DNA二级结构

DNA的二级结构DNA双螺旋结构的主要依据DNA双螺旋结构的要点DNA双螺旋结构与DNA复制1944年Avery等的重要发现,首次严密地证实了DNA就是遗传物质的事实。随后，一些研究逐步肯定了核酸作为遗传物质在生物界的普遍意义。至50年代初,已经对DNA和RNA中的化学成分,碱基的比例关系及核苷酸之间的连接键等重要问题有了明确的认识。在此背景下,研究者们面临着一个揭示生命奥秘的十分关键且诱人的命题:作为遗传载体的DNA分子,应该具有怎样的结构?1953年,Watson和Crick以非凡的洞察力,得出了正确的答案。他们以立体化学上的最适构型建立了一个与DNAX射线衍射资料相符的分子模型-DNA双螺旋结构模型。这是一个能够在分子水平上阐述遗传(基因复制)的基本特征的DNA二级结构。它使长期以来神秘的基因成为了真实的分子实体,是分子遗传学诞生的标志,并且开拓了分子生物学发展的未来。DNA双螺旋结构的主要依据：50年代初的核酸研究现状已经使人们普遍接受了这样的观点：多核苷酸的特定序列是遗传信息所在。尽管当时还没有任何能直接说明这一点及其它基因作用原理的实验依据，但这一概念无疑对设想DNA结构是非常重要的。可以说,Watson和Crick提出的模型是在人们意识到核酸重要性的历史条件下,集各项DNA研究成果于一体的产物。但对建立DNA双螺旋结构有直接影响的主要是以下两方面的依据：(1)Chatgaff对DNA碱基组成的研究结果：1949-1951年间，Chatgaff应用紫外分光光度法结合纸层析等技术,对不同来源的DNA进行了碱基定量分析,得出了组成DNA的四种碱基的比例关系(见下表)。从中可发现碱基组成的下列共同规律：(1)以摩尔含量表示，不同来源的DNA都存在着这种关系，即[A]=[T]和[C]=[G]；(2)不同物种组织DNA在总的碱基组成上有很大的变化，表现在A+T/G+C比值的不同,但同种生物的不同组织DNA碱基组成相同；(3)嘌呤碱基的总和与嘧啶碱基的总和相等。这些发现不仅为DNA能携带遗传信息的论点提供了依据，而且为DNA结构模型中的碱基配对原则奠定了基础。DNA来源腺嘌呤胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶(A+T)/(G+C)大肠杆菌25.424.824.125.71.01小麦26.828.023.222.71.21鼠29.725.621.922,81.21猪:肝胸腺脾29.430.029.629.728.929.220.520.420.420.520.720.81.43酵母31.332.918.717.11.079(2)Wilkins及其同事Franklin等用X射线衍射方法获得的DNA结构资料：X射线衍射技术是一种在原子水平上间接观测晶体物质的分子结构的方法。这个研究小组制备的高度定向的DNA纤维晶体能够得到精确反映DNA某些结构特征的X射线衍射图片,其影像表明了DNA结构的螺旋周期性,碱基的空间取向等。这些资料对Watson和Crick构建DNA双螺旋结构模型起了关键性作用。DNA双螺旋结构的要点(1)主链(backbone)：由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成。主链有二条,它们似麻花状绕一共同轴心以右手方向盘旋,相互平行而走向相反形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则,这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性。所谓双螺旋就是针对二条主链的形状而言的。(2)碱基对(basepair)：碱基位于螺旋的内则,它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。配对碱基总是A与T和G与C。碱基对以氢键维系，A与T间形成两个氢键。DNA结构中的碱基对与Chatgaff的发现正好相符。从立体化学的角度看,只有嘌呤与嘧啶间配对才能满足螺旋对于碱基对空间的要求,而这二种碱基对的几何大小又十分相近,具备了形成氢键的适宜键长和键角条件。每对碱基处于各自自身的平面上，但螺旋周期内的各碱基对平面的取向均不同。碱基对具有二次旋转对称性的特征，即碱基旋转180°并不影响双螺旋的对称性。也就是说双螺旋结构在满足二条链碱基互补的前提下，DNA的一级结构产并不受限制。这一特征能很好的阐明DNA作为遗传信息载体在生物界的普遍意义。(3)大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补链之间,而大沟位于相毗邻的双股之间。这是由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对,从而使得在主链间沿螺旋形成空隙不等的大沟和小沟。在大沟和小沟内的碱基对中的N和O原子朝向分子表面。(4)结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10对碱基；螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。DNA双螺旋结构与DNA复制：双螺旋结构模型的成功之处除与X射线衍射图谱及核酸化学的研究资料相符外,另一个重要方面是它能够圆满地解释作为遗传功能分子的DNA是如何进行复制的。Watson和Crick这样设想DNA结构中的二条链看成是一对互补的模板(亲本),复制时碱基对间的氢键断开,两条链分开,每条链都作为模板指导合成与自身互补的新链(复本),最后从原有的两条链得到两对链而完成复制。在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性,也就是将亲链的碱基序列复制给了子链。因为复制得到的每对链中只有一条链是亲链,即保留了一半亲链，故这种复制方式又称为半保留复制(semi-conservativereplication)。双螺旋结构建立时，复制原理只是设想，不久这一设想被实验证实是正确的。现已明确：半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。DNA结构的多态性Ｗatson和Crick所推导出来的DNA结构在生物学研究中有深远意义。他们是以在生理盐溶液中抽出的DNA纤维在92％相对温度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推设的。在这一条件下得出的DNA称B构象。实际上在溶液中的DNA的确呈这一构象，这也是最常见的DNA构象。但是，研究表明DNA的结构是动态的。在以钠、钾或铯作反离子，相对温度为75％时，DNA分子的X－射线衍射图给出的是A构象。这一构象不仅出现于脱水DNA中，还出现在RNA分子中的双螺旋区域的DNA－RNA杂交分子中。如果以锂作反离子，相对温度进一步降为66％，则DNA是C构象。但是这一构象仅在实验室中观察到，还未在生物体中发现。这些DNA分子中G-C碱基对较少，这些分子将取D和E构象。这些研究表明DNA的分子结构不是一成不变的，在不同的条件下可以有所不同。但是，这些不同构象的DNA都有共同的一点，即它们都是右手双螺旋；两条反向平行的核苷酸链通过Ｗatson-Crick碱基配对结合在一起；链的重复单位是单核苷酸；这些螺旋中都有两个螺旋沟，分为大沟与小沟，只是它们的宽窄和深浅程度有所不同。但是，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG单晶的X－射线衍射图谱时分别发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同。它是左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯齿状排列，有如“之”字形一样，因此叫它Z构象（英文字Zigzag的第一个字母）。还有，这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸；而且Z－DNA只有一个螺旋沟，它相当于B构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在。立即就有几个问题被提了出来：这种结构是怎样生成的？这一结构在天然状态下存在吗？它有什么生物学意义？研究表明，Z－DNA的形成是DNA单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。这种碱基排列方式会造成核苷酸的糖苷键的顺式和反式构象的交替存在。当碱基与糖构成反式结构时，它们之间离得远；而当它们成顺式时，就彼此接近。嘧啶糖苷键通常是反式的，而嘌呤糖苷酸键既可成顺式的也可成反式的。而在Z－DNA中，嘌呤碱是顺式的。这样，在Z－DNA中嘧啶的糖苷链离开小沟向外挑出，而嘌呤上的糖苷键则弯向小沟。嘌呤与嘧啶的交替排列就使得糖苷键也是顺式与反式交替排列，从而使Z－DNA主链呈锯齿状或“之”字形。人们相信，并用实验证明细胞DNA分子中确实存在有Z－DNA区。而且，细胞内有一些因素可以促使B－DNA转变为Z－DNA。比如，胞嘧啶第五位碳原子的甲基化，在甲基周围形成局部的疏水区。这一区域扩伸到B－DNA的大沟中，使B－DNA不稳定而转变为Z－DNA。这种C5甲基化现象在真核生物中是常见的。因此在生物B构象的DNA中某些区段具有Z－DNA构象是可能的。DNA真是一个构象可变动态分子。Z－DNA有会么生物学意义呢？应当指出Z－DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为Z－DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物静电排斥。但是，DNA链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因调节有关。比如ＳＶ40增强子区中就有这种结构，又如鼠类微小病毒ＤＮＳ复制区起始点附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺旋上沟的特征在其信息表达过程中起关键作用。调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原子供体或受体相互作用，形成氢键从而识别DNA上的遗传信息的。大沟所带的遗传信息比小沟多。沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对DNA信息的识别。Z－DNA中大沟消失，小沟狭而深，使调探蛋白识别方式也发生变化。这些都暗示Z－DNA的存在不仅仅是由于DNA中出现嘌呤－啶嘧交替排列之结果，也一定是在漫漫的进化长河中对DNA序列与结构不断调整与筛选的结果，有其内在而深刻的含意，只是人们还未充分认识而已。DNA构象的可变性，或者说DNA二级结构的多态性的发现拓宽了人们的视野。原来，生物体中最为稳定的遗传物质也可以采用不同的姿态来实现其丰富多采的生物的奥妙，也让人们在这一领域中探索和攀越时减少疲劳和厌倦，乐而忘返，从而有更多更新的发现。多年来，DNA结构的研究手段主要是X射线衍线技术,其结果是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平均值而获得的。同时，这项技术的样品分析条件使被测DNA分子与天然状态相差甚远。因此，在反映DNA结构真实性方面这种方法存在着缺陷。1989年,应用扫描隧道显微镜(STM)研究DNA结构克服了上述技术的缺陷。这种先进的显微技术,不仅可将被测物放大500万倍,且能直接观测接近天然条件下单个DNA分子的结构细节。应该说它所取得的DNA结构资料更具有权威性。表1-6是STM测到的B-DNA结构参数及其与X射线衍线资料的比较结果。STM研究还证实了d(CG)重复序列的寡核苷酸片段为Z-DNA结构的事实。STM技术的应用是DNA结构研究中的重要进展,可望在探索DNA结构的某些未知点上展示巨大潜力。B-DNA与Z-DNA的比较比较内容B-DNAZ-DNA螺旋手性右旋左旋螺旋周期的核苷酸数目1012螺旋直径20A18A碱基平面的间距3.4A3.7A螺距34A45A相邻碱基对间的转角36A60A轴心与碱基的关系穿过碱基对不穿过碱基对B-DNA结构参数性质X射线衍射分析STM分析螺旋的手性右旋右旋螺旋的旋转周期33.8A*34.4+2A(32-36A)大沟宽度11.7A**间距:22.6A深度8.5A7A小沟宽度5.7A间距:12A深度7.5A2A大沟和小沟有关值的比较宽度比2.2间距比1.88*7个螺旋周期的DNA得以量度，表中值+-标准差。**间距指DNA双螺旋的高脊之间的距离，在含义上与宽度和深度有所不同。核酸的变性和复性DNA的变性DNA的复性核酸分子杂交变性(denaturation)和复性(renaturation)是双链核酸分子的二个重要物理特性。也是核酸研究中经常引用的术语。双链DNA,RNA双链区,DNA:RNA杂种双链(hybridduplex)以及其它异源双链核酸分子(heteroduplex)都具有此性质。(1)DNA的变性：指DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。确切地就是维持双螺旋稳定性的氢键和疏水键的断裂。断裂可以是部分的或全部的，是可逆的或是非可逆的。DNA变性不涉及到其一级结构的改变。凡能破坏双螺旋稳定性