第四节脱氧核糖核酸 一、DNA的碱基组成 Watson和Crick发现DNA结构是科学史上的重大事件，它导致一些全新学科的诞生， 并影响许多学科的进程。现在对细胞如何储存和利用遗传信息的知识都是在这个发现的基 础上讲行研究获得的 和DNA结构有关的最重要的线索来自于20世纪40年代后期Erwin Chargaf及其同事 的研究工作。Chargaff等应用纸层析及紫外分光光度计对各种生物DNA的主婴四种碱基 (腺嘌吟、鸟嘌吟、胞嘧啶、胸腺嘧啶)的组成进行了定量测定，发现来自不同物种的 DNA有者不同的碱基比例，不同碱基在数量上是紧密相关的，收集来自许多物种DNA碱 基组成资料，导致Cha但a开得出如下规律： .所有DNA中腺嘌吟与胸腺嘧 ,即[A]可 鸟嘌吟与胞嘧啶的 摩尔 相等， GC.因此 的总含量与嘧啶的总含量相等，即[A+[G]-HC+ 2.DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的DNA具有自已独特的碱基组 成比例（又称不对称率dis)mmetry ratio),可表示为([A]+T)/([G[C)。亲缘相近的 生物，其DNA的碱基组成相似，即不对称比率相近。 3.同一种生物DNA的碱基组成没有组织和器官的特异性。生长发有阶段、营养状态 和环境的改变都不影响DNA的碱基组成。 以上这些数量关系被称为Cg时定则，这个结果后米被许多研充所肯定，它们是建 立DNA三维结构和了解DNA如何编码遗传信总并把它们代代相传的关键。 二、DNA的一级结构 如研究蛋白质结构一样，把核酸结构根据一级、二级、三级分级讨论。核酸的一级 构是它的共价结构和核苷酸顺序，在核酸中由部分或所有核苷酸残基所形成的任何有规律 的稳定结构都可以看成是二级结构。细菌中的拟核及真核生物中巨大染色体的复杂折叠方 式一般被看成是三级结构 DNA的 一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，即脱氧腺嘌吟核苷酸 脱氧鸟嘌吟核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3,5磷酸二酯键连接 起来的直线形或环形多聚体。由于脱氧核糖中C'上不含羟基，C'又与碱基相连接，唯一 可以形成的键是3,5磷酸二酯键，所以DNA没有侧链。图3-12A表示DNA多核苷酸链 的一个小片段。 由于核酸链的一端是一个游离的碳酸基，称5嘴，另一嘴是游离的3羟基，称3 端，因此DNA链是有极性的。书写碱基的顺序是从5-端到3端。图3-12B、C是多核苷 酸的几种缩写法。B为线条式缩写，竖线表示核糖的碳链，A、C、T、G表示不同的碱基 P引出的斜线一端与C相连，另一端与C相连。C为文字式缩写，P在碱基的左侧，表 .74
-74 - 第四节 脱氧核糖核酸 一、DNA的碱基组成 Watson 和 Crick 发现 DNA 结构是科学史上的重大事件，它导致一些全新学科的诞生， 并影响许多学科的进程。现在对细胞如何储存和利用遗传信息的知识都是在这个发现的基 础上进行研究获得的。 和 DNA 结构有关的最重要的线索来自于 20 世纪 40 年代后期 Erwin Chargaff 及其同事 的研究工作。Chargaff 等应用纸层析及紫外分光光度计对各种生物 DNA 的主要四种碱基 （腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶）的组成进行了定量测定，发现来自不同物种的 DNA 有着不同的碱基比例，不同碱基在数量上是紧密相关的，收集来自许多物种 DNA 碱 基组成资料，导致 Chargaff 得出如下规律： 1．所有 DNA 中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等，即[A]=[T]；鸟嘌呤与胞嘧啶的 摩尔含量相等，即[G]=[C]。因此，嘌呤的总含量与嘧啶的总含量相等，即[A]+[G]=[C]+[T]。 2．DNA 的碱基组成具有种的特异性，即不同生物种的 DNA 具有自己独特的碱基组 成比例（又称不对称率 dissymmetry ratio），可表示为（[A]+[T]）/（[G]+[C]）。亲缘相近的 生物，其 DNA 的碱基组成相似，即不对称比率相近。 3.同一种生物 DNA 的碱基组成没有组织和器官的特异性。生长发育阶段、营养状态 和环境的改变都不影响 DNA 的碱基组成。 以上这些数量关系被称为 Chargaff 定则，这个结果后来被许多研究所肯定，它们是建 立 DNA 三维结构和了解 DNA 如何编码遗传信息并把它们代代相传的关键。 二、DNA的一级结构 如研究蛋白质结构一样，把核酸结构根据一级、二级、三级分级讨论。核酸的一级结 构是它的共价结构和核苷酸顺序，在核酸中由部分或所有核苷酸残基所形成的任何有规律 的稳定结构都可以看成是二级结构。细菌中的拟核及真核生物中巨大染色体的复杂折叠方 式一般被看成是三级结构。 DNA 的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、 脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过 3',5'-磷酸二酯键连接 起来的直线形或环形多聚体。由于脱氧核糖中 C2'上不含羟基，C1'又与碱基相连接，唯一 可以形成的键是 3',5'-磷酸二酯键，所以 DNA 没有侧链。图 3-12A 表示 DNA 多核苷酸链 的一个小片段。 由于核酸链的一端是一个游离的 5'-磷酸基，称 5'-端，另一端是游离的 3'-羟基，称 3'- 端，因此 DNA 链是有极性的。书写碱基的顺序是从 5'-端到 3'-端。图 3-12B、C 是多核苷 酸的几种缩写法。B 为线条式缩写，竖线表示核糖的碳链，A、C、T、G 表示不同的碱基， P 引出的斜线一端与 C3'相连，另一端与 C5'相连。C 为文字式缩写，P 在碱基的左侧，表
示P在C,位置上。P在碱基的 右侧，表示P与C相连。有 时，多核苷酸中送移一酷键 的P也可省略， 而写成 A-C-TG。这两种写法对 DNA和RNA分子都适用. DNA分子上四种核苷酸 棒列顺序（序列）的问颗，是 】 分子生物学家多年来要解 的重要问题，因为生物的遗传 信息贮存于DNA的核苷酸序 列中，生物界物种的多样性就 0 在于DNA分子四种核背酸千 变万化的不同排列之中。测定 H: DNA 可顺序的 题曾经是 个较为困难的 题。但是随若分子生物学的发 展，现在测定DNA的序列已 图312DNA中多核昔酸链中的一个小片段及缩写符号 经成为分子生物学实验室的 A为DNA中多核苷酸链中的一个小片段。B为线条式缩与，C为文学式缩写 种常规方法。 三、DNM的空间结构 20世纪50年代早期.Rosalind Franklin和Maurice Wilkins使田有力的X.时线行射 方法分析DNA纤维和DNA品体， 结果证明DNA能产生有特征的X射线衍射图，见图 3-13。从这个衍射图他们确定DNA多聚 物是沿着它们的长轴有着两种周期性的 螺旋结构，第一个周期距离0.34nm,第 一个周期距离34nm,这个图还表明 DNA含有两条链，这个线索对DNA结 构的确定是极其重要的。 目前公认的DNA双螺旋结构模型 主要根据Chargaff定则及X-射线衍射图 的结构，在1953年由Watson和Crick 两人提出的。DNA分子双螺旋结构模型 在分子生物学发展史上具有划时代的 图313DNA的X射线衍射 义，为分子生物学和分子遗传学的发展 在中心形成交叉的许多稻射点表明DA具有螺旋结构。左右两 奠定了基础。由于当时还不可能获得 的深色带是由重复出现的碱基造成的 7
-75 - 示 P 在 C5'位置上。P 在碱基的 右侧，表示 P 与 C3'相连。有 时，多核苷酸中磷酸二酯键上 的 P 也可省略，而写成 PA-C-T-G 。这两种写法对 DNA 和 RNA 分子都适用。 DNA 分子上四种核苷酸 排列顺序（序列）的问题，是 分子生物学家多年来要解决 的重要问题，因为生物的遗传 信息贮存于 DNA 的核苷酸序 列中，生物界物种的多样性就 在于 DNA 分子四种核苷酸千 变万化的不同排列之中。测定 DNA 上核苷酸排列顺序的问 题曾经是一个较为困难的问 题。但是随着分子生物学的发 展，现在测定 DNA 的序列已 经成为分子生物学实验室的 一种常规方法。 三、DNA的空间结构 20 世纪 50 年代早期，Rosalind Franklin 和 Maurice Wilkins 使用强有力的 X-射线衍射 方法分析 DNA 纤维和 DNA 晶体，结果证明 DNA 能产生有特征的 X-射线衍射图，见图 3-13。从这个衍射图他们确定 DNA 多聚 物是沿着它们的长轴有着两种周期性的 螺旋结构，第一个周期距离 0.34nm，第 二个周期距离 3.4nm，这个图还表明 DNA 含有两条链，这个线索对 DNA 结 构的确定是极其重要的。 目前公认的 DNA 双螺旋结构模型 主要根据 Chargaff 定则及 X-射线衍射图 的结构，在 1953 年由 Watson 和 Crick 两人提出的。DNA 分子双螺旋结构模型 在分子生物学发展史上具有划时代的意 义，为分子生物学和分子遗传学的发展 奠定了基础。由于当时还不可能获得 图 3-13 DNA 的 X-射线衍射 在中心形成交叉的许多衍射点表明 DNA 具有螺旋结构，左右两 端的深色带是由重复出现的碱基造成的 图 3-12 DNA 中多核苷酸链中的一个小片段及缩写符号。 A 为 DNA 中多核苷酸链中的一个小片段，B 为线条式缩写，C 为文字式缩写
DNA分子结品，Watson和Crick所用的资料来自在相对湿度为92%时所得到的DNA钠盐 纤维。这种DNA称为B型DNA(B-DNA)。在相对湿度低于75%时获得的DNA钠盐纤 维，其结构有所不同，称为A-DNA。此外还有ZDNA将在后面讨论。在这里，我们将比 较详细的讨论B-DNA,因为生物体内天然状态的DNA几乎都以B-DNA存在。 ）B-DNM的结构 根据Vatson和Cick所提出的模型（见图3-14），B-DNA具有以下特征： 图3-14DNA的双螺旋结构模型 (@)双螺结构司 螺结构原子型 1.两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕。 2.嘌呤碱基与嘧啶碱基位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过3,5磷酸 二酯键相连接，形成DNA分子的骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行。 多核苷酸链的方向取决于核苷酸间磷酸二酯键的走向。习惯上以C一C兮为正向。两条链 均为右手螺旋。双螺旋结构上有二条螺形凹沟 条较深， 条较浅。较深的沟称大沟 groove),较浅的称小沟(minor groove)。大沟的宽度为12nm,深度为0.85nm。小沟的宽 度为0.6nm,深度为0.75nm。 3.双螺旋的平均直径为2m,两个相邻的碱基对之间相距的高度，即碱基堆积距离 为0.34m,两个核苷酸之间的夹角为36。因此，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸。 每一圈的高度（即螺距）为34 4.两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢健相连而结合在一起。根据分子模型的 76
-76 - DNA 分子结晶，Watson 和 Crick 所用的资料来自在相对湿度为 92%时所得到的 DNA 钠盐 纤维。这种 DNA 称为 B 型 DNA（B-DNA）。在相对湿度低于 75%时获得的 DNA 钠盐纤 维，其结构有所不同，称为 A-DNA。此外还有 Z-DNA 将在后面讨论。在这里，我们将比 较详细的讨论 B-DNA，因为生物体内天然状态的 DNA 几乎都以 B-DNA 存在。 （一）B-DNA的结构 根据 Watson 和 Crick 所提出的模型（见图 3-14），B-DNA 具有以下特征： 1． 两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕。 2． 嘌呤碱基与嘧啶碱基位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过 3',5'-磷酸 二酯键相连接，形成 DNA 分子的骨架。碱基平面与纵轴垂直，糖环的平面则与纵轴平行。 多核苷酸链的方向取决于核苷酸间磷酸二酯键的走向。习惯上以 C5'→C3'为正向。两条链 均为右手螺旋。双螺旋结构上有二条螺形凹沟，一条较深，一条较浅。较深的沟称大沟（major groove），较浅的称小沟（minor groove）。大沟的宽度为 1.2nm，深度为 0.85nm。小沟的宽 度为 0.6nm，深度为 0.75nm。 3． 双螺旋的平均直径为 2nm，两个相邻的碱基对之间相距的高度，即碱基堆积距离 为 0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为 36 。因此，沿中心轴每旋转一周有 10 个核苷酸。 每一圈的高度（即螺距）为 3.4nm。 4．两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连而结合在一起。根据分子模型的 图 3-14 DNA 的双螺旋结构模型 （a）双螺旋结构示意图 （b）双螺旋结构原子模型图