第二节　DNA的结构与功能

一、DNA的一级结构

核酸分子中核苷酸的排列顺序称为核酸的一级结构。DNA的一级结构是指DNA分子中4种脱氧核苷酸A、T、G、C的排列顺序。由于脱氧核苷酸的差别仅是其碱基的不同，所以DNA分子碱基的排列顺序代表了脱氧核苷酸的排列顺序。核苷酸的连接具有严格的方向性。通过3′，5′-磷酸二酯键连接形成的核酸是一个没有分支的线性分子，其两个末端分别为5′末端（游离磷酸基）和3′末端（游离羟基）。书写时通常将其简写。简写时，各碱基用其英文字母缩写代表，从左到右的方向是5′→3′，最为常见的书写方式为5′-GACTTAC-3′（图 3-5）。

双链DNA分子的大小通常用碱基对（base pair，bp）或千碱基对（kilobase pair，kb）来表示，而单链DNA或RNA分子的大小则用核苷酸（necleotide，nt）数目表示。遗传信息依靠核苷酸排列顺序变化蕴藏在DNA分子中。不同的DNA分子中各种核苷酸的数量、比例和排列顺序不同，造就了自然界丰富多彩的物种以及个体之间的千差万别。

二、DNA的空间结构

DNA分子中所有原子在三维空间的位置关系即DNA的空间结构（spatial structure）。DNA的空间结构可分为二级结构和高级结构。

（一）DNA的二级结构

20世纪40年代，Erwin Chargaff等采用薄层层析和紫外吸收分析等技术，研究了DNA分子的碱基成分。他们发现DNA分子碱基的组成特点，即Chargaff规则：①腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等（A=T），鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数总是相等（G=C）；②不同生物种属的DNA碱基组成不同；③同一个体的不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。1951年，英国女物理学家Rosalind Franklin获得了高质量的DNA分子X射线衍射照片，提示DNA分子是一种双链结构。综合当时的科学研究成果，James Watson和Francis Crick两位青年科学家于1953年，提出了著名的DNA双螺旋结构（double helix）模型。这一模型的提出为DNA功能的研究奠定了科学基础，被认为是分子生物学发展史上的里程碑。为此，James Watson、Francis Crick和Rosalind Franklin分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

DNA双螺旋结构模型（图3-6）具有以下特征。

1.DNA分子由两条反向平行（anti-parallel）的多聚脱氧核苷酸链组成，一条链走向5′→3′，另一条链3′→5′；两条多聚脱氧核苷酸链围绕同一中心轴构成右手双螺旋结构。

2.脱氧核糖与磷酸相连构成的链状骨架位于双螺旋的外侧，碱基位于螺旋的内侧。螺旋表面有两条螺旋凹槽，深而宽的称为大沟（major groove）、浅而窄的称为小沟（minor groove）。

3.双螺旋的直径为2.37nm，碱基平面与螺旋的纵轴垂直，每两个相邻的碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm，其旋转的夹角为36°，每个螺旋有10.5个碱基对。

4.两条多聚脱氧核苷酸链通过碱基之间的氢键连接在一起，一条链的A与另一条链的T之间形成2个氢键，G与C之间形成3个氢键，这种A-T、G-C配对的规律称为碱基互补配对规则。

5.互补碱基之间的氢键维持双螺旋结构的横向稳定。相邻的碱基对平面产生疏水的碱基堆积力，用来维持双螺旋的纵向稳定。

除了某些小分子噬菌体，如ΦX174和M13的DNA是单链结构外，大多数天然DNA分子都具有双螺旋结构。上述Watson-Crick提出的DNA结构模型只是天然构象的一种，是在低离子强度的溶液和染色体中的主要构象，称B型构象。天然DNA中还存在另一种右手螺旋的构象，称为A 型构象。1979年Alexander Rich等在合成CGCGCG的晶体结构时，发现了左手螺旋的DNA，后来证明这种构象天然也存在，人们称之为Z-DNA（图3-7）。Z-DNA可能参与基因表达的调控。

（二）DNA的高级结构

1.超螺旋DNA的高级结构是指DNA双螺旋进一步盘曲、折叠所形成的构象。原核生物DNA、真核生物的线粒体、叶绿体中的DNA是共价闭合的环状双螺旋，其高级结构是在环状双螺旋结构的基础上再螺旋盘绕形成超螺旋（superhelix或supercoil）（图3-8）。若超螺旋的旋转方向与双螺旋方向相反，则形成负超螺旋（有利于双螺旋的松解）；反之则形成正超螺旋（使双螺旋更紧）。自然界以前者多见。

2.核小体与染色质真核生物的DNA有序的组装在细胞核中，以染色质（chromatin）的形式存在。在细胞分裂期，染色质进一步压缩折叠，形成高度致密的染色体（chromosome）。染色质的基本组成单位都是核小体（nucleosome），它由长度约140～160bp的DNA和5种组蛋白共同组成，其直径为11nm（图3-9）。核小体的核心部分是由组蛋白H2A、H2B、H3、H4各两个分子构成八聚体，DNA分子在八聚体组蛋白上盘绕约1.75圈形成核心颗粒，核心颗粒之间由约60bp的DNA分子连接，连接区结合一个组蛋白分子H1，将各核小体核心颗粒连接形成串珠样结构。许多核小体形成的串珠样线性结构再进一步盘绕成直径为30nm的螺旋管，后者再经几次卷曲、折叠形成超螺旋管纤维，之后染色质纤维再进一步压缩，在细胞核内组装形成染色体。

三、DNA的功能

由于DNA双螺旋结构的阐明，揭示了DNA在生物遗传中的重要作用，遗传学家长期以来使用“基因”这一名词也终于有了它真实的物质基础。所谓基因就是DNA分子的功能区段。一个生物体的全部基因序列称为基因组，就是一个生物体所有的DNA序列。DNA的基本功能是作为生物遗传信息的携带者，在遗传信息复制和转录中起模板作用，DNA的碱基序列决定了蛋白质分子的氨基酸排列顺序，展示个体生命现象。