DNA分子结构

　　DNA即脱氧核糖核酸，又称去氧核糖核苷酸，是染色体主要组成成分，同时也是主要遗传物质。有时被称为“遗传微粒”，因为在繁殖过程中，父代把它们自己DNA的一部分复制传递到子代中，从而完成性状的传播。

DNA分子结构特点

　　一、DNA分子的结构

　　1、DNA的结构单位：脱氧核苷酸(4种)

　　2、DNA的空间结构：规则的双螺旋结构

　　①DNA分子双链反向平行：一条走向是5′→3′，另一条走向是3′→5′，有规则地盘绕成双螺旋结构。

　　②外侧磷酸与脱氧核糖交替排列，构成基本骨架，碱基排列在内侧。

　　③碱基互补配对原则：腺嘌呤(A)通过两个氢键与胸腺嘧啶(T)配对，鸟嘌呤(G)通过三个氢键与胞嘧啶(C)配对。

　　归纳总结：

　　五种元素：C、H、O、N、P;

　　四种碱基：A、G、C、T，相应的有四种脱氧核苷酸;

　　三种物质：磷酸、脱氧核糖、含氮碱基;

　　两条长链：两条反向平行的脱氧核苷酸链;

　　一条螺旋：规则的双螺旋结构。

　　3、双链DNA分子中碱基数量关系

　　①碱基互补配对原则的应用：在双链DNA分子中，四种碱基的比例和为1。

　　②A+T+C+G=1;A=T，C=G，A+G=C+T=A+C=G+T=总碱基数的1/2。

　　③互补碱基之和的比例(A+T):(C+G)在已知链、互补链和整个DNA分子中相等;非互补碱基和的比值如(A+C):(T+C)在已知链与互补链间互为倒数，在整个DNA分子中该比值为1。

　　④在一个双链DNA分子中，某碱基占碱基总量的百分数等于每条链中的平均值。

　　⑤DNA分子中，A与T之间有两个氢键，C与G之间有三个氢键，因此C-G对相对含量多的DNA分子热稳定性高。

　　二、DNA双螺旋结构模型

　　1、制作原理：DNA的脱氧核苷酸双链反向平行，磷酸与脱氧核糖交替连接排列在外侧。碱基排列在内侧，碱基对通过氢键连接，碱基互补配对。

　　2、设计模型：绘出DNA模型的设计图，确定制作的DNA分子双螺旋结构模型的大小(如高度与直径的比例)、维系立体结构的方法，选择代表磷酸、脱氧核糖、碱基的材料等。

　　3、制作模型

　　①使用各种材料分别“制作”若干个磷酸、脱氧核糖、碱基;将各种配件整合在一起，并连接成脱氧核苷酸链;连接两条脱氧核苷酸链，拼成DNA分子平面结构图;再“旋转”成双螺旋结构。

　　②根据设计计划，对制作的DNA分子双螺结构模型进行检查，对模型的不足加以修正。

　　4、需要注意的问题

　　①熟悉制作模型用的各种零件代表的物质，写出4种碱基的字母名称。

　　②两条链的长度、碱基总数一致，碱基互补、方向相反。

　　③磷酸、脱氧核糖、碱基三者之间的连接部位要正确。

　　④制作中各零件连接应牢固，避免旋转中脱落。

　　⑤各组模型制作以不同数量和顺序的A-T、C-G、T-A、G-C四种碱基对排列，领悟DNA分子的多样性。

　　三、碱基互补配对规律的有关计算问题

　　碱基比率数量计算，是教材的难点之一，解决此类问题可根据以下几条规律：

　　1、DNA双链中的两条互补链的碱基相等，任意两个不互补的碱基之和恒等，占碱基总数的50%，即A+G=T+C=A+C=T+G=50%，(A+G)/(T+C)=(A+C)/(T+G)=(T+C)/(A+G)=1。

　　2、在DNA双链中的一条单链的(A+G)/(T+C)的值与另一条互补链的(A+G)/(T+C)的值互为倒数关系。

　　3、DNA双链中，一条单链的(A+T)/(G+C)值与另一条互补链的(A+T)/(G+C)值是相等的，也与整个DNA分子中的(A+T)/(G+C)的值相等。

　　4、在双链DNA及其转录的RNA之间，有下列关系：

　　①在碱基数量上，在RNA和DNA的单链内，互补碱基的和相等，且等于双链DNA的一半。即a链上的(A+T)=b链上的(A+T)=RNA分子中(A+U)=1/2DNA双链中的(A+T)，a链上的(G+C)=b链上的(G+C)=RNA分子中的(G+C)=1/2DNA双链中的(G+C)。

　　②互补碱基的和占各自碱基总数的比例在DNA分子的每一条单链和DNA分子双链中是相等的，且等于RNA中与之配对碱基的和所占RNA中碱基总数的比例，即a链中(A+T)占a链总数的百分比=b链中(A+T)占b链总数的百分比=RNA中(A+U)占RNA总数的百分比=DNA双链中(A+T)占双链中碱基总数的百分比，简式为(C+G)a=(G+C)b=(G+C)RNA=(G+C)DNA。

　　如mRNA中，A占15%，U占17%，则在DNA分子的每一条单链中及在整个DNA分子中(A+T)都占碱基总数的32%;在mRNA中，在DNA分子的每一条单链中，及在DNA分子中(G+C)都占碱基总数的68%。

　　四、DNA分子结构特点

　　1、稳定性：规则的双螺旋结构使其结构相对稳定，一般不易改变。

　　2、多样性：虽然构成DNA的碱基只有四种，但由于构成每个DNA分子的碱基对数、碱基种类及排列顺序多样，可形成多种多样的DNA分子。

　　3、特异性：对一个具体的DNA分子而言，其碱基对特定的排列顺序可使其携带特定的遗传信息，决定该DNA分子的特异性。

DNA分子结构研究进展

　　1、DNA双螺旋的精细结构

　　Watson-Crick的双螺旋模型设想的DNA分子为有规则的大沟与小沟交替排列的右手螺旋，随着分析技术的提高，人们研究了单晶DNA分子，其x-射线衍射图谱显示DNA双螺旋并非想象的均匀排列，而是有一定起伏波动，也就是说双螺旋的一系列参数如螺旋扭角、碱基转角、主链扭角等随碱基序列的不同在一定范围内起伏变化，这种变化即为双螺旋的精细结构。

　　Calladine认为螺旋的起伏主要因为双环的嘌呤碱基尺寸较大，碱基配对时会伸向嘧啶一侧，同样对侧的嘌呤也会伸向这一侧，两个嘌呤环就会发生“冲突”，为缓解这一“冲突”，整个螺旋结构将通过减少该部位的螺旋扭角或者加大冲突一侧的碱基转角等作以调整。Dickerson还根据碱基序列推导出求和规则，计算出的螺旋参数可近似预测螺旋的起伏变化。

　　Nussinov曾经分析了60种原核生物DNA序列，发现大的构象起伏刚好位于蛋白质或酶特异性识别的某些DNA位点附近，转录过程中RNA聚合酶识别DNA的序列处双螺旋起伏很大，推测DNA螺旋的局部起伏变化可能更有利于一些蛋白质或酶的识别并与DNA结合，DNA局部精细结构有可能贮存有DNA序列的某些信息，如果真是如此，对精细结构的研究将更具深远意义。

　　2、三股螺旋结构

　　三股螺旋结构是由三条多核苷酸链形成的螺旋，它是在原来双螺旋的基础上，第三条链绕进双螺旋大沟中。三股螺旋形成的部位均有特殊的核苷酸序列。

　　研究发现，DNA某些区段中两条核苷酸链为同型嘌呤链(HPu链)或同型嘧啶链(HPy链)，HPu链是全部由嘌呤核苷酸组成的DNA链，HPy链全部由嘧啶核苷酸组成，而且每条链均呈现映像重复，称之为H-回文序列。

　　一条链的回文结构可与另一链回文结构的5’或3’部分形成氢键，从而使该链绕进双螺旋内形成三股螺旋结构，剩余的半条回文结构以单链形式游离，这种三股螺旋和单链DNA的复合区域被称为H-DNA。

　　近年来发现真核细胞染色质中基因调控区和染色质重组部位含有H-回文序列，实验证明细胞完整染色体中确实存在有H-DNA，这表明H-DNA与基因转录、染色体基因重组及DNA复制有关，具体的机制还需作进一步研究。

　　3、DNA结构的多态性

　　Watson-Crick模型中的DNA分子为B构象，这是Z常见的DNA构象。研究表明DNA结构并不是固定不变的，在脱水DNA以及DNA-RNA杂交分子中DNA为A构象，实验室中甚至观察到C、D和E构象，这表明DNA分子呈现动态变化。以上构象都是右手螺旋，反向平行的核苷酸借氢键连在一起，链的重复单位是单核苷酸，螺旋中有一个大沟和一个小沟，只是沟的宽窄和深浅有所不同。

　　Rich等研究人工合成的CGCGCG单晶的x-射线衍射图谱时发现这种六聚体构象与以上均不相同，它为左手螺旋，主链中各磷酸根呈锯齿状排列，称之为Z构象(英文Zigzag的diyi个字母)，这种构象的重复单位是二核苷酸，只有一个狭而深的小螺旋沟。

　　Z-DNA的形成是嘌呤与嘧啶交替排列的结果，这种排列会造成核苷酸中糖苷键的顺式和反式构象的交替存在，顺式时彼此接近，反式时离得很远，从而使Z-DNA主链呈锯齿状，而B-DNA中糖苷键都是反式的。

　　实验证明细胞中有一些因素可使B-DNA转变为Z-DNA，如胞嘧啶第五位碳原子的甲基化，周围形成的疏水区使B-DNA不稳定而转变为Z-DNA，因此DNA中某些区段具有Z-DNA构象是可能的。

　　Z-DNA中带负电的磷酸根离得太近产生静电排斥而不稳定，但DNA局部的不稳定区则可能成为潜在的解链位点，SV40增强子区中有Z-DNA结构，鼠类微小病毒DNA复制区起始点附近有GC交替排列，因此Z-DNA的存在与DNA的多种功能如复制、转录以及基因调控都有密切联系，是其功能表达的重要结构基础。

　　DNA结构的新发现丰富了DNA结构学说的内容，也使人类在探索生命现象本质的道路上前进了一大步。