2-2-4 DNA的二级结构

• DNA双螺旋结构的主要依据
• DNA双螺旋结构的要点
• DNA双螺旋结构与DNA复制

　　1944年Avery等的重要发现，首次严密地证实了DNA就是遗传物质的事实。随后，一些研究逐步肯定了核酸作为遗传物质在生物界的普遍意义。至50年代初，已经对DNA和RNA中的化学成分，碱基的比例关系及核苷酸之间的连接键等重要问题有了明确的认识。在此背景下，研究者们面临着一个揭示生命奥秘的十分关键且诱人的命题：作为遗传载体的DNA分子，应该具有怎样的结构？1953年，Watson和Crick以非凡的洞察力，得出了正确的答案。他们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。这是一个能够在分子水平上阐述遗传（基因复制）的基本特征的DNA二级结构。它使长期以来神秘的基因成为了真实的分子实体，是分子遗传学诞生的标志，并且开拓了分子生物学发展的未来。

　　DNA双螺旋结构的主要依据：

　　50年代初的核酸研究现状已经使人们普遍接受了这样的观点：多核苷酸的特定序列是遗传信息所在。尽管当时还没有任何能直接说明这一点及其它基因作用原理的实验依据，但这一概念无疑对设想DNA结构是非常重要的。可以说，Watson和Crick提出的模型是在人们意识到核酸重要性的历史条件下，集各项DNA研究成果于一体的产物。但对建立DNA双螺旋结构有直接影响的主要是以下两方面的依据：

　　(1)Chatgaff对DNA碱基组成的研究结果：1949-1951年间，Chatgaff应用紫外分光光度法结合纸层析等技术，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(见下表)。从中可发现碱基组成的下列共同规律：(1)以摩尔含量表示，不同来源的DNA都存在着这种关系，即[A]=[T]和[C]=[G]；(2)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；(3)嘌呤碱基的总和与嘧啶碱基的总和相等。这些发现不仅为DNA能携带遗传信息的论点提供了依据，而且为DNA结构模型中的碱基配对原则奠定了基础。

　　(2)Wilkins及其同事Franklin等用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。这个研究小组制备的高度定向的DNA纤维晶体能够得到精确反映DNA某些结构特征的X射线衍射图片，其影像表明了DNA结构的螺旋周期性，碱基的空间取向等。这些资料对Watson和Crick构建DNA双螺旋结构模型起了关键性作用。

　　DNA双螺旋结构的要点

　　(1)主链(backbone)：由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。主链有二条，它们似“麻花状”绕一共同轴心以右手方向盘旋，相互平行而走向相反形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则，这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。

　　(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通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。配对碱基总是A与T和G与C。碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键。DNA结构中的碱基对与Chatgaff的发现正好相符。从立体化学的角度看，只有嘌呤与嘧啶间配对才能满足螺旋对于碱基对空间的要求，而这二种碱基对的几何大小又十分相近，具备了形成氢键的适宜键长和键角条件。每对碱基处于各自自身的平面上，但螺旋周期内的各碱基对平面的取向均不同。碱基对具有二次旋转对称性的特征，即碱基旋转180°并不影响双螺旋的对称性。也就是说双螺旋结构在满足二条链碱基互补的前提下，DNA的一级结构产并不受限制。这一特征能很好的阐明DNA作为遗传信息载体在生物界的普遍意义。

　　(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补链之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对，从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。

　　(4)结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。

　　DNA双螺旋结构与DNA复制：

　　双螺旋结构模型的成功之处除与X射线衍射图谱及核酸化学的研究资料相符外，另一个重要方面是它能够圆满地解释作为遗传功能分子的DNA是如何进行复制的。Watson和Crick这样设想DNA结构中的二条链看成是一对互补的模板(亲本)，复制时碱基对间的氢键断开，两条链分开，每条链都作为模板指导合成与自身互补的新链(复本)，最后从原有的两条链得到两对链而完成复制。在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性，也就是将亲链的碱基序列复制给了子链。因为复制得到的每对链中只有一条链是亲链，即保留了一半亲链，故这种复制方式又称为半保留复制(semi-conservative replication)。双螺旋结构建立时，复制原理只是设想，不久这一设想被实验证实是正确的。现已明确：半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。