DNA的二级结构与功能

 

第三节　DNA的二级结构与功能

(一)DNA的二级结构�双螺旋结构模型(double helix model)

1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的双螺旋结构模型，揭示了遗传信息是如何储存在DNA分子中，以及遗传性状何以在世代间得以保持。这是生物学发展的重大里程碑。

在DNA双螺旋结构模型建立之前，早在1868年，Miescher已经从脓细胞提取到核酸与蛋白质的复合物，当时称为核素(nuclein)。但核酸在生命活动中的重要地位，却迟至本世纪50年代才被认识。

本世纪20年代，Levene研究了核酸的化学结构并提出四核苷酸假说；40年代末，Avery,Hershey和Chase的实验严密地证实了DNA就是遗传物质；50年代初，Chargaff应用紫外分光光度法结合纸层析等简单技术，对多种生物DNA作碱基定量分析，发现DNA碱基组成有如下规律(表15－3)。�

表15-3　不同生物来源的DNA四种碱基比例关系

DNA来源 腺嘌呤（A） 胸腺嘧啶（T） 鸟嘌呤（G） 胞嘧啶（C） （A+T）/（G+C） 大肠杆菌 25.4 24.8 24.1 25.7 1.01 小麦 26.8 28.0 23.2 22.7 1.21 鼠 29.7 25.6 21.9 22.8 1.21 猪：肝 29.4 29.7 20.5 20.5 1.43 胸腺 30.0 28.9 20.4 20.7 脾 29.6 29.2 20.4 20.8 酵母 31.3 32.9 18.7 17.5 1.079

(1)同一生物的不同组织的DNA碱基组成相同；

(2)一种生物DNA碱基组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境变化而改变；

(3)几乎所有的DNA，无论种属来源如何，其腺嘌呤摩尔含量与胸腺嘧啶摩尔含量相同(A］=［T)，鸟嘌呤摩尔含量与胞嘧啶摩尔含量相同(G］=［C)，总的嘌呤摩尔含量与总的嘧啶摩尔含量相同(［A＋G］=［C]＋［T)。

(4)不同生物来源的DNA碱基组成不同，表现在A＋T/G＋C比值的不同；

这些结果后来为DNA的双螺旋结构模型提供了一个有力的佐证。

Watson和Crick以立体化学原理为准则，对Wilkins和Franklin的DNa X�射线衍射分析结果加以研究，提出了DNA结构的双螺旋模式，其主要内容如下：

图15－5　DNA的双螺旋结构模式�

A.正面观：长方框内有详细说明，S代表脱氧核糖。�

B.俯视：涂黑的是碱基，此处全部碱基都是嘧啶，只看到糖的侧面略呈三角形，最外围是磷酸及其酯键。

(1)在DNA分子中，两股DNA链围绕一假想的共同轴心形成一右手螺旋结构，双螺旋的螺距为3.4nm，直径为2.0nm。(图15－5,�A，B)。

(2)链的骨架(backbone)由交替出现的、亲水的脱氧核糖基和磷酸基构成，位于双螺旋的外侧。

(3)碱基位于双螺旋的内侧，两股链中的嘌呤和嘧啶碱基以其疏水的、近于平面的环形结构彼此密切相近，平面与双螺旋的长轴相垂直。一股链中的嘌呤碱基与另一股链中位于同一平面的嘧啶碱基之间以氢链相连，称为碱基互补配对或碱基配对(base pairing)，碱基对层间的距离为0.34nm。碱基互补配对总是出现于腺嘌呤与胸腺嘧啶之间(A=T)，形成两个氢键；或者出现于鸟嘌呤与胞嘧啶之间(G=C)，形成三个氢键。(图15－6)。

图15－6　A－T，G－C间的氢键形成

(4)DNA双螺旋中的两股链走向是反平行的，一股链是5′→3′走向，另一股链是3′→5′走向。两股链之间在空间上形成一条大沟(major groove)和一条小沟(minor groove)，这是蛋白质识别DNA的碱基序列，与其发生相互作用的基础。

DNA双螺旋的稳定由互补碱基对之间的氢键和碱基对层间的堆积力(base�stacking force)维系。DNA双螺旋中两股链中碱基互补的特点，逻辑地预示了DNA复制过程是先将DNA分子中的两股链分离开，然后以每一股链为模板(亲本)，通过碱基互补原则合成相应的互补链(复本)，形成两个完全相同的DNA分子。因为复制得到的每对链中只有一条是亲链，即保留了一半亲链，将这种复制方式称为DNA的半保留复制(semi�conservative replication)。后来证明，半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。

DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式。双螺旋结构理论支配了近代核酸结构功能的研究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献。

(二)DNA结构的多态性

Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92%相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。然而以后的研究表明DNA的结构是动态的。在以钾或绝作反离子，相对湿度为75%时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A－DNA每螺旋含11个碱基对，而且变成A－DNA后，大沟变窄、变深，小沟变宽、变浅。由于大沟、小沟是DNA行使功能时蛋白质的识别位点，所以由B－DNA变为A－DNA后，蛋白质对DNA分子的识别也发生了相应变化。

一般说来，A－T丰富的DNA片段常呈B－DNA。采用乙醇沉淀法纯化DNA时，整个过程中，大部分DNA由B－DNA经过C－DNA，最终变构为A－DNA。若DNA双链中一条链被相应的RNA链所替换，会变构成A－DNA。当DNA处于转录状态时，DNA模板链与由它转录所得的RNA链间形成的双链就是A－DNA。由此可见A－DNA构象对基因表达有重要意义。此外，B－DNA双链都被RNA链所取代而得到由两条RNA链组成的双螺旋结构也是A－DNA。除A－DNA、B－DNA螺旋外，还存在B′－DNA、C－DNA、D－DNA等，其结构参数见表15－4。�

表15-4　不同右手双螺旋DNA的结构参数

双螺旋 碱基倾 碱基夹 碱基间距 螺距 每轮碱 小沟宽／nm× 大沟宽nm× 　 角／（°） 角（°） /nm ／nm 基数 小沟宽nm 大沟宽nm B-DNA 0 36.0 0.337 3.4 10 0.57×0.75 1.17×0.85 C-DNA 6 38.0 0.331 3.1 9.3 0.48×0.79 1.05×0.75 D-DNA 　 45.0 0.303 　 　 0.13×0.67 0.89×0.58 A-DAN 20 32.7 0.256 2.8 11 1.10×0.28 0.27×1.35

总之，DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡中，DNA分子构象的变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。

1979年，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG单晶的X-射线衍射图谱时出人意料地发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同。它是左手双螺旋，与右手螺旋的不同是螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，分子长链中磷原子不是平滑延伸而是锯齿形排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象(英文字Zigzag的第一个字母)。还有，这一构象中的重复单位是二