最新DNA分子结构的研究进展汇总

D N A分子结构的研究

进展

DNA分子结构的研究进展

生物工程二班司送霞 20093957

DNA是遗传物质的物质基础，基因是具有特定生物功能的DNA序列，DNA的结构分为一级结构，二级结构，三级结构

一级结构是指DNA的共价结构和核苷酸序列，二级结构是指一定或全部

核苷酸序列所形成的双螺旋结构，三级结构是指染色体DNA所具有的复杂折叠状态。

1．DNA的一级结构

DNA的一级结构是四种脱氧核苷酸的连接和排列顺序，即由

dAMP,dGMP,dCMP,dTMP四种脱氧核苷酸通过3′，5′磷酸二酯键连接而成的长链连接而成的高分子多聚体为DNA的一级结构。

DNA所具有的物理、化学和生物学功能均源于他的一级结构，碱基的不同序列蕴含了丰富的遗传信息，组成DNA分子的碱基虽然只有4种，他们的配对方式却有A,T和G,C两种，由于碱基可以任意排列，构成了DNA分子的多样性。

2.DNA的二级结构

DNA的二级结构是指两条多核苷酸链反向平行所盘绕生成的双螺旋结构。碱基间相互作用通过两种非共价键结合方式进行，分别是碱基配对及碱基堆积。碱基配对是一种氢键结合力，也是使核酸链相互缔合的主要作用力。另外通过垂直方向上相邻碱基π电子形成的疏水作用力使DNA分子层层堆积，分子内部形成疏水中心，整个分子结构保持稳定。

1953年Waston和Crick由X射线衍射技术分析而提出了DNA分子的双螺旋结构模型，此模型所描述的是B-DNA在纳盐一定湿度下的结构，其特征如下：

（！）两条多核苷酸是反向平行，一条链是5′到3′，另一条是3′到5′，极性相反，成为双螺旋状。

（2）碱基平面向内延伸与螺旋的轴成直角，两条链的碱基互补配对形成氢键，所以DNA分子的双链是由碱基配对的氢键连接在一起的。

（3）两条多核苷酸连是顺长轴方向向左旋转，每0.34nm有一个核苷酸，核苷

酸间成36°角。

（4）双螺旋的直径为2nm。

双螺旋有大沟和小沟，大沟和小沟由碱基对的空间结构决定的。

DNA结构的多态性

DNA结构分为两大类，一类是右手螺旋，以B-DNA为主，另外还有A-DNA,C-

DNA,D-DNA,E-DNA,另一类是左手螺旋的，即Z-DNA，所有构型均假设为一对平行而反向的多核苷酸链形成的双螺旋，不同的构型之间，螺旋参数不同，此成为DNA分子结构多态性。B-DNA 的主要结构特征①两条脱氧核苷酸链反向平行, 绕同一螺旋轴向右盘绕, 螺旋表面有一条大沟和一条小沟。②双螺旋的直径为2 nm , 螺距为3. 4nm , 含10 对脱氧核苷酸, 碱基对平面约与螺旋轴垂直,与糖

环平面垂直。碱基对平面间距离0. 34 nm。每链相邻脱氧核苷酸旋转36°。③两

链间A 与T、G 与C 配对后碱基对总长约1. 085 nm。A 与T 形成2 个氢键, G与

C 形成3 个氢键。N 2O 原子间,N 2N 原子间形成氢键分别相距0. 284 nm 和0. 292 nm]。

多种类型的右旋DNA 与特殊的左旋DNA

近20 多年来, 科学家发现在转录条件下DNA 由B 型转变为A 型, 之后又先后发现了DNA 的C 型、D 型、E 型结构, 这4 型DNA 与B2DNA 的双螺旋都是向右的, 螺旋沟均一大一小, 但在直径、碱基间距, 每螺旋碱基对数、沟的宽窄深浅等都有不同, 一般比B 型DNA 稍大或稍小些。左旋DNA 是1979 年由美籍华人W ang 等发现的, 命名为Z2DNA。它的双螺旋是向左的, 只有一条极深的小沟, 螺旋直径为1. 8 nm , 每螺旋含12 碱基对,距离为4. 46 nm。

DNA结构的多态性是因为多核苷酸链的骨架含有许多可转动的单键，从而使键

环可采取不同的折叠方式和苷键的N-苷键也可以转动，从而使糖环和碱基处在不同的空间关系中。

3.三级结构

DNA分子结构进一步扭曲、折叠，形成超螺旋结构，即染色体所具有的复杂折叠状态成为染色体的三级结构，也叫DNA的高级结构，几乎所有的DNA结构，无论是环形的还是线形的，超螺旋结构是他们共有的特征。三股DNA 螺旋

在Wat son 和Crick 提出双螺旋结构模型之前, 著名的化学家Pauling 等就提出过DNA 三股螺旋。至今发现的三链DNA 可分为两类, 即三股螺旋结构和中科院白春礼等用扫描隧道电子显微镜( STM) 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, 三链区的三条链均为同型嘌呤或同型嘧啶, 即整段的碱基均为嘌呤或嘧啶。根据第三条链来源不同, 三股螺旋可分为分子间和分子内两组; 根据三条链的组成及相对位置又可分为Pu - Pu - Py

和Py - Pu -Py 两型( Pu代表嘌呤链, Py 代表嘧啶链) 。在Py -Pu - Py 型( 比较多见) 三链中, 两条为正常的双螺旋, 第三条嘧啶链位于双螺旋的大沟

中, 它与嘌呤链的方向一致, 并随双螺旋结构一起旋转。三链中碱基配对的方

式与双螺旋DNA 相

同

DNA 四联体螺旋

四联体螺旋的研究从1958 年开始的, 最近对d( G4T 4G4) n 重复序列的X -射线

单晶结构解析发现, 该序列的结构为四螺旋。此螺旋的基本结构单位是G - 四

内以氢键环形连接而成。在四联体的中心有一个由4 个带负电荷的羧基氧原子

围成的“口袋”。通过

G - 四联体的堆积。联体( G -quarter) , 它由四个鸟嘌呤在一个正方形平面

可以形成分子内或分子间的右手螺旋, 螺旋每圈含13 个G - 四联体。

B-DNA的多核苷酸链的空间结构是以一组构象参数为征的。它规定B-DNA的每股螺旋共含250bp，它应形成25股螺旋。现在如果切割其骨架中的任一磷酸二酯键，它就会转变为含相同数目的碱基对的线形B-DNA。如果所形成的线形DNA的一端固定，另一端向左放松两圈，然后使其两端重新闭合，由于B-DNA是一种在能量学上稳定的结构，螺旋数的减少就使其转变为一种受力状态，分子所经受的张力可以按两种方式是分子保留一单链区，其余部分仍保留B-DNA状态，另一种方式是形成超螺旋，超螺旋的形成使已放松的的双螺旋分子的碱基接近于B-DNA状态，DNA结构的变化可以用数学式来表示

L=T+W

L称为DNA的连接数，它是DNA的一股链绕另一股链缠绕的次数，在链不发生

断裂时，它是一常数。T为超盘绕数，代表双螺旋轴在空间的转动数。

在活体中，DNA结构不是一成不变的，DNA的各种构象是互变的，动态的。

沃森和克里克发表的文章的翻译

核酸的分子结构

我们要提出一个用于脱氧核糖核酸盐（DNA）的结构，这种结构具有相当的生物感兴趣的新的特点。

一种核酸结构已经被提出保罗和科里。他们非常友好的在其出版之前将手稿提供给我们。他们的模型包括三个缠绕的链，与附近的糖磷酸骨架和外面的碱基。我们认为，这种结构不理想，原因有二(1)我们相信，该材料赋予的透视图是盐，而不是游离酸。没有酸性氢原子，目前还不清楚是什么力量将持有的结构在一起，尤其是会互相排斥。(2)有些距离显得有些过于小。

另三链结构也已由弗雷泽提出（在印刷中）。在他的模型磷酸盐是在外面和内部的基础上通过氢键连接在一起。这种结构的描述是相当不明确的，基于这个原因，我们不会对此发表评论。

我们希望提出根本不同的结构的脱氧核苷酸盐，这种结构有双螺旋且每个圈都有相同的轴线（看图）。我们已经做出一般的化学假设，即核苷酸之间通过3'到5'磷酸二酯键连接到β- d-脱氧核糖核酸残基上。这两条链都是右手螺旋。但是由于这两个沿链相反的方向运行，这两条链是非常相似的。每个链松耦合类似于Furberg的1号模型，这就是，碱基位于双螺旋的内部而磷酸盐位于外部。糖及附近的原子结构接近Furberg的标准配置，糖是大致垂直于与之接触的碱基。在Z方向每一个链每隔3.4A就有一个碱基。我们假设在同一链中相邻的核苷酸夹角为36 °，所以每条链的结构每十个核苷酸即每34A就重复一次。一个磷原子到纵轴的间距为10A，由于磷在外面的，阳离子容易接触到他们。

其结构是一个开放的，它的水分含量是相当高的，在较低的水含量，我们希望碱基能够倾斜，这样的结构可能变得更加紧凑。