第一章 核酸的结构与性质

扭转数是指DNA分子的双螺旋的数目；而缠绕数是指DNA分 子中超螺旋的个数。扭转数和缠绕数之和就是链环数。
Lk＝Tw＋Wr
在共价闭合环状DNA分子（covalently closed circular DNA，cccDNA）中，扭转数和缠绕数是可以相互转换的。在 不破坏任何共价键的情况下，部分扭转数可以转变为缠绕数， 或者部分缠绕数转变为扭转数。唯一不变的是扭转数与链环数 的和，即链环数。
Wilkins和Rosalind Franklin终于获得了高质量的X－射线衍 射照片。衍射图谱显示DNA具有规则的螺旋形式。1953年 Watson和Crick根据DNA分子的理化分析及X－射线衍射一模型，双螺旋的两条反向平行的多核苷酸链绕同 一中心轴相缠绕，形成右手螺旋，一条是5’→3’，另一条 3’→5’。磷酸与脱氧核糖彼此通过3’、5’-磷酸二酯键相连接， 构成DNA分子的骨架。磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，嘌呤 与嘧啶碱位于双螺旋的内侧。碱基平面与纵轴垂直 (perpendicular to the helix axis)，糖环平面与纵轴平行。
细胞内DNA分子形成超螺旋的意义是什么？负超螺旋含有 自有能，可以为打开双螺旋提供能量，使双链的解离过程得以 顺利进行。因而，有利于转录和复制。
目前仅在生活在极端高温环境（如温泉）中的嗜热微生物中 发现了正超螺旋DNA。在这种情况下，正超螺旋提供能量， 阻止DNA在高温中发生变性。正超螺旋是过旋的，因而嗜热 微生物DNA双链打开就比一般生物呈负超螺旋的DNA需要更 多的能量。
每圈螺旋含10个核苷酸，碱基堆积距离0.34nm，双螺旋 平均直径2nm。DNA的两条单链彼此缠绕时，沿着双螺旋 的走向形成两个交替分布的凹槽，一个较宽较深的凹槽，称 为大沟（major groove)，另一个较窄较浅的为小沟 （minor groove）。
每个碱基对的边缘都暴露于大沟、小沟中。在大沟中，每一碱 基对边缘的化学基团都有自身独特的分布模式。因此，蛋白质 可以根据大沟中的化学基团的排列方式准确地区分A ∶ T碱基对、 T ∶ A碱基对、G ∶ C碱基对与C ∶ G碱基对。这种区分非常重 要，使得蛋白质无需解开双螺旋就可以识别DNA序列。
第二节 DNA 超螺旋（DNA Supercoil）
一、超螺旋DNA 许多病毒DNA以及所有的细菌DNA都是环状分子。环状
DNA也出现在真核生物的线粒体和叶绿体中。闭合环状DNA 分子没有自由的末端。
从细胞中分离出来的环状DNA分子，例如SV40的环形DNA 分子，如果在DNA链上没有断裂，呈超螺旋结构。超螺旋 DNA是DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构。 超螺旋是有方向的，左旋的超螺旋称为正超螺旋，右旋的超螺 旋称为负超螺旋。
Phosphate ester bonds
Deoxynucleotides (containing deoxyribose)
Ribonucleotides (containing ribose)
核苷酸依次以磷酸二酯键相连形成多核苷酸链 (polynucleotide)，即一个核苷酸的脱氧核糖上的3’－羟基 与另一核苷酸上的5’－磷酸基形成磷酸二酯键 (phosphodiester)。也就是一个核苷的3’－羟基和另一核 苷的5’－羟基与同一个磷酸分子形成两个酯键。核苷酸链的 一个末端有一个游离的5’基团，另一端的核苷酸有一游离的3’ 基团。人们习惯于从5’→3’方向书写核苷酸系列，即从左侧 的5’端到右侧的3’端书写
Example: If sequence 5’-ATGTC-3’ on one chain, the opposite chain must have the complementary sequence 3’-TACAG-5’
从图可以看出，氢键对于碱基配对的特异性也非常重要。设 想我们试着使腺嘌呤和胞嘧啶配对，这样一个氢键受体（腺嘌 呤的N1）对着另一氢键受体（胞嘧啶的N3）。同样，两个氢 键供体，腺嘌呤的C6和胞嘧啶的C4上的氨基基团也彼此相对， 所以，A∶C碱基配对是不稳定的，碱基对无法形成氢键。
但是，如果把上述线型DNA分子的一端沿着双螺旋的方 向拧紧两圈，再连接成环，则会形成两个正超螺旋。
当DNA是一个闭合环形分子或DNA被蛋白质所固定，使两 链不能自由旋转时才能保持螺旋不足状态，如果在闭合环形 DNA的一条链上有一个切口，切点上的DNA链自由旋转，就 可使DNA分子由超螺旋状态恢复成松弛状态。一个DNA分子 的螺旋状态可以用扭转数、缠绕数和连环数来精确描述。
第一节 DNA的结构
一、DNA的化学组成 DNA的组成单位是脱氧核苷酸（nucleotide）。核苷酸有
三个组成成分：一个磷酸基团(phosphate)，一个2’-脱氧核 糖（2’-deoxyribose）和一个碱基(base)。之所以叫做2’-脱 氧核糖是因为戊糖的第二位碳原子没有羟基，而是两个氢。为 了区别于碱基上原子的位置，核糖上原子的位置在右上角都标 以“ ’ ”。
尽管三股螺旋的形成受到的限制比双螺旋多，然而计算机搜 索发现在天然的DNA分子中能够形成H-DNA的潜在序列比 预期的要多，并且不是随机分布。例如 (CT/AG)n出现在许多 基因的启动子、重组热点和复制起点中。如果删除启动子中的 (CT/AG)n，或者使其发生突变都会降低基因的表达，说明具 有某种生物学功能。
为了说明超螺旋的方向，以一段由250碱基对组成的线形B 型DNA为例来加以讨论。这段DNA的螺旋数应为25 （250/10=25）。当将此线形DNA连接成环形时，此环形 DNA称为松弛型DNA（relaxed DNA）。但是若将线形 DNA的螺旋先拧松两周再连接成环形，这时闭合环形DNA两 条链的互相缠绕次数比所预期的B型结构螺旋数要少,或者说是 螺旋不足(underwinding) 。
2、脱氧核苷 (deoxynucleosides)
嘌呤的N9和嘧啶的N1通过糖苷键与脱氧核糖 结合形成核苷，分别称为2’－脱氧腺苷，2’－脱 氧胸苷等。
3、脱氧核苷酸(Nucleotides)
磷酸基团通过酯键(ester)与2’－脱氧核糖的5’－碳 原子相连形成脱氧核糖核苷酸。
核苷中戊糖C2 、C3、C5羟基被磷酸酯化 。
双螺旋，它是以从生理盐溶液中抽出的DNA纤维在 92%相对湿度下进行X－射线衍射图谱为依据进行推 测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳 定的结构。然而以后的研究表明DNA的结构是动态 的。
在相对湿度较低时，DNA分子的X－射线衍射图给 出的是A构象，A型DNA的直径是2.6nm，每圈螺旋 含11个碱基对，螺距3.2 nm。而且，A型DNA大沟 变窄、变深，小沟变宽、变浅。由于大沟、小沟是 DNA行使功能时蛋白质的识别位点，所以由B－ DNA变为A－DNA后，蛋白质对DNA分子的识别也 发生了相应变化。RNA和DNA-RNA杂合体会形成A －型双螺旋。
AATTCAAGGGAGAAGTATAGAAGAGGGAAGGATC TTAAGTTCCCTCT TCATATCT TCTCCCTTCCTAG
在形成三股螺旋时，会有一条多聚嘌呤核苷酸被置换出来，保 持单链状态。另外，在形成CGC三碱基对时，胞嘧啶和鸟嘌呤 的Hoogsteen配对要求胞嘧啶的N3质子化，因此三股螺旋易 于在酸性条件下形成。负超螺旋也有利于H-DNA的形成。
两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢键结合在一起，形成碱基 对。位于两条DNA单链中的碱基配对是高度特异的：腺嘌呤只 与胸腺嘧啶配对，而鸟嘌呤只与胞嘧啶配对，结果是双螺旋的 两条链的碱基序列有互补关系(complementary)，其中任何一 条链的序列都严格决定了其对应链的序列。碱基对杂环之间的 相互作用称为碱基堆积（base stacking），可增加双螺旋的 稳定性。
超螺旋的程度可以用超螺旋密度（superhelical density） 来衡量，用σ表示，定义为
σ＝△Lk/ Lk0 其中△ Lk表示与松弛闭合环状分子（Lk0）相比，Lk发生 的变化，用Lk－Lk0表示。从细胞中分离出来的DNA分子通
常是负超螺旋，σ约为－0.06。
Supercoiling
1、碱基
构成DNA的碱基可以分为两类，嘌呤（purine）和嘧啶 （pyrimidine）。嘌呤为双环结构(Bicyclic)，包括腺嘌呤 (adenine)和鸟嘌呤(guanine)，这两种嘌呤有着相同的基本 结构，只是附着的基团不同。而嘧啶为单环结构 (monocyclic)，包括胞嘧啶(cytosine)和胸腺嘧啶 (thymine)，它们同样有着相同的基本结构。我们可以用数 字表示嘌呤和嘧啶环上的原子位置。
目前仍然不清楚Z型DNA究竟具有何种生物学功能。但实验 证明，天然B型DNA的局部区域可以出现Z型DNA的结构，说 明B型DNA与Z型DNA之间是可以互相转变的，并处于某种平 衡状态，一旦破坏这种平衡，基因表达可能失控，所以推测Z 型DNA可能和基因表达的调控有关。
3. H-DNA
H-DNA是一种三股螺旋。能够形成三股螺旋的DNA序列呈 镜像对称，并且一条链为多聚嘌呤链，另一条链为多聚嘧啶链， 例如(CT/AG)n。H-DNA的三股螺旋中的一条链为多聚嘌呤核 苷酸，它与一条多聚嘧啶核苷酸链形成双螺旋，另一条多聚嘧 啶链与多聚嘌呤核苷酸同向平衡，嵌入到双螺旋的大沟之中。 第三股链的碱基与标准碱基对的嘌呤碱形成Hoogsteen配对。
二、 DNA double helix
生物化学家Erwin Chargaff用纸层析技术分析了DNA的核 苷酸组成。1949年，他发现所有不同来源的DNA样品中，腺 嘌呤的数目与胸腺嘧啶的数目相等，而鸟嘌呤的数目与胞嘧啶 的数目相等。人们还采用X－光衍射技术（X－ray diffraction）对DNA的结构进行研究。通过这项技术可以获 得关于大分子各部分的排列和大小方面的信息。上世纪五十年 代初，Maurice
(under condition of dehydration)