DNA分子结构的研究进展（学术论文）

DNA分子结构的研究进展生物工程二班 司送霞 20093957DNA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。1DNA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。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。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+WL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- 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。 该结构新颖特点是这两条链的嘌呤和嘧啶碱基连接在一起的方式。碱基的平面垂直于纵轴。碱基配对，一条链的碱基和另一条链的碱基以氢键连接，因此两个碱基能够完全一致吻合，为了氢键的生成一对碱基中必须是一个是嘌呤另一个是嘧啶，碱基是如下生成的：嘌呤的1位置和嘧啶的1位置，嘌呤的6位置和嘧啶的6位置。假设碱基仅发生在最合理的同一结构形式（即与酮，而不是烯醇的配置）发现只有特殊的配对碱基能够以氢键连接。这些对是：腺嘌呤（嘌呤）与胸腺嘧啶（嘧啶）和鸟嘌呤与胞嘧啶（pyrimrdine）（嘌呤）。 换句话说，如果一个腺嘌呤成为一个对的成员，然后在这些假设的任一链的其他成员必须是胸腺嘧啶，类似于鸟嘌呤和胞嘧啶。关于单链碱基序列似乎没有受到任何限制。但是，如果已知一条链上特定的碱基序列，那么另一条链与之相对应的碱基序列也就可以知道了。据实验发现，对脱氧核糖核酸基团而言，腺嘌呤和胸腺嘧啶的比例，鸟嘌呤和胞嘧啶的比例，总是非常接近。 如果将脱氧核糖换成核糖的话，这几乎是不可能的去建立这种结构，因为多余的氧原子会做出过于接近一万德瓦尔接触。 先前公布的X射线脱氧核糖核酸数据对于我们的结构严格的检测是不充足的。到目前为止，我们可以说，它是大致和实验数据相一致的，但是必须不能把它当成证据直到核实到更精确的结果。在下列论文中一些已经给出，当我们发现此种结构是我们并未意识到结果的细节代表什么，这虽然不是主要的结果完全公布实验数据和立体化学参数。 我们还注意到，具体的配对，我们立即提出一个假设的遗传物质可能的复制机制。 全部细节的结构，包括建立它的假设条件，包括纵轴上一系列原子，将另文发表。 我们非常感激Dr.Jerry Donohue时常的建议和批评，尤其是在原子间的距离。我们也被知识渊博的没有发表实验结果和想法的Dr.M.H.F.Wilkins,Dr.R.E.Frankline和他们在伦敦皇家学院的同事们，我们其中一人已被资助奖学金从全国基金会的小儿麻痹 5