一、 DNA 的化学组成

1. 第一节 DNA的结构 一、DNA的化学组成 DNA的组成单位是脱氧核苷酸（nucleotide）。核苷酸有三个组成成分：一个磷酸基团(phosphate)，一个2’-脱氧核糖（2’-deoxyribose）和一个碱基(base)。之所以叫做2’-脱氧核糖是因为戊糖的第二位碳原子没有羟基，而是两个氢。为了区别于碱基上原子的位置，核糖上原子的位置在右上角都标以“’”。

3. 1、碱基 构成DNA的碱基可以分为两类，嘌呤（purine）和嘧啶（pyrimidine）。嘌呤为双环结构(Bicyclic)，包括腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤(guanine)，这两种嘌呤有着相同的基本结构，只是附着的基团不同。而嘧啶为单环结构(monocyclic)，包括胞嘧啶(cytosine)和胸腺嘧啶(thymine)，它们同样有着相同的基本结构。我们可以用数字表示嘌呤和嘧啶环上的原子位置。

7. 2、脱氧核苷 (deoxynucleosides) 嘌呤的N9和嘧啶的N1通过糖苷键与脱氧核糖结合形成核苷，分别称为2’－脱氧腺苷，2’－脱氧胸苷等。

9. 3、脱氧核苷酸(Nucleotides) 磷酸基团通过酯键(ester)与2’－脱氧核糖的5’－碳原子相连形成脱氧核糖核苷酸。

10. 核苷中戊糖C2、C3、C5羟基被磷酸酯化 。 Phosphate ester bonds Ribonucleotides (containing ribose) Deoxynucleotides (containing deoxyribose)

11. 核苷酸依次以磷酸二酯键相连形成多核苷酸链(polynucleotide)，即一个核苷酸的脱氧核糖上的3’－羟基与另一核苷酸上的5’－磷酸基形成磷酸二酯键(phosphodiester)。也就是一个核苷的3’－羟基和另一核苷的5’－羟基与同一个磷酸分子形成两个酯键。核苷酸链的一个末端有一个游离的5’基团，另一端的核苷酸有一游离的3’基团。人们习惯于从5’→3’方向书写核苷酸系列，即从左侧的5’端到右侧的3’端书写核苷酸依次以磷酸二酯键相连形成多核苷酸链(polynucleotide)，即一个核苷酸的脱氧核糖上的3’－羟基与另一核苷酸上的5’－磷酸基形成磷酸二酯键(phosphodiester)。也就是一个核苷的3’－羟基和另一核苷的5’－羟基与同一个磷酸分子形成两个酯键。核苷酸链的一个末端有一个游离的5’基团，另一端的核苷酸有一游离的3’基团。人们习惯于从5’→3’方向书写核苷酸系列，即从左侧的5’端到右侧的3’端书写

14. 二、 DNA double helix 生物化学家Erwin Chargaff用纸层析技术分析了DNA的核苷酸组成。1949年，他发现所有不同来源的DNA样品中，腺嘌呤的数目与胸腺嘧啶的数目相等，而鸟嘌呤的数目与胞嘧啶的数目相等。人们还采用X－光衍射技术（X－ray diffraction）对DNA的结构进行研究。通过这项技术可以获得关于大分子各部分的排列和大小方面的信息。上世纪五十年代初，Maurice

15. Wilkins和Rosalind Franklin终于获得了高质量的X－射线衍射照片。衍射图谱显示DNA具有规则的螺旋形式。1953年Watson和Crick根据DNA分子的理化分析及X－射线衍射数据提出了DNA的双螺旋结构。

16. 根据这一模型，双螺旋的两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴相缠绕，形成右手螺旋，一条是5’→3’，另一条3’→5’。磷酸与脱氧核糖彼此通过3’、5’-磷酸二酯键相连接，构成DNA分子的骨架。磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。碱基平面与纵轴垂直(perpendicular to the helix axis)，糖环平面与纵轴平行。

19. 两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起，形成碱基对。位于两条DNA单链中的碱基配对是高度特异的：腺嘌呤只与胸腺嘧啶配对，而鸟嘌呤只与胞嘧啶配对，结果是双螺旋的两条链的碱基序列有互补关系(complementary)，其中任何一条链的序列都严格决定了其对应链的序列。碱基对杂环之间的相互作用称为碱基堆积（base stacking），可增加双螺旋的稳定性。

20. Example: If sequence 5’-ATGTC-3’ on one chain, the opposite chain must have the complementary sequence 3’-TACAG-5’

22. 从图可以看出，氢键对于碱基配对的特异性也非常重要。设想我们试着使腺嘌呤和胞嘧啶配对，这样一个氢键受体（腺嘌呤的N1）对着另一氢键受体（胞嘧啶的N3）。同样，两个氢键供体，腺嘌呤的C6和胞嘧啶的C4上的氨基基团也彼此相对，所以，A∶C碱基配对是不稳定的，碱基对无法形成氢键。从图可以看出，氢键对于碱基配对的特异性也非常重要。设想我们试着使腺嘌呤和胞嘧啶配对，这样一个氢键受体（腺嘌呤的N1）对着另一氢键受体（胞嘧啶的N3）。同样，两个氢键供体，腺嘌呤的C6和胞嘧啶的C4上的氨基基团也彼此相对，所以，A∶C碱基配对是不稳定的，碱基对无法形成氢键。

24. 每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋平均直径2nm。DNA的两条单链彼此缠绕时，沿着双螺旋的走向形成两个交替分布的凹槽，一个较宽较深的凹槽，称为大沟（major groove)，另一个较窄较浅的为小沟（minor groove）。

27. 每个碱基对的边缘都暴露于大沟、小沟中。在大沟中，每一碱基对边缘的化学基团都有自身独特的分布模式。因此，蛋白质可以根据大沟中的化学基团的排列方式准确地区分A ∶T碱基对、T ∶A碱基对、G ∶C碱基对与C ∶G碱基对。这种区分非常重要，使得蛋白质无需解开双螺旋就可以识别DNA序列。 小沟的化学信息较少，对区分碱基对的作用不大。在小沟中，A ∶T碱基对与T ∶A碱基对，G ∶C碱基对与C ∶G碱基对看起来极其相似。另外由于体积较小，氨基酸的侧链不大能够进入小沟之中。

28. 三、 DNA结构的多态性 1、A-form helix Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构属于B型双螺旋，它是以从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。

29. 在相对湿度较低时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象，A型DNA的直径是2.6nm，每圈螺旋含11个碱基对，螺距3.2 nm。而且，A型DNA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。RNA和DNA-RNA杂合体会形成A－型双螺旋。 (under condition of dehydration) (the distinction between the major and minor grooves is reduced)

31. 2、Z-form helix 除了A型DNA和B型DNA以外，还发现有一种Z型DNA。A.Rich在研究CGCGCG寡聚体的结构时发现了这类DNA。虽然，CGCGCG在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋(left handed)，所以这种DNA称左旋DNA。 Z型DNA的螺距延长(4.5nm左右)，直径变窄(1.8nm)，每个螺旋含12个碱基对，大沟已不复存在，小沟窄而深。在CGCGCG晶体中，各磷原子之间的联结线呈锯齿形（zig-zag），即磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈Z字形，所以也称它Z型DNA。还有，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸。

32. 目前仍然不清楚Z型DNA究竟具有何种生物学功能。但实验证明，天然B型DNA的局部区域可以出现Z型DNA的结构，说明B型DNA与Z型DNA之间是可以互相转变的，并处于某种平衡状态，一旦破坏这种平衡，基因表达可能失控，所以推测Z型DNA可能和基因表达的调控有关。目前仍然不清楚Z型DNA究竟具有何种生物学功能。但实验证明，天然B型DNA的局部区域可以出现Z型DNA的结构，说明B型DNA与Z型DNA之间是可以互相转变的，并处于某种平衡状态，一旦破坏这种平衡，基因表达可能失控，所以推测Z型DNA可能和基因表达的调控有关。

34. AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATC TTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG 3. H-DNA H-DNA是一种三股螺旋。能够形成三股螺旋的DNA序列呈镜像对称，并且一条链为多聚嘌呤链，另一条链为多聚嘧啶链，例如(CT/AG)n。H-DNA的三股螺旋中的一条链为多聚嘌呤核苷酸，它与一条多聚嘧啶核苷酸链形成双螺旋，另一条多聚嘧啶链与多聚嘌呤核苷酸同向平衡，嵌入到双螺旋的大沟之中。第三股链的碱基与标准碱基对的嘌呤碱形成Hoogsteen配对。

35. 在形成三股螺旋时，会有一条多聚嘌呤核苷酸被置换出来，保持单链状态。另外，在形成CGC三碱基对时，胞嘧啶和鸟嘌呤的Hoogsteen配对要求胞嘧啶的N3质子化，因此三股螺旋易于在酸性条件下形成。负超螺旋也有利于H-DNA的形成。在形成三股螺旋时，会有一条多聚嘌呤核苷酸被置换出来，保持单链状态。另外，在形成CGC三碱基对时，胞嘧啶和鸟嘌呤的Hoogsteen配对要求胞嘧啶的N3质子化，因此三股螺旋易于在酸性条件下形成。负超螺旋也有利于H-DNA的形成。

37. 尽管三股螺旋的形成受到的限制比双螺旋多，然而计算机搜索发现在天然的DNA分子中能够形成H-DNA的潜在序列比预期的要多，并且不是随机分布。例如 (CT/AG)n出现在许多基因的启动子、重组热点和复制起点中。如果删除启动子中的(CT/AG)n，或者使其发生突变都会降低基因的表达，说明具有某种生物学功能。

38. 第二节 DNA 超螺旋（DNA Supercoil） 一、超螺旋DNA 许多病毒DNA以及所有的细菌DNA都是环状分子。环状DNA也出现在真核生物的线粒体和叶绿体中。闭合环状DNA分子没有自由的末端。

39. 从细胞中分离出来的环状DNA分子，例如SV40的环形DNA分子，如果在DNA链上没有断裂，呈超螺旋结构。超螺旋DNA是DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋是有方向的，左旋的超螺旋称为正超螺旋，右旋的超螺旋称为负超螺旋。从细胞中分离出来的环状DNA分子，例如SV40的环形DNA分子，如果在DNA链上没有断裂，呈超螺旋结构。超螺旋DNA是DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。超螺旋是有方向的，左旋的超螺旋称为正超螺旋，右旋的超螺旋称为负超螺旋。

43. 为了说明超螺旋的方向，以一段由250碱基对组成的线形B型DNA为例来加以讨论。这段DNA的螺旋数应为25（250/10=25）。当将此线形DNA连接成环形时，此环形DNA称为松弛型DNA（relaxed DNA）。但是若将线形DNA的螺旋先拧松两周再连接成环形，这时闭合环形DNA两条链的互相缠绕次数比所预期的B型结构螺旋数要少,或者说是螺旋不足(underwinding) 。

47. 这就造成这段DNA偏离最稳定的DNA结构，因此这种DNA产生了热力学紧张状态。这种结构扭力能够以两种方式被容纳：一种称解链环形DNA（unwound circle DNA），它的螺旋数为23，还含有一个解链后形成的环。另一种环形DNA称为超螺旋DNA（superhelix DNA），它的螺旋数仍为25，但同时具有两个超螺旋周，可使螺旋不足的DNA中的相邻碱基对以最接近于B型结构的距离堆积。并使分开的碱基通过氢键重新形成配对形式。由于欠旋引起的超螺旋是右旋的，为负超螺旋。

48. 但是，如果把上述线型DNA分子的一端沿着双螺旋的方向拧紧两圈，再连接成环，则会形成两个正超螺旋。但是，如果把上述线型DNA分子的一端沿着双螺旋的方向拧紧两圈，再连接成环，则会形成两个正超螺旋。 当DNA是一个闭合环形分子或DNA被蛋白质所固定，使两链不能自由旋转时才能保持螺旋不足状态，如果在闭合环形DNA的一条链上有一个切口，切点上的DNA链自由旋转，就可使DNA分子由超螺旋状态恢复成松弛状态。一个DNA分子的螺旋状态可以用扭转数、缠绕数和连环数来精确描述。

49. 扭转数是指DNA分子的双螺旋的数目；而缠绕数是指DNA分子中超螺旋的个数。扭转数和缠绕数之和就是链环数。扭转数是指DNA分子的双螺旋的数目；而缠绕数是指DNA分子中超螺旋的个数。扭转数和缠绕数之和就是链环数。 Lk＝Tw＋Wr 在共价闭合环状DNA分子（covalently closed circular DNA，cccDNA）中，扭转数和缠绕数是可以相互转换的。在不破坏任何共价键的情况下，部分扭转数可以转变为缠绕数，或者部分缠绕数转变为扭转数。唯一不变的是扭转数与链环数的和，即链环数。