关于脱氧核糖核酸双螺旋介绍

[拼音]：tuoyanghetanghesuan shuangluoxuan

[外文]：deoxyribonucleic acid double helix

DNA 的二级结构，即核苷酸排列顺序为互补的两条DNA链，以相反的走向，通过碱基之间的氢键结合〔腺嘌呤(A)对胸腺嘧啶(T)；鸟嘌呤(G)对胞嘧啶(C)〕并盘绕成一梯形的右手螺旋。 DNA的双螺旋结构可比拟为一楼梯。糖和磷酸骨架相当于楼梯的扶手，碱基对则如台阶。这个 DNA双螺旋结构模型由J.D.沃森和F.H.C.克里克于1953年提出。它为基因复制和遗传信息传递提供了分子结构基础。碱基互补的概念还圆满地解释了基因表达过程中转录和转译机制。很多人认为 DNA双螺旋结构的提出标志了分子生物学的诞生。

1953年以前化学家L.C.波林等用建造分子模型的方法解决了蛋白质的 α－螺旋结构问题，并试图用同样的方法解决DNA的结构。L.C.波林提出的DNA模型虽然与事实不符，但可作为J.D.沃森和F.H.C.克里克的借鉴。E.查加夫等人分析了许多不同来源 DNA的碱基组成，发现DNA中4种碱基的克分子比总是A＝T、G＝C，这个实验结果导致双链互补概念的建立。英国人M.威尔金斯和R.富兰克林等对DNA的 X射线晶体衍射分析为DNA双螺旋结构提供了必要的数据。

特点

当DNA钠盐在92％相对湿度下，DNA呈B型双螺旋（图1）。

其结构有以下特点：

（1）由两条DNA链组成，其中糖和磷酸骨架绕着一个螺旋轴形成右手螺旋。双螺旋的直径为20埃，螺旋表面有两条沟，一条大沟和一条小沟。这两条沟对一些蛋白质识别碱基顺序起非常重要的作用；

（2）碱基对之间的氢键把两条DNA链维系在一起。碱基平面与螺旋轴垂直，碱基对在螺旋内部，糖和磷酸骨架则在外部；

（3）两条DNA链绕螺旋轴旋转一周(360°)包括10个碱基对，沿螺旋轴方向的距离为34埃，相邻碱基对之间的距离为3.4埃，旋转角度为36°；

（4）碱基平面之间的疏水作用在稳定双螺旋结构方面起着重要的作用，它相当甚至大于碱基对之间氢键的作用；

（5）两条脱氧核糖核酸链的化学结构方向相反，即一条链是:……磷酸-5'-脱氧核糖-3'-磷酸……，另一条链是：……磷酸-3'-脱氧核糖-5'-磷酸……(图2)；

（6）双螺旋结构中碱基对由于几何形状的限制，只能是A与T配对，G与C配对（图3）。这两种碱基对的形状和大小都近似相同。它们的糖苷键也有相同的位置和方向。如果嘌呤与嘌呤或嘧啶与嘧啶配对，这样的碱基对在双螺旋结构中就会大于或小于观察到的螺旋直径（20埃）；

（7）具有二次旋转对称性。即一对碱基旋转180°并不影响双螺旋的对称性。因此，双螺旋结构只限定碱基配对的方式，并不限定碱基顺序，碱基对可以是A/T，G/C，也可以是T/A、C/G；

（8）已知一条DNA链的碱基顺序和方向，可以推断出另一条DNA链的碱基顺序和方向，也就是说两条链的碱基顺序是互补的。

双螺旋结构中，核苷酸之间3'，5'-磷酸二酯键的几何构型有利于碱基之间疏水作用的形成，从而有利于稳定DNA双螺旋结构。一条DNA链与另一条核糖核酸(RNA)链之间通过碱基对(A/U，G/C)的氢键也可以形成类似于DNA双螺旋结构的 DNA-RNA杂交链。在转录过程中就出现这种DNA-RNA杂交链。

无论在原核细胞中，还是在真核细胞中，DNA都以双螺旋结构的形式存在。在一些噬菌体中，例如大肠杆菌噬菌体ΦX174和M13的DNA则是单链环状结构。这些噬菌体进入寄主细菌以后立即复制成双链环状结构。

构型

当DNA钠盐在75％相对湿度下，则呈现A型双螺旋。A型与B型的区别在于前者的碱基平面不是垂直于螺旋轴，而有 20°的倾斜度，两个相邻碱基对的距离为2.56埃，绕螺旋轴的旋转角度为32.7°，每旋转一周包括11个碱基对，螺距为28埃。

A型和B型是DNA双螺旋结构的两个基本构型。当DNA钠盐的相对湿度更低或在一些人工合成的DNA链中，还会出现一些其他构型，其中多数与A型或B型相似。有些人工合成的DNA链，如dCpGpCpGpCpGp在一定条件下会形成左手双螺旋或称Z型DNA。与B型DNA相比，Z型DNA细而长，碱基对偏离轴心靠近双螺旋的外侧，容易同外界因子相互作用。用Z型DNA抗体进行实验，发现天然DNA中也存在Z型结构。

外界因素对DNA双螺旋的构型有明显的影响，除湿度外，盐的种类和浓度也会影响DNA的构型。一般认为，DNA在水溶液中以B型结构存在，但是，与纤维状DNA的B型结构稍有区别。水溶液的状态发生变化，如加热或加入有机溶剂，对DNA的构型会产生很大的影响。

双螺旋结构模型也合理地解释了DNA的变性(见脱氧核糖核酸)。热、 酸、碱、尿素等都能破坏维系双螺旋结构的氢键和疏水作用，从而使原有一定刚性的结构变为无规则线团状，原来深埋在双螺旋内的发色基团──碱基暴露出来，因此变性DNA表现出粘度降低、沉降速度增加和紫外线吸收值增高（增色效应）等性质。

参考书目

1. J.D.沃森著，刘望夷等译：《双螺旋──发现DNA结构的故事》，科学出版社，北京，1984。(J.D.Watson，The DoubleHelix-A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA，W.W.Norton & Co.，New York，London，1980.)