的二级结构

（一）DNA双螺旋结构

1951年11月，英国科学家M．Wilkins和R．Franklin获得了高质量的DNA分子X线衍射照片。在综合前人研究结果的基础上，J．Watson和F．Crick提出了DNA分子双螺旋结构（double helix）的模型，于1953年发表于《Nature》杂志。这一发现揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子机制，它不仅解释了当时已知的DNA理化性质，还将DNA的功能与结构联系起来，奠定了现代生命科学的基础。

Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构具有下列特征（图7－10）。

（1）DNA由两条反向平行的多聚脱氧核苷酸链形成右手螺旋：一条链的5′→3′方向是自上而下，而另一条链的5′→3′方向是自下而上，称为反向平行（anti－parallel），它们围绕着同一个螺旋轴旋转而形成右手螺旋（right－handed helix）。

（2）由脱氧核糖和磷酸基团构成的亲水性骨架（backbone）位于双螺旋结构的外侧，而疏水的碱基位于内侧。

（3）位于DNA双链内侧的碱基以氢键结合，形成了互补碱基对：一条链上的腺嘌呤（A）与另一条链上的胸腺嘧啶（T）形成了2个氢键；一条链上的鸟嘌呤（G）与另一条链上的胞嘧啶（C）形成了3个氢键（图7－11）。这种碱基配对关系称为互补碱基对（complementary base pair），DNA的两条链则称为互补链（complementary strand）。

（4）碱基对平面与双螺旋的螺旋轴垂直，每两个相邻的碱基对平面之间的垂直距离为0．34nm，每一个螺旋含有10．5个碱基对，螺距为3．54nm，DNA双螺旋结构的直径为2．37nm。从外观上，DNA双螺旋结构的表面存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），大沟是蛋白质识别DNA碱基序列发生相互作用的基础。

图7－10 DNA双螺旋结构

图7－11 DNA分子中的碱基配对模式

（5）DNA双螺旋结构的稳定主要依靠碱基对之间的氢键和碱基平面的疏水堆积力共同维持。相邻的两个碱基对平面在旋进过程中会彼此重叠（overlapping），由此产生了疏水性的碱基堆积力（base stacking interaction）。这种碱基堆积力和互补链之间碱基对的氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定，并且前者的作用更为重要。

（二）DNA双螺旋结构的多样性

Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型被称为B－DNA或B型DNA，是基于与细胞内相似的温度环境中进行X线衍射所得的分析结果。这是DNA在水性环境下和生理条件下最稳定和最普遍的结构形式。但这种结构不是一成不变的，溶液的离子强度或相对湿度的变化可以使DNA双螺旋结构的沟槽、螺距、旋转角度等发生变化。例如降低环境的相对湿度，B型DNA会发生可逆性的构象改变，被称为A型DNA。尽管两型都为右手螺旋，但A型DNA较粗，每两个相邻碱基对平面之间的距离为0．26nm，每圈螺旋结构含有11个碱基对，双螺旋结构的直径为2．55nm，而且比B型DNA的刚性强。1979年，美国科学家A．Rich等在研究人工合成的CGCGCG晶体结构时，发现这种DNA具有左手螺旋（left－handed helix）的结构特征。后来证明这种结构在天然DNA分子中同样存在，并称为Z型DNA（图7－12）。不同结构的DNA在功能上可能有所差异，与基因表达的调节和控制相适应。

图7－12 不同类型DNA双螺旋结构模型

（三）特殊的DNA空间结构

一些特定的DNA序列会导致DNA分子形成特殊的空间结构，继而影响DNA的功能和代谢。例如连续出现的6个腺苷酸会导致DNA发生约18°的弯曲，这种弯曲可能在DNA与蛋白质的结合中具有一定功能。当一条单链DNA的序列出现了局部的反向互补时，该单链DNA可以回折构成发夹结构。当DNA分子的两条链上同时出现这种局部的反向互补序列时，可以形成“十”字形结构（图7－13）。

图7－13 DNA的发夹和“十”字形结构

某些特殊情况下，DNA还能形成三链或者四链的结构。至今发现的三链DNA可分为两大类，即三股螺旋结构和我国科学家白春礼等1990年用扫描隧道电子显微镜技术观察到的三股发辫结构。三股螺旋结构是在DNA双螺旋结构的基础上形成的，区域内的3条链的碱基均为整段嘌呤或嘧啶，形成Pu－Pu－Py和Py－Pu－Py两型（Pu代表嘌呤链，Py代表嘧啶链）。其中最常见的是Py－Pu－Py型，它的3条链中有2条为正常的双螺旋，第3条嘧啶链位于双螺旋的大沟中，与嘌呤链的方向一致，并随双螺旋结构一起旋转。而第3条链既可来源于分子内，也可来源于分子间。例如在低pH值条件下，含（TC）n或（AG）n并形成镜像重复序列的双链DNA拆开后产生的多聚嘧啶链发生回折，并嵌入剩下的双链DNA大沟中形成分子内的三链DNA（图7－14）。三链中碱基配对的方式与双螺旋DNA相同，即其碱基仍以A－T、G－C配对，但第3链上的胞嘧啶的N－3必须发生质子化，与 C≡G中的鸟嘌呤的N－7形成新的氢键，同时胞嘧啶的N－4的氢原子可与鸟嘌呤中的O－6形成氢键，这样就形成了C≡G·C＋的三链结构（图7－15），其中C≡G之间是Watson－Crick氢键，而G·C＋被称为Hoogsteen氢键或者Hoogsteen配对。同理也可以形成T=A·T的三链结构。

图7－14 三股螺旋DNA结构

图7－15 三链DNA的碱基配对模式

四链DNA的基本结构单位是G－四联体（G tetraplex），即由4个鸟嘌呤通过8个Hoogsteen氢键相互连接为一个四角形，再堆积形成分子内或分子间的右手螺旋（图7－16）。四链中DNA链的方向可以为同向，也可以为反向。真核生物DNA线性分子3′－末端富含GT序列的端粒可形成G－四链体结构。

图7－16 鸟苷四聚体