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第二节 DNA的结构与功能
问题与思考
DNA是遗传物质的载体。1928年格里菲斯以R型和S型肺炎双球菌株作为实验材料进行遗传物质的实验。他将活的、无毒的RⅡ型（无荚膜，菌落粗糙型）肺炎双球菌或加热杀死的有毒的SⅢ型肺炎双球菌注入小白鼠体内，结果小白鼠安然无恙；将活的、有毒的SⅢ型（有荚膜，菌落光滑型）菌或将大量经加热杀死的有毒的SⅢ型菌和少量无毒、活的RⅡ型菌混合后分别注射到小白鼠体内，结果小白鼠患病死亡，并从小白鼠体内分离出活的SⅢ型菌。格里菲斯的实验表明，SⅢ型死菌体内有一种物质能引起RⅡ型活菌转化产生SⅢ型菌。
思考：1.SⅢ菌中使RⅡ菌转化为SⅢ菌的转化物质是什么？
2.如何证明它的化学本质？
DNA是由许多脱氧核苷酸经磷酸二酯键连接组成的生物大分子，具有非常复杂的结构，各种生物的遗传信息储存于其中。要了解DNA的生物学功能，首先须解析其组成、一级结构和空间结构。
一、DNA的一级结构
核酸（包括DNA和RNA）的一级结构是指其核苷酸的排列顺序。由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基排列顺序。不同的核酸分子之间的差别就体现在碱基的排列顺序之上。组成DNA分子的基本单位是四种脱氧核苷酸：dAMP、dGMP、dCMP和dTMP。因此，DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的排列顺序，即碱基排列顺序。生物遗传信息就储存在于DNA分子的碱基排列顺序之中，因而对DNA分子一级结构的分析对阐明DNA空间结构和功能具有根本性意义。
单链DNA和RNA分子的大小常用核苷酸（nucleotide，nt）的数目来表示，双链DNA则用碱基对（base pair，bp）或千碱基对（kilobase pair，kbp）的数目来表示。小的核酸片段（＜50bp）常被称为寡核苷酸。自然界中的DNA和RNA的长度可高达几十万个碱基。DNA携带的所有遗传信息完全依靠碱基排列顺序变化。可以想象，由n个脱氧核苷酸组成的一个DNA可能会有4 n个的排列组合，可提供巨大的编码遗传信息的潜力。
二、DNA的空间结构
DNA的空间结构（spatial structure）是指构成DNA的所有原子在三维空间的相对位置关系。DNA的空间结构可分为二级结构和三级结构。
（一）DNA的二级结构
1.研究背景
20世纪50年代初，Chargaff等人应用层析和紫外吸收分析等技术研究了多种生物DNA的碱基组成，发现有如下规律：①在所有来源的DNA分子中，腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相同，而鸟嘌呤则与胞嘧啶的摩尔数相同；②不同生物种属的DNA碱基组成不同；③同一生物的不同器官、不同组织的DNA碱基组成均相同；④生物体内DNA碱基的组成不随生物体的年龄、营养状态或者环境的变化而改变。这一规律进一步暗示了DNA的碱基之间存在着某种对应的关系。
此后，Wilkins和Franklin通过对DNA分子的X-射线衍射分析，结果显示DNA是螺旋形分子，其密度提示是双链分子。这些认识后来为DNA的双螺旋结构模型提供了有力的佐证。J.Watson和F.Crick总结前人的研究结果，提出了DNA分子的双螺旋结构模型。
2.DNA双螺旋结构模型要点
①DNA是由两股方向相反的平行多聚脱氧核苷酸链组成，两条链中的一条链是自上而下沿5′→3′方向延伸，而另一条链是自下而上沿5′→3′的方向延伸。围绕同一中心轴以右手双螺旋的方式缠绕所形成的立体结构。两股链螺旋表面上形成大沟（major groove）和小沟（minor groove），这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。②DNA双螺旋主链的骨架由脱氧核糖和磷酸交替构成，位于双螺旋的外侧，碱基位于双螺旋的内侧。两条链的碱基之间以氢键结合位于同一平面之上，称为碱基互补配对（complementary base pair），DNA的两条链则称为互补链（complementary strand）。 双螺旋结构的螺旋轴与碱基对平面垂直。碱基互补配对总是在腺嘌呤与胸腺嘧啶之间（A=T）形成两个氢键；在鸟嘌呤与胞嘧啶之间（G=C）形成三个氢键。碱基对平面之间的距离是0.34nm，每一螺旋含10.5个碱基，螺距为3.54nm，双螺旋的直径为2.37nm（图2-6）。③DNA双螺旋的横向稳定由互补碱基对之间的氢键维系，而纵向稳定则依赖于碱基平面间疏水性的碱基堆积力。而碱基的堆积力对于维持DNA双螺旋结构的稳定性更为重要。
图2-6 DNA的双螺旋结构示意图及碱基互补配对
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DNA双螺旋结构的多样性
Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型是基于在92%相对湿度下得到的DNA纤维的X射线衍射图像的分析结果。这是DNA在水性环境和生理条件下最稳定的结构。DNA的结构不是一成不变的，人们将Watson和Crick提出的双螺旋结构称为B型-DNA。当环境的相对湿度降低后，DNA仍然保存着右手螺旋的双链结构，但是它的空间结构参数不同于B型-DNA，人们将其称为A型-DNA。A型-DNA的螺旋宽而短，每个螺旋含11个碱基对，并且碱基对不垂直于双螺旋轴。1979年，美国科学家A.Rich等人在研究人工合成时的CGCGCG的晶体结构时竟意外地发现这种DNA是左手螺旋。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。Z型-DNA每个螺旋含12对碱基，只有一条沟。在生物体内，不同结构的DNA分子在功能上有所差异，与基因表达调控相适应。
（二）DNA的三级结构
生物体的DNA是长度非常可观的大分子，如人体细胞中23对染色体的总长度可达2m。因此，DNA是在双螺旋结构的基础上，经过一系列的压缩和盘绕，形成较为致密的结构后，方可组装在细胞核内。DNA双螺旋分子在空间可进一步折叠或盘绕成为更为复杂的结构，即三级结构。超螺旋是其主要形式。DNA超螺旋结构又可分为负超螺旋和正超螺旋。盘绕方向与DNA双螺旋方向相反的是负超螺旋，通过这种方式，调整了DNA双螺旋本身的结构，松懈了扭曲压力，DNA的空间结构相对疏松。天然存在的DNA均为负超螺旋。盘绕方向与DNA双螺旋方向相同的是正超螺旋，使DNA分子的结构更加紧密。DNA超螺旋结构整体或局部的拓扑学变化及其调控对于DNA复制和RNA转录过程具有关键作用。
真核生物线粒体、绝大多数原核生物的DNA是共价封闭的环状双链分子，这种双螺旋环状分子再度螺旋化成为超螺旋结构（图2-7）。
图2-7 环状和超螺旋DNA结构
三、真核生物染色体的组装
在真核生物，DNA在细胞周期的绝大部分时间是以松散的染色质的形式存在细胞核内的。在细胞分裂期，DNA则形成高度致密的染色体。在电子显微镜下观察到的染色质呈串珠样结构。染色质的基本组成单位是核小体（nucleosome），它是由DNA和H1、H2A、H2B、H3和H4等5种组蛋白共同构成的。两分子的 H2A、H2B、H3和 H4共同构成致密八聚体的组蛋白核心，DNA双螺旋链缠绕其上1.75圈（长度为146个碱基对）形成了核小体的核心颗粒。两相邻核心颗粒之间再由DNA（约60bp）和组蛋白H1构成的连接区连接串联成核小体（图2-8）。
图2-8 核小体结构示意图
由于核小体的形成，DNA的长度被压缩6～7倍，在此基础上，串珠状的多核小体进一步盘绕形成外径为30nm、内径为10nm的中空螺旋管，使DNA的长度又减少了约6倍。中空螺旋管进一步盘绕成直径400nm的超螺旋管纤维，使染色体的长度又减少了40倍。最后，由超螺线管折叠形成直径约700nm的染色体。经过这样的压缩折叠，DNA被压缩了8000～10 000倍，从而将近2m长的DNA有效地组装在直径只有数微米的细胞核中（图2-9）。整个组装和折叠过程是由蛋白质的精确调控实现的。
图2-9 真核生物染色体的组装示意图
四、DNA的功能
DNA是遗传信息的载体。DNA的基本功能就是作为生物遗传信息复制的模板和基因转录的模板，它是生命遗传繁殖的物质基础，也是个体生命活动的基础。
基因（gene）通常指DNA分子中的某一特定区段，其核苷酸的排列顺序决定了基因的功能：表达产生有生物学活性的蛋白质产物或RNA分子。一个细胞或生物所含的全套基因称基因组（genome），一般来讲，生物进化的程度越高，其基因组也越大。最简单的生物如SV40病毒的基因组仅含有5100碱基对，而人的基因组则大约3×10 9碱基对组成，使可编码的信息量大大增加。DNA具有高度稳定性的特点，可用来保持生物体系中遗传的相对稳定性。同时，DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适合环境的变迁，为自然选择提供机会。