DNA的结构

在碱基堆集中，处于DNA中间的碱基比两端的 稳定，两端碱基越多中间的堆集力越大，因 此，DNA双链两端（3～7bp）经常绽裂 （fraying）。
对单链DNA和RNA进行研究 的结果表明，在单股多核 苷酸中大部分碱基平行排 列使长链成为有规则的螺 线(helix)而不是无规则线团 (random coil)。 甚至在二核苷酸中也发现了 碱基平行排列的趋势，在 DNA中则更是如此。这些 都表明碱基堆积作用的存 在。
2.1.1.2 核苷酸的连接方式
核酸是由多个核苷酸以 3’,5’-磷酸二酯键聚合 成的多聚核苷酸(poly nucleotide)，相邻二个核 苷酸之间以3’,5’-磷酸 二酯键连接。
寡核苷酸 (oligonucleotide)：是指二 至十个核苷酸残基以磷酸二酯键 连接而成的线性多核苷酸片段。 三十甚至更多个核苷酸残基的多 核苷酸分子也称作寡核苷酸。 寡核苷酸可由仪器自动合成，它可 作 为 DNA 合 成 的 引 物 ( primer)、 基因探针 (probe) 等，在现代分子 生物学研究中具有广泛的用途。
①1949-1951年Chatgaff应用紫外分光光度法和 纸层析等技术，对不同来源的 DNA 进行碱 基定量分析，得出组成 DNA 四种碱基的比 例关系。
碱基组成的共同规律： 不 同 来 源 的 DNA 中 [ A]=[T]、[C]=[G]； A+G=T+C 。 不同物种组织 DNA 在总的碱基组成上有很大 的变化，表现在A+T/G+C比值的不同， 但 同种生物的不同组织DNA碱基组成相同。
2.1.1 多核苷酸链
2.1.1.1 核酸的化学成分 核酸是生物体内的高分子化合物。它包括脱氧 核糖核酸 (deoxyribonucleic acid，DNA)和核 糖核酸 (ribonucleic acid，RNA)两大类。 DNA 和 RNA 是由单个核苷酸 (nucleotide) 头尾 相连而形成的。 RNA 平均长度大约为 2000 个核苷酸；人 DNA 可长达3×109个核苷酸。
双链DNA分子的简写式多采用省略了磷酸残基 的写法，在上述简式的基础上再增加一条互 补链（complentarystrand)即可，链间的配 对碱基用短纵线相连或省略。 5’GGAATCTCAT3’ 3’CCTTAGAGTA5’
线条式：在字符书写基础上，以垂线（位于碱 基之下）和斜线（位于垂线与 P 之间）分别 表示糖基和磷酸酯键。
G－C间有三个氢键，A－T间只有2个氢键。 这可用DNA的熔解温度Tm与(G＋C)%含量 成正比来证明。 根据Marmur-Doty关系式，在(G+C)%含量在 30%到70％的范围内，0.15 mol/L NaCl+0.0l5 mol/L柠檬酸钠溶液中： Ｔm＝69.3十0.41(G十C)%
②碱基堆集力 碱基堆集力是同一条链中的相邻碱基之间的疏 水作用力和Van der Waal力（范得华力）。 DNA的主链部分是亲水的，碱基的外围基团— 氨基和酮基也是亲水的，但嘧啶和嘌呤本身 带有一定程度的疏水性。因此在水溶液中这 些疏水基团自发聚集。从热力学的角度来看， DNA顷向于形成三维结构是有利于高溶性的 磷酸基团与水的接触增加到最大限度，使碱 基与水的接触减少到最小限度，从而使双螺 旋内部相邻碱基相互聚集，形成双螺旋，这 是形成碱基堆集力的因素之一。
④结构参数：螺旋直 径 2nm；螺旋周期 包 含 1 0 bp； 螺 距 3.4nm；相邻碱基 对 平 面 的 间 距 0.34nm。
2.2.1.3影响双螺旋结构的因素
①氢键 碱基存在供氢体（氨基和羟基）以及受氢体 （酮基和亚氨基），它们之间可形成氢键。 在双螺旋中嘧啶和嘌呤之间的距离正好与一般 氢键的键长(0.27nm)相一致。且供体氢原子 和受体原子处于一直线上，利于形成氢键。
DNA 分子中不同排列顺序的 DNA 区段构成特 定的功能单位，这就是基因，不同基因的功 能各异，各自分布在DNA的一定区域。 基因的功能取决于DNA的一级结构，要解释基 因的生物学含义，就必须弄清DNA顺序。因 此，DNA顺序测定是分子遗传学中一项既重 要又基本的课题。
2.2 DNA的二级结构及多态性
核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸构成。
碱基(base)： 嘌呤 (purine) ：腺嘌呤 (adenine，A)、鸟嘌呤 (guanine，G)； 嘧啶 (pyrimidine) ：胞嘧啶 (cytosine，C)、胸 腺嘧啶（thymine，T)、尿嘧啶(uracil，U)。 DNA中存在：A、T、G、C； RNA中存在：A、U、G、C。
C
U
T
G
A
嘌呤环上的 N-9 或嘧啶环上的 N-1 是构成核苷酸时与核糖（或 脱氧核糖）形成糖苷键的位置。
核酸分子中还有数十种修饰碱基(themodified component)，又称稀有碱基，(unusual component)。是五种碱基环上的某一位置被 一些化学基团（如甲基化、甲硫基化等）修 饰后的衍生物。 一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类 型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修饰 碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以tRNA 含修饰碱基最多。
许多结果都表明，多核苷酸倾向于有一个三维 结构以使高度溶解的磷酸基团与水保持最大 的接触而把碱基与水的接触减少到最低限度。 这就是DNA中磷酸脱氧核糖链在外面而碱基 在里面的原因。
核酸链的简写式：核酸分子的简写式可简明表 示高度复杂的核酸分子。简写式表示的中心 含义就是核酸分子的一级结构，即核酸分子 中的核苷酸（或碱基）排列顺序。
字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用P 代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键 和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排 列即可。因省略了糖基，故不再注解“脱氧” 与否，简写式中出现T的为DNA链，出现U 则为RNA链。以5’和3’表示链的末端及方 向，分别置于简写式的左右二端。 5’pApCpTpTpGpApApCpG3’ DNA
糖基的C-3’位
糖基的C-5’位
2.1.2 DNA的一级结构
DNA的一级结构是指DNA分子中核苷酸的排列 顺序，简称为DNA顺序（或序列）。 由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故 可称为碱基顺序。
DNA 是巨大的生物高分子，如人的 DNA 就包 含了3×10９碱基对，如此数目的碱基可容纳 巨大的信息量。生物界里的遗传信息都包含 在组成DNA的A、G、C、T这四种核苷酸的 排列顺序之中。
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2.2.1.2 双螺旋结构特征
①主链(backbone)：脱氧核糖和 磷酸基通过酯键交替连接成反 向平行的两条主链，它们绕一 共同轴心向右盘旋形成双螺旋 构型。 主链处于螺旋的外则。
②碱基对(base pair)：碱基位 于螺旋的内则， 它们以垂直于 螺旋轴的取向。 同一平面的碱基 在二条主链间 形成碱基对。 A-T、G-C。间 以氢键配对。
5’pApCpUpUpGpApApCpC3’ RNA
简化为： 5’pACTTGAACG3’ DNA 5’pACUUGAACG3’RNA 简写式的 5 ’-末端均含有一个磷酸残基（与糖基 的 C-5’ 位上的羟基相连）， 3 ’- 末端含有一个 自由羟基（与糖基的C-3’位相连），若5’端不 写P，则表示5’-末端为自由羟基。
②Rosalind Franklin和 Wilkins用X-射线衍射方法 获得的DNA结构资料。 X-射线衍射技术是一种在原 子水平上间接观测晶体物质 的分子结构的方法(分辨率 110-9m)。
利用DNA纤维晶 体得到精确反映 DNA某些结构 特征的X-射线衍 射图片。 影像表明了DNA 结构的螺旋周期 性，碱基的空间 取向等。
在双螺旋中相邻碱基对的间隔是0.34nm，而 Van der waals力的半径（引力和斥力正好相 平衡的距离）平均为0.17nm。 van der waal 力加强了疏水作用力。 DNA链中的大量的嘌呤环和嘧啶环，其累积的 van der waal力是相当可观的，是构成碱基堆 积力的另一个重要因素。
2.2.1 DNA的双螺旋结构
2.2.1.1 双螺旋结构建立的依据
Watson和Crick在1953年以立体化学上的最适 构型建立了一个与DNA X-射线衍射资料相符 的分子模型——DNA双螺旋结构模型。 它可 在分子水平上阐述遗传(基因复制)的基本特 征。
DNA double helix —— a research legacy
Yesterday’s research – today’s legacy
DNA双螺旋结构的主要依据： 多核苷酸的特定序列是遗传信息所在。 Watson和Crick集各项DNA研究成果于一体， 提出了双螺旋结构的模型。对建立DNA 双螺 旋结构有直接影响的主要有两方面的依据： Chatgaff对不同来源的DNA进行了碱基定量分 析，得出了组成DNA的四种碱基的比例关系。 Franklin和Wilkins用X-射线衍射方法获得的 DNA结构资料。
2 DNA的结构
2.1 DNA的一般性质 2.2 DNA的二级结构及多态性 2.3 DNA的超螺旋结构 2.4 染色体结构
2.1 DNA的一般性质
1868年，瑞士的内科医生 Friedrich Miescher从 外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提 取到一种富含磷元素的酸性化合物，将其称 为核质(nuclein)；后来他又从鲑鱼精子中分离 出类似的物质，并指出它是由一种碱性蛋白 质与一种酸性物质组成的。 20年后称为核酸 (nucleic acids)，其功能不清楚。
1944年Avery等，发现从S 型肺炎球菌中提取 的DNA与R型肺炎球菌混合后，能使某些R 型菌转化为S型菌，且转化率与DNA纯度呈 正相关。 若将DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。 结论是：S型菌的DNA将其遗传特性传给了R 型菌，DNA就是遗传物质。
1952年A.D.Hershey和M.Chase用35S和32P双标记T2噬菌 体证明DNA是遗传物质。 噬菌体在35S培养基中外壳蛋 白被标记；在32P培养基中 DNA被标记；这种双标记的 噬菌体感染大肠杆菌时， DNA进入细胞大量复制（只 有亲本DNA链才有32P）并 装配成子代颗粒，只有少量 的噬菌体有32P，而无外壳有 35S。
③大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面 凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双 螺旋的互Biblioteka Baidu链之间，而大沟位于相毗邻的双 股之间。
大沟和小沟是从螺旋轴心到两条主链划分出的 两个不等扇形形成的，这两条沟，特别是大 沟对蛋白质识别DNA双螺旋结构上的特定信 息非常重要，只有在沟内蛋白质才能识别到 不同碱基顺序。
戊糖:RNA中的戊糖是D-核糖，DNA中的戊糖 是 D-2- 脱氧核糖。 D- 核糖的 C-2 所连的羟基 脱去氧就是D-2脱氧核糖。 戊糖 C-1所连的羟基是与碱基形成糖苷键的基 团。
核 苷 （ nucleoside)： 由 D-核糖或 D-2脱氧 核糖与嘌呤或嘧啶 通过糖苷键连接组 成的化合物。核酸 中的主要核苷有 8 种。
核苷酸 (nucleotide)：核 苷与磷酸残基构成的 化合物，即核苷的磷 酸酯。 核苷酸是核酸分子的结 构单元。核酸分子中 的磷酸酯键是在戊糖 C-3’ 和 C-5’ 所 连 的 羟 基上形成的，构成核 酸的核苷酸为 3 ’ - 核 苷酸或5’-核苷酸。
核酸分子中的核苷酸都以多聚核苷酸形式存在， 但在细胞内有多种游离的核苷酸，其中包括 一磷酸核苷、二磷核苷和三磷酸核苷。 核苷酸分子中的主要化学成分为：碱基、戊糖、 核苷、 核苷酸 。
单个氢键是不稳定的，分子平均的键能仅 2.5KJ/mol。因此，DNA双螺旋结构中的氢 键处于不断的断裂和复合的热平衡状态，但 由20个以上的碱基对组成的双螺旋在室温下 已相当稳定。 由于这个原因在设计PCR引物时，一般至少在 16nt，以使其较为稳定，但最好在20～24个 nt，以增加特异性。氢键的形成有助于DNA 复制、修复、重组、转录、翻译，以及各种 分子杂交等。