的空间结构

（一）DNA的二级结构——双螺旋结构模型

1．DNA双螺旋结构模型的研究背景　1950年前后，Erwin Chargaff等人采用纸层析和紫外吸收等方法，对不同生物来源的DNA的碱基组成进行了测定分析。总结出如下规律：①腺嘌呤的摩尔数等于胸腺嘧啶的摩尔数，鸟嘌呤的摩尔数等于胞嘧啶的摩尔数，即嘌呤碱的摩尔数等于嘧啶碱的摩尔数。②DNA的碱基组成有种属特异性。③同一生物个体的DNA碱基组成没有组织器官特异性。以上规律被称之为Chargaff规则。该规则已预示着A与T、G与C配对的可能性。

1953年，美国科学家James Watson和英国科学家Francis Crick提出了DNA双螺旋结构模型（图2－2）。这个划时代的发现是生物学研究的里程碑，从此揭开了现代分子生物学的序幕。为此两人获得1962年诺贝尔化学奖。

2．DNA双螺旋结构模型的要点

（1）DNA分子是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴旋转而成的右手双螺旋结构。双螺旋的直径为2nm，每一螺距为3．4nm。双螺旋结构的表面出现大沟和小沟，它们是调节蛋白与DNA相互作用的位点，与基因表达的调控有关。

（2）磷酸－戊糖骨架位于双螺旋的外侧，戊糖平面与中心轴近于平行。碱基位于双螺旋的内侧，碱基平面与中心轴相垂直，碱基平面旋转的角度为36°。相邻两个碱基平面的距离是0．34nm，每一螺距包含10对碱基。

图2－2　DNA双螺旋结构及碱基间氢键形成示意图

（3）维系双螺旋稳定的因素是氢键和碱基堆砌力。两条DNA链之间A与T、G与C配对的关系被称之为碱基互补原则。A与T之间形成2个氢键，G与C形成3个氢键。配对碱基之间的氢键维系双螺旋的横向稳定。碱基平面之间产生的疏水作用力－碱基堆砌力维系双螺旋的纵向稳定。碱基堆砌力是维系DNA双螺旋稳定的主要因素。

DNA双螺旋结构并非刚性，DNA双螺旋具有构象多样性。当溶液的相对湿度和离子强度发生变化时，会出现不同构象的A型、B型和Z型DNA双螺旋（图2－3），它们的结构参数有着较大的不同。Watson和Crick提出的DNA右手双螺旋结构是相对湿度为92%时的DNA构象，即B型DNA。生物体内的DNA几乎都是B－DNA。

图2－3　不同类型的DNA双螺旋结构

（二）DNA的三级结构

DNA的三级结构是指DNA双螺旋进一步盘曲所形成的构象。绝大部分原核生物DNA的二级结构是闭环的双螺旋分子，闭环双链很容易缠绕盘曲成超螺旋结构（图2－4）。若闭环双螺旋沿右手方向缠绕，使原来的双螺旋变得较紧，此为正超螺旋。若沿左手方向缠绕，使原来的双螺旋变得较松弛，此为负超螺旋。真核生物的线粒体、叶绿体DNA也是环状双链超螺旋结构。真核生物染色体DNA的二级结构为线性双螺旋，当其两个末端被蛋白质结合固定时，也可产生超螺旋结构。细胞内DNA的超螺旋结构总是处于动态的变化之中。

图2－4　环状DNA及超螺旋示意图

真核细胞DNA与组蛋白组成更高级的结构——染色质。染色质的基本组成单位是核小体。核小体亦是大量存在的DNA三级结构的一种形式（图2－5）。核小体由线性双螺旋DNA与组蛋白共同构成。组蛋白H2A、H2B、H3和H4各两分子构成核小体八聚体核心，呈两层对称排列。DNA双链沿组蛋白八聚体核心缠绕1．75圈，约含146bp，其中有80bp紧密与八聚体核心相连。组蛋白H1位于两个核小体之间的连接区DNA上，连接区DNA链长约60bp。核小体上的DNA总量约200bp。每个核小体的直径约为11nm，高约5．5nm。由此，许许多多个核小体经由DNA和H1组蛋白构成的连接区连接成串珠样结构。

图2－5　核小体结构示意图

核小体形成的串珠样结构再盘曲成直径为30nm的中空纤维状结构——螺线管，每周含6个核小体。螺线管再经进一步的盘曲折叠形成直径为200nm的超螺线管和襻状结构，最终形成染色质（图2－6）。每条染色体由一条双链DNA和组蛋白构成。

图2－6　染色质纤维缠绕、折叠示意图