(一)DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(double helix model)
1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，揭示了遺傳信息是如何儲(chǔ)存在DNA分子中，以及遺傳性狀何以在世代間得以保持。這是生物學(xué)發(fā)展的重大里程碑。
在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型建立之前，早在1868年，Miescher已經(jīng)從膿細(xì)胞提取到核酸與蛋白質(zhì)的復(fù)合物，當(dāng)時(shí)稱(chēng)為核素(nuclein)。但核酸在生命活動(dòng)中的重要地位，卻遲至本世紀(jì)50年代才被認(rèn)識(shí)。
本世紀(jì)20年代，Levene研究了核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)并提出四核苷酸假說(shuō)；40年代末，Avery,Hershey和Chase的實(shí)驗(yàn)嚴(yán)密地證實(shí)了DNA就是遺傳物質(zhì)；50年代初，Chargaff應(yīng)用紫外分光光度法結(jié)合紙層析等簡(jiǎn)單技術(shù)，對(duì)多種生物DNA作堿基定量分析，發(fā)現(xiàn)DNA堿基組成有如下規(guī)律(表15－3)。
表15-3 不同生物來(lái)源的DNA四種堿基比例關(guān)系
| DNA來(lái)源 | 腺嘌呤（A) | 胸腺嘧啶（T) | 鳥(niǎo)嘌呤（G) | 胞嘧啶（C) | （A+T)/（G+C) |
| 大腸桿菌 | 25.4 | 24.8 | 24.1 | 25.7 | 1.01 |
| 小麥 | 26.8 | 28.0 | 23.2 | 22.7 | 1.21 |
| 鼠 | 29.7 | 25.6 | 21.9 | 22.8 | 1.21 |
| 豬：肝 | 29.4 | 29.7 | 20.5 | 20.5 | 1.43 |
| 胸腺 | 30.0 | 28.9 | 20.4 | 20.7 | |
| 脾 | 29.6 | 29.2 | 20.4 | 20.8 | |
| 酵母 | 31.3 | 32.9 | 18.7 | 17.5 | 1.079 |
(1)同一生物的不同組織的DNA堿基組成相同；
(2)一種生物DNA堿基組成不隨生物體的年齡、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)或者環(huán)境變化而改變；
(3)幾乎所有的DNA，無(wú)論種屬來(lái)源如何，其腺嘌呤摩爾含量與胸腺嘧啶摩爾含量相同(A］=［T)，鳥(niǎo)嘌呤摩爾含量與胞嘧啶摩爾含量相同(G］=［C)，總的嘌呤摩爾含量與總的嘧啶摩爾含量相同(［A＋G］=［C]＋［T)。
(4)不同生物來(lái)源的DNA堿基組成不同，表現(xiàn)在A＋T/G＋C比值的不同；
這些結(jié)果后來(lái)為DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型提供了一個(gè)有力的佐證。
Watson和Crick以立體化學(xué)原理為準(zhǔn)則，對(duì)Wilkins和Franklin的DNa X射線衍射分析結(jié)果加以研究，提出了DNA結(jié)構(gòu)的雙螺旋模式，其主要內(nèi)容如下：
圖15－5 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模式
A.正面觀：長(zhǎng)方框內(nèi)有詳細(xì)說(shuō)明，S代表脫氧核糖。
B.俯視：涂黑的是堿基，此處全部堿基都是嘧啶，只看到糖的側(cè)面略呈三角形，最外圍是磷酸及其酯鍵。
(1)在DNA分子中，兩股DNA鏈圍繞一假想的共同軸心形成一右手螺旋結(jié)構(gòu)，雙螺旋的螺距為3.4nm，直徑為2.0nm。(圖15－5,A，B)。
(2)鏈的骨架(backbone)由交替出現(xiàn)的、親水的脫氧核糖基和磷酸基構(gòu)成，位于雙螺旋的外側(cè)。
(3)堿基位于雙螺旋的內(nèi)側(cè)，兩股鏈中的嘌呤和嘧啶堿基以其疏水的、近于平面的環(huán)形結(jié)構(gòu)彼此密切相近，平面與雙螺旋的長(zhǎng)軸相垂直。一股鏈中的嘌呤堿基與另一股鏈中位于同一平面的嘧啶堿基之間以氫鏈相連，稱(chēng)為堿基互補(bǔ)配對(duì)或堿基配對(duì)(base pairing)，堿基對(duì)層間的距離為0.34nm。堿基互補(bǔ)配對(duì)總是出現(xiàn)于腺嘌呤與胸腺嘧啶之間(A=T)，形成兩個(gè)氫鍵；或者出現(xiàn)于鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧啶之間(G=C)，形成三個(gè)氫鍵。(圖15－6)。
圖15－6 A－T，G－C間的氫鍵形成
(4)DNA雙螺旋中的兩股鏈走向是反平行的，一股鏈?zhǔn)?′→3′走向，另一股鏈?zhǔn)?′→5′走向。兩股鏈之間在空間上形成一條大溝(major groove)和一條小溝(minor groove)，這是蛋白質(zhì)識(shí)別DNA的堿基序列，與其發(fā)生相互作用的基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)全在線www.med126.com
DNA雙螺旋的穩(wěn)定由互補(bǔ)堿基對(duì)之間的氫鍵和堿基對(duì)層間的堆積力(basestacking force)維系。DNA雙螺旋中兩股鏈中堿基互補(bǔ)的特點(diǎn)，邏輯地預(yù)示了DNA復(fù)制過(guò)程是先將DNA分子中的兩股鏈分離開(kāi)，然后以每一股鏈為模板(親本)，通過(guò)堿基互補(bǔ)原則合成相應(yīng)的互補(bǔ)鏈(復(fù)本)，形成兩個(gè)完全相同的DNA分子。因?yàn)閺?fù)制得到的每對(duì)鏈中只有一條是親鏈，即保留了一半親鏈，將這種復(fù)制方式稱(chēng)為DNA的半保留復(fù)制(semiconservative replication)。后來(lái)證明，半保留復(fù)制是生物體遺傳信息傳遞的最基本方式。
DNA雙螺旋是核酸二級(jí)結(jié)構(gòu)的重要形式。雙螺旋結(jié)構(gòu)理論支配了近代核酸結(jié)構(gòu)功能的研究和發(fā)展，是生命科學(xué)發(fā)展史上的杰出貢獻(xiàn)。
(二)DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性
Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)屬于B型雙螺旋，它是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對(duì)濕度下進(jìn)行X－射線衍射圖譜為依據(jù)進(jìn)行推測(cè)的，這是DNA分子在水性環(huán)境和生理?xiàng)l件下最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。然而以后的研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)的。在以鉀或絕作反離子，相對(duì)濕度為75%時(shí)，DNA分子的X－射線衍射圖給出的是A構(gòu)象，A－DNA每螺旋含11個(gè)堿基對(duì)，而且變成A－DNA后，大溝變窄、變深，小溝變寬、變淺。由于大溝、小溝是DNA行使功能時(shí)蛋白質(zhì)的識(shí)別位點(diǎn)，所以由B－DNA變?yōu)锳－DNA后，蛋白質(zhì)對(duì)DNA分子的識(shí)別也發(fā)生了相應(yīng)變化。
一般說(shuō)來(lái)，A－T豐富的DNA片段常呈B－DNA。采用乙醇沉淀法純化DNA時(shí)，整個(gè)過(guò)程中，大部分DNA由B－DNA經(jīng)過(guò)C－DNA，最終變構(gòu)為A－DNA。若DNA雙鏈中一條鏈被相應(yīng)的RNA鏈所替換，會(huì)變構(gòu)成A－DNA。當(dāng)DNA處于轉(zhuǎn)錄狀態(tài)時(shí)，DNA模板鏈與由它轉(zhuǎn)錄所得的RNA鏈間形成的雙鏈就是A－DNA。由此可見(jiàn)A－DNA構(gòu)象對(duì)基因表達(dá)有重要意義。此外，B－DNA雙鏈都被RNA鏈所取代而得到由兩條RNA鏈組成的雙螺旋結(jié)構(gòu)也是A－DNA。除A－DNA、B－DNA螺旋外，還存在B′－DNA、C－DNA、D－DNA等，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表15－4。
表15-4 不同右手雙螺旋DNA的結(jié)構(gòu)參數(shù)
| 雙螺旋 | 堿基傾 | 堿基夾 | 堿基間距 | 螺距 | 每輪堿 | 小溝寬／nm× | 大溝寬nm× |
| 角／（°) | 角（°) | /nm | ／nm | 基數(shù) | 小溝寬nm | 大溝寬nm | |
| B-DNA | 0 | 36.0 | 0.337 | 3.4 | 10 | 0.57×0.75 | 1.17×0.85 |
| C-DNA | 6 | 38.0 | 0.331 | 3.1 | 9.3 | 0.48×0.79 | 1.05×0.75 |
| D-DNA | 45.0 | 0.303 | 0.13×0.67 | 0.89×0.58 | |||
| A-DAN | 20 | 32.7 | 0.256 | 2.8 | 11 | 1.10×0.28 | 0.27×1.35 |
總之，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)處于動(dòng)態(tài)平衡中，DNA分子構(gòu)象的變化與糖基和堿基之間空間相對(duì)位置有關(guān)。
