分子生物学讲义

2DNA与染色体是D-2-脱氧核糖。D-核糖的C-2所连的羟基脱去氧就是

2.1DNA的一般性质D-2脱氧核糖。

2.2DNA的二级结构及多态性戊糖C-1所连的羟基是与碱基形成糖昔键的基团，

2.3DNA的超螺旋结构糖背键的连接都是B-构型。

2.4染色体结构核昔(nucleoside)：由D-核糖或D-2脱氧核糖与喋

2.1DNA的一般性质吟或喘度通过糖背键连接组成的化合物。核酸中的主要

1868年，瑞士的内科医生FriedrichMiescher从核昔有8种。

外科医院包扎伤口的绷带上的脓细胞核中提取到■核甘酸(nucleotide)：核甘与磷酸残基构成的化合物,

种富含磷元素的酸性化合物，将其称为核质(nuclein)；即核甘的磷酸酯。

后来他又从蛇鱼精子中分离出类似的物质，并指出它核甘酸是核酸分子的结构单元。核酸分子中的磷酸

是由•种碱性蛋白质与一种酸性物质组成的。20年酯键是在戊糖C-3,和C-5,所连的羟基上形成的，构成核

后称为核酸(nucleicacids),其功能不清楚。酸的核甘酸为3，-核甘酸或5、核甘酸。DNA分子中是含

1944年Avery等，发现从S型肺炎球菌中提取有A、G、C、T四种碱基的脱氧核昔酸；RNA分子中

的DNA与R型肺炎球菌混合后，能使某些R型菌转则是含A、G、C、U四种碱基的核甘酸。核酸分子中的

化为S型菌，且转化率与DNA纯度呈正相关。若将核甘酸都以多聚核甘酸形式存在，但在细胞内有多种游

DNA预先用DNA酶降解，转化就不发生。离的核甘酸，其中包括一磷酸核甘、二磷核昔和三磷酸

结论是：S型菌的DNA将其遗传特性传给了R核昔。

型菌，DNA就是遗传物质。核甘酸分子中的主要化学成分为：碱基、戊糖、核

1952年A.D.Hershey和M.Cha-se用35s和32P双甘、核甘酸。

标记T2噬菌体证明DNA是遗传物质。噬菌体在35s2.1.1.2核甘酸的连接方式

培养基中外壳蛋白被标记；在32P培养基中DNA被核酸是由多个核甘酸以32，-磷酸二酯键聚合成的

标记；这种双标记的噬菌体感染大肠杆菌时，DNA多聚核甘酸(polynucleotide),相邻二个核甘酸之间以

进入细胞大量复制(只有亲本DNA链才有32P)并装3，,5「磷酸二酯键连接。

配成子代颗粒，只有少量的噬菌体有32p,而无外壳寡核甘酸(oligonucleotide)：是指二至十个核甘酸残

有35S。基以磷酸二酯键连接而成的线性多核甘酸片段。三十甚

2.1.1多核昔酸链至更多个核甘酸残基的多核甘酸分子也称作寡核甘酸。

2.1.1.1核酸的化学成分寡核甘酸可由仪器自动合成，它可作为DNA合成

核酸是生物体内的高分子化合物。它包括脱氧核的引物(primer)、基因探针(probe)等，在现代分子生物学

糖核酸(deoxyribonucleicacid,DNA)和核糖核酸研究中具有广泛的用途。

(ribonucleicacid,RNA)两大类。核酸链的简写式：核酸分子的简写式可简明表示高

DNA和RNA是由单个核甘酸(nucleotide)头尾相度复杂的核酸分子。简写式表示的中心含义就是核酸分

连而形成的。子的一级结构，即核酸分子中的核甘酸(或碱基)排列

RNA平均长度大约为2000个核甘酸；人DNA顺序。

可长达3X1()9个核甘酸。字符式：用A、T、G、C、U代表碱基，用P代表

核苜酸是由碱基、戊糖和磷酸构成。磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖甘键和酯键等均省略

碱基(base)：嚓吟(purine):腺噪吟(adenine.A)、不写，将碱基和磷酸相间排列即可。因省略了糖基，故

鸟11票岭(guanine,G)；喀咤(pyrimi-dine)：胞喀咤不再注解“脱氧”与否，简写式中出现T的为DNA链，

(cytosine.C)、胸腺口密咤(thymine,T)、尿喀咤(uracil,出现U则为RNA链。以5,和3,表示链的末端及方向，

U)o分别置于简写式的左右二端。

DNA中存在：A、T、G、C；5'pApCpTpTpGpApApCpG3'DNA

RNA中存在：A、U、G、C,5,pApCpUpUpGpApApCpC3,RNA

喋吟环上的N-9或喀咤环上的N-l是构成核甘酸简化为：

,

时与核糖(或脱氧核糖)形成糖苜键的位置。核酸分5'pACTTGAACG3DNA

5'pACUUGAACG3'RNA

子中还有数卜种修饰碱基(thcmodificdcomponent),又

简写式的5=末端均含有一个磷酸残基(与糖基的

称稀有碱基，(unusualcomponent)o是五种碱基环上

C-5,位上的羟基相连)，3、末端含有一个自由羟基(与糖

的某一位置被一些化学基团(如甲基化、甲硫基化等)

基的C-3,位相连)，若5,端不写P,则表示5，-末端为自

修饰后的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀

由羟基。双链DNA分子的简写式多采用省略了磷酸残

少，在各种类型核酸中的分布也不均一。如DNA中

基的写法，在上述简式的基础上再增加一条互补链

的修饰碱基主要见于噬菌体DNA,RNA中以tRNA

(complcntarystrand)即可，链间的配对碱基用短纵线相

含修饰碱基最多。

连或省略。

戊糖:RNA中的戊糖是D-核糖，DNA中的戊糖

5,GGAATCTCAT3,

3,CCTTAGAGTA5,向右盘旋形成双螺旋构型。主链处于螺旋的外则。

线条式：在字符书写基础匕以垂线（位于碱②碱基对（basepair）：碱基位于螺旋的内则，它们以

基之下）和斜线（位于垂线与P之间）分别表示糖基垂直于螺旋轴的取向。同平面的碱基在二条主链间形

和磷酸酯键。成碱基对。A-T、G-Co间以氢键配对。

2.1.2DNA的一级结构③大沟和小沟：大沟和小沟分别指双螺旋表面凹下

DNA的一级结构是指DNA分子中核甘酸的排列去的较大沟槽和较小沟槽。小沟位于双螺旋的互补琏之

顺序，简称为DNA顺序（或序列）。由于核甘酸之间间，而大沟位于相毗邻的双股之间。

的差异仅仅是碱基的不同，故可称为碱基顺序。DNA大沟和小沟是从螺旋轴心到两条主链划分出的两个

是巨大的生物高分子，如人的DNA就包含了3X10,不等扇形形成的，这两条沟，特别是大沟对蛋白质识别

碱基对，如此数目的碱基可容纳巨大的信息量。生物DNA双螺旋结构上的特定信息非常重要，只有在沟内蛋

界里的遗传信息都包含在组成DNA的A、G、C、T白质才能识别到不同碱基顺序。

这四种核甘酸的排列顺序之中。④结构参数：螺旋直径2nm；螺旋周期包含10bp；

DNA分子中不同排列顺序的DNA区段构成特定螺距3.4nm；相邻碱基对平面的间距0.34nm。

的功能单位，这就是基因，不同基因的功能各异，各2.2.1.3影响双螺旋结构的因素

自分布在DNA的一定区域。基因的功能取决于DNA①氢键碱基存在供氢体（氨基和羟基）以及受氢体

的一级结构，要解释基因的生物学含义，就必须弄清（酮基和亚氨基），它们之间可形成氢键。

DNA顺序。因此，DNA顺序测定是分子遗传学中一在双螺旋中嗑咤和噂吟之间的距离正好与一般氢键

项既重要又基本的课题。的键长（0.27nm）相一致。且供体氢原子和受体原子处于

2.2DNA的二级结构及多态性一直线上，利于形成氢键。单个氢键是不稳定的，分子

2.2.1DNA的双螺旋结构平均的键能仅2.5KJ/mol。因此，DNA双螺旋结构中的

2.2.1.1双螺旋结构建立的依据氢键处于不断的断裂和复合的热平衡状态，但由20个以

Watson和Crick在1953年以立体化学上的最适上的碱基对组成的双螺旋在室温卜已相当稳定。由于这

构型建立了一个与DNAX-射线衍射资料相符的分子个原因在设计PCR引物时，一般至少在16nt,以使其较

模型——DNA双螺旋结构模型。它可在分子水平上为稳定，但最好在20〜24个nt,以增加特异性。氢键的

阐述遗传（基因复制）的基本特征。形成有助于DNA复制、修复、重组、转录、翻译，以

DNA双螺旋结构的主要依据：多核昔酸的特定及各种分子杂交等。G—C间有三个氢键，A—T间只有

序列是遗传信息所在。2个氢键。这可用DNA的熔解温度Tm与（G+C）%含量

Watson和Crick集各项DNA研究成果于--体，成正比来证明。根据Marmur-Doty关系式，在（G+C）%

提出了双螺旋结构的模型。对建立DNA双螺旋结构含量在30%到70%的范围内,0.15mol/LNaCl+0.015

有直接影响的主要有两方面的依据：mol/L柠檬酸钠溶液中：

ChatgafT对不同来源的DNA进行了碱基定量分Tm=69.3十0.41（G十C）%

析，得出了组成DNA的四种碱基的比例关系。②碱基堆集力

Franklin和Wilkins用X-射线衍射方法获得的DNA碱基堆集力是同一条链中的相邻碱基之间的疏水作

结构资料。用力和VandcrWaal力。DNA的主链部分是亲水的，碱

①1949-1951年ChatgafT应用紫外分光光度法和基的外围基团一氨基和酮基也是亲水的，但嗑咤和喋吟

纸层析等技术，对不同来源的DNA进行碱基定量分本身带有一定程度的疏水性。因此在水溶液中这些疏水

析，得出组成DNA四种碱基的比例关系。基团自发聚集。从热力学的角度来看，DNA顷向于形成

碱基组成的共同规律：不同来源的DNA中三维结构是有利于高溶性的磷酸基团与水的接触增加到

[A]=[T],[C]=[G]；A+G=T+C。最大限度，使碱基与水的接触减少到最小限度，从而使

不同物种组织DNA在总的碱基组成上有很大的双螺旋内部相邻碱基相互聚集，形成双螺旋，这是形成

变化，表现在A+T/G+C比值的不同，但同种生物的碱基堆集力的因素之一。在双螺旋中相邻碱基对的间隔

不同组织DNA碱基组成相同。是0.34nm,而Vanderwaals力的半径（引力和斥力正好

②RosalindFranklin和Wilkins用X-射线衍射方相平衡的距离）平均为0.17nm。vanderwaal力加强了

法获得的DNA结构资料X-射线衍射技术是一种在疏水作用力。DNA链中的大量的喋吟环和喀咤环，其累

原子水平上间接观测晶体物质的分子结构的方法（分积的vanderwaal力是相当可观的，是构成碱基堆积力

辨率IxlO'm）。利用DNA纤维晶体得到精确反映的另一个重要因素。在碱基堆集中，处于DNA中间的

DNA某些结构特征的X-射线衍射图片。碱基比两端的稳定，两端碱基越多中间的堆集力越大，

影像表明/DNA结构的螺旋周期性，碱基的空因此，DNA双链两端（3~7bp）经常绽裂（fraying）。

间取向等。某些具有单健特异性的脱氧核糖核酸酶，如BAL31,同

2.2.1.2双螺旋结构特征时又具有双链核酸外切酶的活性，大概就是由双链末端

①主链（backbone）：脱氧核糖和磷酸基通过酯键的绽裂作用造成的。

交替连接成反向平行的两条主链，它们绕一共同轴心

DNA双螺旋结构中的疏水作用力可用加入甲醇素竞争的结果。

（能增加碱基溶解度）或三氟乙酸钠（破坏碱基周围2.2.1.4DNA空间结构的不均一性

有序的水壳层）来证明。它们对磷酸-脱氧核糖骨架在DNA的一级结构中A、T、G、C四种碱基并非

均无明显影响，但能显著降低Tm值，Tm值降低的均匀分布，尽管双螺旋的构型大体相同，但沿着DNA

程度恰恰与碱基溶解度的增加成比例。用旋光色散长链各处的空间结构并不完全相同，各处双螺旋的稳定

（ORD）和圆二色性（CD）对单链DNA和RNA进行研究性有所差异，甚至在一定条件下改变了双螺旋的构象，

的结果表明，在单股多核苜酸中大部分碱基平行排列如Z型DNA。即一级结构决定高级结构。

使长链成为有规则的螺线（helix）而不是无规则线团①反向重复序列（invertedrepeats）

（randomcoil）»甚至在二核甘酸中也发现了碱基平行反复重复序列即回文序列（Palindrome）能在DNA

排列的趋势，在DNA中则更是如此。这些都表明碱或RNA中形成发夹结构，在DNA中有可能形成十字形

基堆积作用的存在。结构。这是一个需能过程，一般在DNA水平上发生这

许多结果都表明，多核甘酸倾向于有一个三维结种转变的可能性较小。较短的回文结构可能是作为一种

构以使高度溶解的磷酸基团与水保持最大的接触而特别信号，如限制性内切核酸酶的识别位点。较长的回

把碱基与水的接触减少到最低限度。这就是DNA中文序列容易转变为发夹结构，其功能目前还不完全清楚。

磷酸脱氧核糖链在外面而碱基在里面的原因。由于碱但人们已经发现，转录的终止作用与回文结构有关。发

基对间氢键的存在，双链DNA中的碱基比单链DNA夹环在tRNA的结构中也很重要，每一种tRNA都是出

中的碱些堆集程度更高。当所有碱基指向正确的方向几个发夹环组成的三叶草形结构。

时.，可达到最大的氢键键合。同样，若碱基不歪斜或②富含A/T的序列

摆动，则能提高碱基堆集作用。并且，已经堆集的碱在高等生物中，A+T与G+C的含量差不多相等。

基更易氢键键合；相应地，已被氢键定向的碱基更容然而在它们的染色体的某一区域，A.T含量可能很高。

易堆集。例如螃蟹的卫星DNA区段，A-T含量高达97%。它们

因此，两种作用力相互协同形成稳定的结构。如仅仅重复AT两个碱基，即ATATATATATAT……；大约

果一种作用力被消除，则另一种作用力大为削弱。这30个这样碱基才有时插入一个G或C（卫星DNA第九

是为何加入破坏其中一种作用力的试剂会使Tm值章讲述）。在很多有重要调节功能的DNA区段都富含

急剧降落。，的值最低，例如在复制起点的序列

③:负电荷的磷酸基的静电斥力A-T,5-TA-3,Tm

中，富含A/T序列。启动子中（原核Pribnow框和真核

DNA链上核甘酸的磷酸基上都带有一个负电TATA框，即Hogness框）富含A/T对转录起始复合物

荷，双链之间的这种强有力的静电排斥作用将驱使两形成有重要作用。又例如，生命有机体选择UAA作为

条链分开。当有盐类存在时这些带负电荷的磷酸基团最有效的终止密码子是因为在64个三联体密码子中，它

可被正离子（如Na，）所中和，即正离子在磷酸基周与反密码子（假定有的话）形成的互补产物的Tm值是

围形成的“离子云”屏蔽了磷酸基之间的静电斥力。最低的一个，即使在生理温度下也是不稳定的。在三种

在生理盐浓度（约0.2mol/L）就可产生这种屏蔽终止密码子中，UAG和UGA常会为突变型的tRNA无

作用。当离子浓度降低时，这种屏蔽作用减弱，斥力义抑制，而UAA则很少发生无义抑制也可能就是这个

增大，因而Tm值随之降低。这也是在纯蒸储水中的道理。这也就说明了为什么在肽链终止处常常会出现双

DNA在室温下就会变性的缘故。在超过生理盐浓度重终止密码子（第六章讲述）。

时，Tm值仍然随着离子强度的增加而上升，这是因③喋吟和喀咤的排列顺序对双螺旋结构稳定性的

为在高盐浓度下碱基的溶解性降低而增加了疏水作影响

用力，促进了双螺旋结构的稳定。•般制备的DNA考察十种相邻的二核甘酸对（nearest-neighbor

也总是DNA的钠盐，每个磷酸基结合一个Na*。doublets）,发现即使碱基组成相同，但噪吟和喘咤排列

证据：在用NaCl和CsCl测量DNA分子量时，顺序不同，双螺旋的稳定性则有显著差异。碱基间相互

会得到不同的数值，二者之比为0.75。因为单核甘酸作用的强度与相邻碱基间环的重迭面积成正比。总趋势：

的平均分子量为330,若是钠盐则为353,若是钠盐喋吟与喋吟之间〉噂聆与喀咤之间刃密咤与嗑咤之间。

则为467。353/467=0.75。Pyrimidine-PurineStepsHaveLittleBaseStacking

④碱基分子内能StepDefinition:GoingalongonestrandofDNAin

当由于温度等因素使碱基分子内能增加时.碱基5'toydirection

的定向排列遭受破坏，削弱碱基的氢键结合力和碱基FourPossibles:P-Y,P-P,Y-P,Y-Y

Purine-PyrimidineStepsHaveExtensiveBase

的堆集力，破坏双螺旋结构。因此，影响

DNADNAStacking

双螺旋结构状态的因素中，互补碱基间的氢键和相

例如5、GC-3,的稳定性比5JCG-3'大很多。虽然它

邻碱基的堆集力有利于DNA维持双螺旋构型，而磷们的氢键数目相同，而相邻碱基间的堆积力不同。即从

酸基的静电斥力和碱基分子的内能则不利于DNA维喋吟到喘噬的方向的碱基堆集作用显著地大于同样组成

持双螺旋构型。-种DNA分子的结构状态是四种因的啥咤到喋吟方向的碱基推集作用。这是由于喋吟环和

II密唾环间的重迭面积在不同形式的排列中不同。DNA的结构是可变的。

2.2.1.5DNA双螺旋结构是动态的在以钠、钾或钠作反离子,相对湿度为75%时,DNA

在DNA双螺旋结构中，配对碱基之间的氢键处分子的X-射线衍射图显示的是A-构象。A-构象不仅出

于连续不断的断裂和再生的动态平衡之中。现于脱水DNA中，还出现在RNA分子中的双螺旋区和

甲醛变性试验证明在DNA中各碱基上的氨基总DNA-RNA杂交分子和RNA-RNA双链中。

是形成氢键的，而甲醛只能和自由氨基起反应。甲醛B-DNA与A-DNA的比较

能和DNA的氨基起反应使DNA发生不可逆变性，DNA锂盐在相对湿度为66%,其构象为C-构象。

是因为当碱基之间氢键断裂时，甲醛才有机会与氨基这种构象仅在实验室中观察到。D构象和E构象仅适用

起反应。由于断裂的氢键又可能立即恢复，甲醛要与于缺少G-C对的DNA分子,每圈螺旋的碱基对数分别

全部氨基起反应需经过相当长的时间。配对碱基间的为8和7.5.人工组建的poly(dA)、poly(dT)仍然是B构

氢键不但处于断裂和再生的平衡状态中，氢键上的氢象，但其小沟明显变狭，这可能妨碍与组蛋白八聚体形

3

原子还能和水发生交换，可用重水(H2O)作溶剂得成核小体结构。DNA的构象是可变的，在不同的条件下

到证明。这进一步证明氢键的迅速地断裂和再生过构象不同。但这些DNA都是右手双螺旋；这些螺旋中

程。特别是在富含A-T的节段更明显，经常发生瞬都有两个螺旋沟，分为大沟与小沟，只是它们的宽窄和

间的单链泡状结构，这对于某些特殊的蛋白质与深浅程度有所不同。

DNA发生反应并阅读DNA链内部储藏的信息具有重2.2.2.2Z-DNA

要作用。Wang和Rich等在研究人工合成的d(CGCGCG)

2.2.1.6双螺旋结构的意义单晶的X-射线衍射图谱时，发现这种六聚体的构象不同

①确立了核酸作为信息分子的结构基础；于B-构象。它是左手双螺旋，在主链中各个磷酸根呈锯

②提出了碱基配对是核酸复制、遗传信息传递的齿(Zigzag)状排列，因此称Z-构象。Z-构象中的重复

基本方式；单位是二核甘酸；Z-DNA只有一个螺旋沟，它相当于B

③确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与构象中的小沟，它狭而深，大沟则不复存在。

蛋白质的关系及其在生命中的作用奠定了基础。B-DNA与Z-DNA的比较

DNA的二条链是一对互补的模板(亲本)，复制时①Z-DNA的结构特点

两条链分开，每条链都作为模板指导合成与自身互糖磷酸骨架呈"之''字形(Zigzag)走向。Z-DNA的

补的新链，最后从原有的两条链得到两对锥而完成复形成是DNA单链上出现噪吟与啼咤交替排列所成的。

制。这种排列方式会造成核苜酸的糖甘键的顺式和反式构象

在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的交替存在。

的高度保真性。复制得到的每对链中只保留了一条亲当碱基与糖构成反式结构时，它们之间离得远；而

链，称为半保留复制(semi-conservativereplication),当它们成顺式时，就彼此接近。

在满足二条健碱基互补的前提下，DNA的一级喀咤糖背键通常是反式的，而喋吟糖苗酸键既可成

结构并不受限制。这一特征能很好的阐明DNA作为顺式的也可成反式的。

遗传信息载体在生物界的普遍意义。啥咤的糖首键不能采取顺式构象，是因为啜咤的第

实验证明半保留复制是生物体遗传信息传递的2位酮基不允许顺式糖许键的存在，否则距离太近，不

最基本方式。符合立体化学原理。

2.2.2DNA二级结构的多态性在Z-DNA中喋吟碱是顺式的。因此在Z-DNA中喀

DNA结构的研究手段主要是X射线衍射技术，咤的糖汁链离开小沟向外挑出，而喋吟上的糖背键则弯

它是通过间接观测多个DNA分子有关结构参数的平向小沟。喋吟与啥咤的交替排列就使得糖首键也是顺式

均值而获得的。1953年Watson和Crick提出的DNA与反式交替排列，从而使Z-DNA主链P-G-P行经与转

右手双螺旋模型基本匕相当于B型。轴平行，而P-C-P的行经与主轴垂直而呈锯齿状或“Z”

B型是用生理盐浓度的DNA溶液抽成纤维，在字形。

92%的相对湿度下进行x光衍射测定出来的。除了B左旋。因G的糖背键呈顺式(syn),不仅使旋转方

构象外人们还发现了A构象、C构象、D构象和E向发生改变。而且使G残基位于分子表面。

构象等右手双螺旋构象以及左手双螺旋的Z构象。分子外形呈波形。这是由于碱基对向螺旋的外表面

2.2.2.1A-DNA和B-DNA前移，中轴不再像B-DNA位于碱基对，而移向小沟。

B-构象最常见的DNA构象，大量的工作证明了虽然Z-DHA左手双螺旋-周有12个碱基对，但形

在溶液中的DNA确实是采取B构象。细胞中含有大式上只有6个重复单位，每个重复单位是两个碱基对。

量的水分，据信细胞DNA也是主要采取B构象。然Z-DNA与B-DNA连接处的结构，韩国人发表在

而，细胞并不是均一的溶液，而且细胞中的DNA常2005年10月20日《nature》上。

常与蛋白质紧密结合，在某些区域发生构象上的改变②Z-DNA存在的条件

是完全有可能的。DNA分子中存在有Z-DNA区。而且有一些因素可

以促使B-DNA转变为Z-DNA。

在高盐的条件下:NaCl的浓度超过2mol/L,DNA螺旋上沟的特征在信息表达中的作用：

MgCl2的浓度要超过O.7mol/Lo调控蛋白通过特定的氨基酸侧链与DNA双螺旋沟

噪吟-嘴咤相间排列：polyd(GC)n。在一定的条中碱基的氢原子供体或受体形成氢键，从而识别DNA

件下polyd(AC)n甚至d(AT)n以及更为复杂的排列上的遗传信息。沟的宽窄和深浅直接影响到调控蛋白质

如CGCATGCG也可形成Z-DNA,现在认为在适当对DNA信息的识别。Z-DNA中大沟消失，小沟狭而深，

的离子存在条件下，任何不少于6个bp的喋吟-喀咤使调控蛋白识别方式也发生变化。Z-DNA中出现的喋吟

交替排列顺序都能形成Z-DNAo在活细胞中如果胞一味嗑交替排列，是在进化中对DNA序列与结构不断

口密咤被甲基化的(n^C)则无需喋吟-喀嚏相间排列，调整与筛选的结果，可能有其内在而深刻的含意。DNA

在生理盐水的浓度下就可产生Z型。构象的可变性，即DNA二级结构的多态性的发现拓宽

如：m5CGATG了人们的视野。生物体中最为稳定的遗传物质也可以采

Gm5CTAm5C用不同的姿态来实现其丰富多采的生物的奥妙。利用X-

1981年Behe发现这是由于甲基伸向大沟含水的射线衍射技术时的样品分析条件与被测DNA分子的天

环境中，周围局部形成疏水区，这一区域扩伸到然状态相差甚远。因此，在反映DNA结构真实性方面

B-DNA的大沟中，使B-DNA不稳定而转变为这种方法存在着缺陷。1989年，应用扫描隧道显微镜

Z-DNA。这种m5c现象在真核生物中是常见的。(STM)研究DNA结构克服了X-射线衍射技术的缺陷(分

用Z-DNA抗体实验表明果蝇的X染体中就存在辨率IxlO-1%)。STM可将被测物放大500万倍，且

Z-DNAoZ-DNA具有很强的免疫原性而B-DNA没能直接观测接近天然条件下单个DNA分子的结构细节。

有，若将1/3以上的鸟嚓吟的C8澳化，则能使Polyd它所取得的DNA结构资料更具有“权威性”。STM证实

(G-C)稳定于Z构象。因为用较大的浪原子取代了C8了d(CG)重复序列的寡核昔酸片段为Z-DNA结构的事

上的氢原子，稳定了鸟喋吟糖甘键的顺式构象。将溟实。

化的Polyd(G-C)用来免疫兔子或小鼠即可产生高浓STM技术的应用是DNA结构研究中的重要进展。

度的Z-DNA抗体。在体内有多胺化合物的存在，如RNA-RNA双链和RNA-DNA杂交分子一般采取A

精胺、亚胺和亚精胺，它们和阳离子一样，可和磷酸构象而不是B构象,原因在于RNA的核糖2-0H的存在

基团结合，减少负电荷的排斥作用，使B-DNA转变使之不能适应B构象，否则它将与相邻的磷酸、核糖和

成Z-DNA,某些蛋白质如Z-DNA结合蛋白带有正电碱基上的若干原子靠得太近而造成不稳定状态。

荷，与DNA结合可使DNA周围形成局部的高盐浓2.2.2.3DNA构象家族

度微环境，这也是在活细胞中形成Z-DNA的原因之A-DNA、B-DNA和Z-DNA都不是只代表单一的构

-O在体内负超螺旋的存在也是Z-DNA形成的条件象，而是代表了一组相关的构象。这样一组相关的构象

之一。抗体结合实验表明，将polyd(G-C)插入到质粒可以称为构象家族(confbrmationalfamily)。

中，当质粒处于松弛状态时不能和Z-DNA抗体结合。随着DNA分析技术IIIDNA纤维的x光衍射发展到

因此在生物B-DNA中某些区段具有Z-DNA构单晶DNA的x光衍射,能够探知DNA构象的局部变化。

象是可能的。DNA是一个构象可变的动态分子。用DNA纤维进行x光衍射得出的数据只能代表一组构

③Z-DNA的生物学意义象的平均值。用DNA单晶进行x光衍射，得出的构象

Z-DNA的形成通常在热力学上是不利的。因为家族的平均值也差不多，但这些数值的变化范围却很大,

Z-DNA中带负电荷的磷酸根距离太近了，这会产物例如每个碱基对的螺旋扭角对于B-DNA为28°~42°，

静电排斥。但DNA链的局部不稳定区的存在就成为对于A-DNA为16°~44°，这样的变化范围其原因在于

潜在的解链位点。DNA解螺旋却是DNA复制和转录一个碱基对中两个碱基的螺旋桨扭转效应(Propeller

等过程中必要的环节，因此认为这一结构位点与基因twist),而在对DNA纤维进行X光衍射的研究中基本上

调节有关。忽视了螺旋桨效应。螺旋桨扭转是一个碱基对中的两个

可能提供某些调节蛋白的识别。啮齿类动物病毒碱基并不处于同一平面中，而是两个碱基平面相对碱基

的复制起始部位有d(GO有交替顺序的存在。在的长轴各自向着相反的方向扭转。若沿着碱基对的长轴

SV40的增强子中有3段8bp的Z-DNA存在，若将其观察，靠近的一个碱基总是顺时针方向扭转。这样，螺

中2个Z-DNA片段除去，再接到B-珠蛋白基因上表旋桨扭角也总是定义为正值。A-DNA为15°,B-DNA

达，则增强子失去活性。当将野生型SV40的Z-DNA为12。，个别情况下可以低至3°,高至25°。螺旋桨

中“T”和"C”转换成“C”、“T”时,不影响突变体的活性,扭转效应的后果一方面改善了同一条主链中相邻碱基之

但喀咤转换成噂吟时，由于破坏了喋吟-喀咤的相间间的堆集作用，使相邻碱基之间的重叠面积增大；另一

排列，而使Z-DNA难以形成而SV40也失活。方面又导致了相邻碱基对中但位于两条主链上的喋吟环

另一个例子是原生动物纤毛虫，它有大、小两个的过份接近，产生了构象上的不稳定状态。

核，大核有转录活性，小核和繁殖有关。大、小两核由于喋吟环是双环，它的长度接近或超过螺旋轴心，

的DNA序列相同，而以荧光标记的Z-DNA抗体显而每个碱基对的螺旋浆扭转又均为正值，这必然引起两

示仅和大核DNA结合，而不和小核的DNA结合，条链上位于相邻碱基对中的喋吟环之间的挤压。随着

说明大核DNA有Z-DNA的存在，可能和转录有关。

DNA的碱基序列不同，喋吟环的挤压状况也不同。盐、钠盐等，则会引起构象的变化，形成A-DNA、C-DNA

当相邻二核甘酸对为噂吟』密噬顺序时，挤压发生在等构象。

大沟一仰］;当相邻二核甘酸对为啥咤-喋吟顺序时，有机溶剂的影响：用乙醇沉淀DNA时可将DNA由

挤压发生在小沟一但IJ,且小沟挤压状况更为严重。B-DNA经C-DNA转变为A-DNA。

当然可以通过压缩相邻二核甘酸对中一个碱基盐浓度的影响：高浓度盐溶液(4mol/L)会使B-DNA

对或两个碱基对的螺旋桨扭转来解决这种构型上的部分变构为Z-DNAo

危机。但在实际的空间构象采取其他两种方式则更容碱基序列的影响：人工合成的CGCGCG序列的高

易些。盐溶液中为Z-DNA构象；含(TC)n和(AG)n的同型喀咤

方式一：增加挤压部位的碱基对平面转角(简称和同型喋吟，并形成镜像重复的序列，在低pH值条件

碱基转角，baserollangle).尽管碱基对的两个碱基下，可形成分子内的三链DNA(H-DNA)。

平面之间有螺旋浆扭转，但把碱基对看成一个整体，在双螺旋结构中的碱基对中，由于Pu是双环结构大

通过碱基对的长轴取两个碱基平面之间的平均平面于Py的单环,因此在碱基对中会伸过中点突出到对方一

作为碱基对的平面。两个相邻碱基对平面之间的夹角侧，增加了碱基的堆积程度，也使官能团发生挤压，这

就称为碱基转角。种挤压随碱基序列发生变化。

如果这一夹角张开于小沟方向，碱基转角定义为双螺旋结构通过局部调整来缓解这种效应，这些变

正值，如果这一夹角张开于大沟方向，则碱基转角定化使DNA形成了精细的结构，它正是DNA发挥功能时

义为负值。相应蛋白因子与靶位点作专一性识别和结合的标志。

当发生大沟挤压时，则碱基转角向着大沟张开，2.2.3核酸的变性和复性

其负值增加。当发生小沟挤压时，则碱基转角向着小变性和复性是双链核酸分子的重要物理特性。双倍

沟张开，其正值增加，而且其增加的数值大约是大沟DNA.RNA双链区、DNA与RNA杂种双链(hybridduplex)

挤压时负值增加的两倍。以及其它异源双链核酸分子(heteroduplex)都具有此性

方法二：是减少螺旋扭角(heliealtwistangle)。不质。

管是大沟挤压还是小沟挤压结果都降低螺旋扭角，只2.2.3.1DNA的变性(denaturation)

是小沟挤压引起螺旋扭角降低的数值是大沟挤压的变性是DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规

两倍。根据Calladine的计算方法，可以比较精确地则线性结构的现象。即维持双螺旋稳定性的氢键和疏水

预测两种右手双螺旋结构的碱基转角，螺旋扭角及螺键的断裂。变性不涉及到其一级结构的改变。

旋桨扭角本身这些重要的螺旋参数。这些参数的预测破坏双螺旋稳定性的因素都可使DNA变性：DNA

值和实际测量值相当吻合。分子中的碱基处于配对和不配对的动态平衡状态，很多

DNA不同构象形成的原因？因素会引起它向不配对方向转变，即引起DNA变性。

2.2.2.4三链DNA(H-DNA)测量变性的方法有分光光度法、流体力学法、量热

含(TC)n和(AG)n这样的同型口密咤和同型噂吟，法、极谱法、旋光色散法、圆二色性法和层析法等。使

并形成镜像重复或回文结构的序列，在低pH值条件用最广泛的方法是紫外光吸收法(260nm)。

下，双链DNA拆开后产生的多聚喀咤链回折，并嵌加热：高温(>70℃)可破坏碱基间的氢键。然而

入剩下的双琏DNA大沟中形成分子内的三链DNA高温可能引起磷酸二酯键的断裂。

(hingedDNA,H-DNA).三链DNA的第三股链可来离子强度：提高溶液的离子强度，可中和DNA分

自分子内或分子外。三链DNA中，位于大沟中的多子链上磷酸基团的负电荷，降低它们之间的排斥力，稳

聚喋吟链与双链DNA中的多聚噂吟链成平行走向，定DNA的结构。

碱基按照Hoogsteen方式配对形成TAT,CGC三联体。极端的pH值：pH<1时，DNA的磷酸二醋键会被

作用：与基因表达有关，第三股链可能阻碍一些水解；pH>11.3时，DNA的所有氢键断裂变成单链的

调控蛋白或RNA聚合酶与DNA结合；干扰转录延变性DNA。在制备单链DNA时，优先采取碱变性。要

伸；反义DNA。维持单链状态，或者保持pH大于11.3,或者盐浓度低

鸟甘酸四聚体:四螺旋结构存在于端粒中，DNA于0.01mol/L。在这样低盐浓度时，由于磷酸基的静电

分子或染色体分子可能彼此连接形成局部的四螺旋斥力，可以配对的碱基无法相互靠近，碱基堆集作用也

结构，可能起着稳定染色体和在复制过程中保持其完仍然保持在最低水平。

整性的作用。疏水作用：甲醇可增加碱基的溶解度，三氟醋酸钠

2.2.2.5影响多态性的因素可降低DNA分了的疏水作用，破坏双螺旋结构引起变

产生多态性的原因是由于多核甘酸链的骨架含性。

有许多可转动的单键，从而使糖环可采取不同的折叠尿素及甲酰胺：它们可与碱基间形成氢键。

形式和背键采取不同构象。碱基堆积：氢键和碱基堆积是一致的，碱基堆积是

湿度和盐离子的影响：在溶液或细胞中的天然一种协同作用，处于中间的碱基比两边的碱基稳定，线

DNA大多数为B-DNA,但改变湿度或由钠盐变为钾状双链DNA分子的两端常有7个未配对的碱基，因此

少于15bp的双链DNA片段极不稳定。变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分

变性导致DNA一些理化及生物学性质改变：变恢复到天然双螺旋结构的过程。

性DNA溶液粘度降低：DNA双螺旋是紧密的“刚性”已经变性的DNA需要下列条件才能复性：

结构，变性后变成“柔软”而松散的无规则单股线性①有足够的盐浓度以消除磷酸基的静