Watson和 Crick的模型所提供的是DNA结构的平均特征。后来对DNA晶体所作的X光衍射分析 才提供了更为精确的信息(表3-4)。 按照上述模型,双螺旋结构对链上核苷酸排列顺序并无任何限制,因此大分子DNA中核苷酸排列 的方式是千变万化的。但是每一种生物的DNA都具有自己特异的核苷酸序列。 维持DNA双螺旋结构的作用力DNA双螺旋结构是很稳定的。主要有三种力量使DNA的双螺旋结 构维持稳定。一是互补碱基对之间的氢键,它在使四种碱基形成特异的配对上虽然是十分重要的,但并 不是使DNA结构稳定的主要力量,因为氢键的能量是十分小的,而且氢键的断裂往往是协同进行的,在 定条件下只要DNA分子中有少数氢键断裂,其余氢健也几乎同时发生断裂,而实际上DNA并非如此。 其次,游离的碱基(或核苷)即使在很高的浓度下也不会由于形成氢键而发生碱基配对。DNA分子中碱基 的堆集可以使碱基缔合,所以使DNA结构稳定的第二种力,也是主要的力,是碱基堆集力。碱基堆集力 是由于芳香族碱基的π电子之间相互作用而引起的,DNA分子中碱基层层堆集,在DNA分子内部形成 了一个疏水核心,核心内几乎没有游离的水分子,所以使互补的碱基之间形成氢键。第三种使DNA分子 稳定的力是磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。由于DNA在生理pH值条件下带 有大量负电荷,要是没有阳离子(或带正电荷的多聚胺、组蛋白)与它形成离子键,DNA链由于自身不同 部位之间的斥力也是不稳定的。与DNA结合的离子如Nat,K,Mg2,Mn2,在细胞内是大量存在的。 此外,原核细胞的DNA常与精胺及亚精胺结合,真核细胞DNA则与组蛋白相结合。 DNA双螺旋二级结构是很稳定的,但不是绝对的。实验证明,即使在室温中,处于溶液中的DNA 分子内也有一部分氢键被打开,而且打开的部位处于不断的变化之中。此外,碱基对氢键上的质子也不 断地与介质中的质子发生交换。所有这些现象都说明DNA的结构处于不停的动态运动之中。 以上叙述的是B型DNA的结构。溶液中及细胞内的天然状态的DNA几乎都是B型的。 2、A-DNA分子的结构在相对湿度为75%以下所获得的DNA纤维的X光衍射分析资料表明,这 种DNA纤维具有不同于BDNA的结构特点,称为A-DNA。A-DNA也是由反向的两条多核苷酸链组成 的双螺旋,也为右手螺旋,但是螺体较宽而浅,碱基对与中心轴之倾角也不同,呈现19°。RNA分子的 双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链也具有与A-DNA相似的结构 3、Z-DNA分子的结构A.Rich在研究 CGCGCG寡聚体的结构时,发现了自然界中存在的不同于 A-DNA和B-DNA的另一类DNA。在 CGCGCG晶体中,磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈Z字形, 所以称这类DNA为ZDNA。Z-DNA呈左手双螺旋结构,只有一条大沟,而无小沟。 天然B-DNA的局部区域可以出现ZDNA结构,说明B-DNA与ZDNA之间是可以互相转变的。 表3-4中比较了A-,B-,Z-DNA的一些主要特性。 四、DNA的三级结构 在双螺旋结构(二级结构)的基础上,DNA还可以形成三级结构:双链环型ωDNA)的超螺旋和开环 型。双链环型DNA可以以超螺旋型与开环型两种不同的形式存在(图3-2)。它们的物理性质,化学性质 及生物化学性质很不相同。当双链环型DNA因某种原因而使它的二级结构上每匝螺旋的碱基数目发生 表3-4A-,B-和zDNA的特性比较 旋类 适中 细长 每对碱基之距离 0.23nm 0.3nm 螺旋直径 2.37nm 1.84nm 螺旋方向 右手 右手 左手 糖苷键构型 反式 反式 C、T反式,G顺式 每匝螺旋碱基对数目 2.46nm 3.32nm 4.56nm 碱基对与中心轴之倾角 19°Watson 和 Crick 的模型所提供的是 DNA 结构的平均特征。后来对 DNA 晶体所作的 X-光衍射分析 才提供了更为精确的信息(表 3-4)。 按照上述模型，双螺旋结构对链上核苷酸排列顺序并无任何限制，因此大分子 DNA 中核苷酸排列 的方式是千变万化的。但是每一种生物的 DNA 都具有自己特异的核苷酸序列。 维持DNA双螺旋结构的作用力 DNA双螺旋结构是很稳定的。主要有三种力量使DNA的双螺旋结 构维持稳定。一是互补碱基对之间的氢键，它在使四种碱基形成特异的配对上虽然是十分重要的，但并 不是使DNA结构稳定的主要力量，因为氢键的能量是十分小的，而且氢键的断裂往往是协同进行的，在 一定条件下只要DNA分子中有少数氢键断裂，其余氢健也几乎同时发生断裂，而实际上DNA并非如此。 其次，游离的碱基(或核苷)即使在很高的浓度下也不会由于形成氢键而发生碱基配对。DNA分子中碱基 的堆集可以使碱基缔合，所以使DNA结构稳定的第二种力，也是主要的力，是碱基堆集力。碱基堆集力 是由于芳香族碱基的π 电子之间相互作用而引起的，DNA分子中碱基层层堆集，在DNA分子内部形成 了一个疏水核心，核心内几乎没有游离的水分子，所以使互补的碱基之间形成氢键。第三种使DNA分子 稳定的力是磷酸残基上的负电荷与介质中的阳离子之间形成的离子键。由于DNA在生理pH值条件下带 有大量负电荷，要是没有阳离子(或带正电荷的多聚胺、组蛋白)与它形成离子键，DNA链由于自身不同 部位之间的斥力也是不稳定的。与DNA结合的离子如Na+ ，K+ ，Mg2+，Mn2+，在细胞内是大量存在的。 此外，原核细胞的DNA常与精胺及亚精胺结合，真核细胞DNA则与组蛋白相结合。 DNA 双螺旋二级结构是很稳定的，但不是绝对的。实验证明，即使在室温中，处于溶液中的 DNA 分子内也有一部分氢键被打开，而且打开的部位处于不断的变化之中。此外，碱基对氢键上的质子也不 断地与介质中的质子发生交换。所有这些现象都说明 DNA 的结构处于不停的动态运动之中。 以上叙述的是 B-型 DNA 的结构。溶液中及细胞内的天然状态的 DNA 几乎都是 B-型的。 2、A-DNA 分子的结构 在相对湿度为 75%以下所获得的 DNA 纤维的 X-光衍射分析资料表明，这 种 DNA 纤维具有不同于 B-DNA 的结构特点，称为 A-DNA。A-DNA 也是由反向的两条多核苷酸链组成 的双螺旋，也为右手螺旋，但是螺体较宽而浅，碱基对与中心轴之倾角也不同，呈现 19°。RNA 分子的 双螺旋区以及 RNA-DNA 杂交双链也具有与 A-DNA 相似的结构。 3、Z-DNA 分子的结构 A. Rich 在研究 CGCGCG 寡聚体的结构时，发现了自然界中存在的不同于 A-DNA 和 B-DNA 的另一类 DNA。在 CGCGCG 晶体中，磷酸基在多核苷酸骨架上的分布呈 Z 字形， 所以称这类 DNA 为 Z-DNA。Z-DNA 呈左手双螺旋结构，只有一条大沟，而无小沟。 天然 B-DNA 的局部区域可以出现 Z-DNA 结构，说明 B-DNA 与 Z-DNA 之间是可以互相转变的。 表 3-4 中比较了 A-，B-，Z-DNA 的一些主要特性。 四、DNA 的三级结构 在双螺旋结构(二级结构)的基础上，DNA 还可以形成三级结构：双链环型(DNA)的超螺旋和开环 型。双链环型 DNA 可以以超螺旋型与开环型两种不同的形式存在(图 3-2)。它们的物理性质，化学性质 及生物化学性质很不相同。当双链环型 DNA 因某种原因而使它的二级结构上每匝螺旋的碱基数目发生 表 3-4 A-,B-和 z-DNA 的特性比较 A B Z 外 形 每对碱基之距离 螺旋直径 螺旋方向 糖苷键构型 每匝螺旋碱基对数目 螺 旋 碱基对与中心轴之倾角 大 沟 小 沟 粗 短 0.23nm 2.55nm 右 手 反 式 11 2.46nm 19° 狭、很深 很宽、浅 适 中 0.3nm 2.37nm 右 手 反 式 10.4 3.32nm 1° 宽，深 窄，很深 细 长 0.38nm 1.84nm 左 手 C、T 反式，G 顺式 12 4.56nm 9° 平坦 很窄，深 项 目 旋 类 型 螺 66