫度達(dá)到（T_m）一半時解鏈就已經(jīng)開始發(fā)生。如果沒有額外的核酸存在時，[A]，[B]和[AB]將是相等的，并且等于雙鏈核酸的初始濃度的一半。這給出了一個核酸雙鏈體的融點的表達(dá)式：

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

由于 ΔG° = ΔH° -TΔS°, T_m 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°通常為合作而非分解反應(yīng)，則演變成下式：^[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，該方程是基于只有雙鏈和隨機(jī)卷曲兩種狀態(tài)參與了熔化的假設(shè)。然而，核酸還可以通過許多中間狀態(tài)的融化?？紤]到這類復(fù)雜的行為，必須結(jié)合統(tǒng)計力學(xué)，特別是長序列相關(guān)的復(fù)合物。

此外還有 Wallace method For 15-20 nucleotides primers

   Tm = 2(A+T) + 4(G+C) ℃

從核酸序列推定熱力學(xué)性質(zhì)

上段表示了熔化溫度和熱力學(xué)參數(shù)都是相互關(guān)聯(lián)的(ΔG° or ΔH° & ΔS°)。從觀察熔化溫度中可以通過實驗確定其熱力學(xué)參數(shù)。當(dāng)一個給定的核酸序列的熱力學(xué)參數(shù)是，熔融溫度即可以預(yù)測。對寡核苷酸而言，這些參數(shù)可以很好地通過最近鄰模型近似。

最近鄰近似法(Nearest-neighbor method)

在不同鏈之之間的相互作用一定程度上取決于相鄰堿基。最近鄰模型將DNA螺旋表示為“鄰近”的堿基對之間的相互作用的序列組。^[8] 例如，下面所表示的DNA具有最接近由箭頭表示鄰相互作用。

↓ ↓ ↓ ↓ ↓

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

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

此DNA來自其自身之自由能ΔG于37℃時表示為

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)

第一項代表第一堿基對，CG的自由能，第二項包括形成第二個堿基對，GC的雙方的自由能，以此類推。該堿基對產(chǎn)生與先前的堿基對之間的堆積作用。在一般情況下，形成的核酸雙鏈體的自由能總和以下式表示：

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

上式亦可表達(dá)成以下形式：

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

ΔH° 和 ΔS°的值已經(jīng)確定至少有十個可能的相互作用。(表一)

表一. 1M NaCl的DNA / DNA雙鏈體最近鄰參數(shù)。^[8]
最近鄰序列 (5'-3'/3'-5')	$Δ H$ ° 千焦/莫耳	$Δ S$ ° 焦耳/(莫耳·K)	$Δ G$ °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
終端AT堿基對	9.6	17.2	4.31
終端的GC堿基對	0.4	?11.7	4.05

表1所示的十個鄰居相關(guān)的參數(shù)是由短寡核苷酸的雙鏈熔解點確定的。特別的是，他們十組之中只有八組是獨立的。最近鄰模型可以擴(kuò)展超出了華森克立克的配對，包括錯配和鄰近堿基對之間相互作用的參數(shù)。^[9]這使得含有孤立錯配的序列具有熱力學(xué)參數(shù)的估計，例如像下列序列（箭頭表示不匹配）：

↓ ↓ ↓

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

3' C-C-T-G-G-C-T-G-C 5'

參考文獻(xiàn)

↑ 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.
↑ 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.
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參見

外部連結(jié)

參考來源

維基百科-核酸熱力學(xué)

出自A+醫(yī)學(xué)百科 “核酸熱力學(xué)”條目 http://m.microbiomewatersummit.com/w/%E6%A0%B8%E9%85%B8%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6 轉(zhuǎn)載請保留此鏈接

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基礎(chǔ)概念

雜交

變性

退火

兩種形態(tài)的熱力學(xué)

從核酸序列推定熱力學(xué)性質(zhì)

最近鄰近似法(Nearest-neighbor method)

參考文獻(xiàn)

參見

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