第二节
DNA的分子结构

一、DNA的一级结构

DNA的一级结构是DNA分子中核苷酸之间的连接方式和核苷酸的序列。

在DNA分子中，脱氧核苷酸通过3'-羟基与下一个脱氧核苷酸的5'-磷酸连接，形成3'，5'-磷酸二酯键（图3-10）。主链由磷酸与脱氧核糖构成，碱基相当于侧链。

DNA链有方向性，一端为5'-末端，另一端为3'-末端。核酸链有几种表达方式，规定从5'-端开始到3'-端结束，与DNA合成方向一致。

二、DNA的二级结构

1953年，J.Watson和F.Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，不仅解释了DNA理化性质的物理基础，还揭示了DNA分子的遗传机制。

（一）B型DNA双螺旋结构模型的要点

1．DNA分子是反向平行的右手双螺旋结构。DNA分子是双链结构，两条链反向平行（anti-parallel），绕同一长轴相互缠绕，构成右手双螺旋（right-handed helix）结构。磷酸基团和脱氧核糖构成亲水性的核酸主链（backbone）位于螺旋外侧，疏水性的碱基位于内侧。双螺旋上有一条大沟（major groove）和一条小沟（minor groove）。

2．两条链之间的碱基互补配对。碱基平面与长轴（戊糖平面）垂直，碱基之间形成氢键而将两条链结合在一起。由于受结构限制，氢键形成于特定的碱基对之间，A与T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键，这样的碱基配对关系称为碱基互补配对（complementary base pair），因此，DNA的两条链称为互补链（complementary strand）（图3-11）。

3．双螺旋的直径为2nm，每螺旋一周为10.5bp，两个相邻碱基平面之间的垂直距离为0.34nm。

4．碱基堆积力和氢键维持螺旋结构的稳定。相邻的两个碱基对平面相互重叠产生疏水性的碱基堆积力，维持螺旋的纵向稳定。互补链间碱基对的氢键维持DNA双螺旋的横向稳定（图3-12）。

（二）DNA双螺旋结构的多态性

Watson和Crick提出的双螺旋结构称为B型DNA或B-DNA，是在水环境或生理条件下DNA最稳定性的构象。DNA是柔性分子，在不同的离子强度和相对湿度下，DNA双螺旋结构的沟槽、螺距和旋转角等都会发生变化。在脱水或DNA-RNA杂交时，DNA右手双螺旋结构称为A型DNA或A-DNA（图3-13）。A型构象同样为右手双螺旋，但大沟变深，小沟变浅，一些小分子DNA结晶时形成A型构象，目前还没发现细胞内存在A型构象。富含GC重复序列的DNA分子会出现左手双螺旋结构，称为Z型DNA或Z-DNA。Z型构象为左手双螺旋，大沟几乎消失，小沟变深变窄，在原核及真核生物细胞内发现Z型构象。在生物体内，DNA的双螺旋结构处于动态变化中，功能也发生相应的变化，与基因的表达调控相适应。

三、DNA的三级结构

双螺旋不是DNA在细胞内的最终结构。大肠杆菌细胞内的DNA的双螺旋长度为1.7mm，是细胞直径的850倍；人体细胞DNA双螺旋长度约2m，全部DNA的双螺旋长度约为地球到太阳距离的1400倍。在细胞核内，DNA盘曲为更复杂的结构。

（一）环状DNA的超螺旋结构

细菌、某些病毒如噬菌体、真核细胞的线粒体和叶绿体的DNA都是闭环状结构，可以进一步扭转、盘绕成超螺旋结构（图3-14）。超螺旋有两种：正超螺旋（positive supercoil）和负超螺旋（negative supercoil）。形成超螺旋可降低DNA分子的张力，压缩DNA分子，使DNA分子更加稳定，结构更加紧凑。通常DNA分子的旋转是适度的，盘绕过度称为正超螺旋，盘绕不足为负超螺旋。复制时解链区DNA呈松弛状态会导致其他部分过度拧紧成为正超螺旋。在细胞分裂间期DNA处于负超螺旋状态，DNA双链易于解链有利于复制。

（二）真核生物DNA的结构

真核生物基因组比原核生物大很多，如大肠杆菌的DNA约为4.7×10 ³ kb，而人的基因组DNA约为3×10 ⁶ kb，因此，真核生物基因组位于细胞核内，其DNA需要与蛋白质结合，经过折叠压缩后以染色体（chromosome）形式存在，基本结构单位是核小体（nucleosome）。

核小体由组蛋白（histone，H）和DNA构成。组蛋白有5种，其中H ₂ A、H ₂ B、H ₃ 、H ₄ 各两个亚基构成核小体的八聚体核，DNA长度约200bp，其中146bp缠绕八聚体核1.75圈，与H ₁ 和长约50bp左右的连接DNA共同构成直径10nm的螺线管型超螺旋。通过形成核小体，DNA长度被压缩了约7倍。由许多核小体形成的串珠状线性结构，进一步盘曲成直径为30nm中空的染色质纤维，每1圈含6个核小体（图3-15）。30nm染色质纤维进一步层层盘曲形成超螺旋管，最终在细胞核内压缩、组装成染色体，整个过程受到精确调控。

由于细胞不断进行代谢，如DNA复制及基因表达，DNA的盘曲实际上是一个动态过程，在不同时期、DNA的不同区段，其盘曲程度、盘曲方式都可能不同（图3-16）。