DNA双螺旋

一种核酸的构象

DNA双螺旋（外文名DNA double helix）指的是一种核酸的构象，在该构象中，两条反向平行的多核苷酸链相互缠绕形成一个右手的双螺旋结构。

简介

DNA双螺旋的碱基位于双螺旋内侧，磷酸与糖基在外侧，通过磷酸二酯键相连，形成核酸的骨架。碱基平面与假想的中心轴垂直，糖环平面则与轴平行，两条链皆为右手螺旋。双螺旋的直径为2nm，碱基堆积距离为0.34nm，两核苷酸之间的夹角是36゜，每对螺旋由10对碱基组成，碱基按A-T，G-C配对互补A〢T,G〣C，彼此以氢键相联系。维持DNA双螺旋结构的稳定的力主要是碱基堆积力。双螺旋表面有两条宽窄`深浅不一的一个大沟和一个小沟。

大沟（major groove）和小沟（minor groove）:绕B-DNA双螺旋表面上出现的螺旋槽（沟），宽的沟称为大沟，窄沟称为小沟。大沟，小沟都、是由于碱基对堆积和糖-磷酸骨架扭转造成的。

DNA超螺旋（DNAsupercoiling）:DNA本身的卷曲一般是DNA双`螺旋的弯曲欠旋（负超螺旋）或过旋（正超螺旋）的结果。

发现

1953年4月25日，克里克和沃森在英国杂志《自然》上公开了他们的DNA模型。经过在剑桥大学的深入学习后，两人将DNA的结构描述为双螺旋，在双螺旋的两部分之间，由四种化学物质组成的碱基对扁平环连结着。他们谦逊地暗示说，遗传物质可能就是通过它来复制的。这一设想的意味是令人震惊的：DNA恰恰就是传承生命的遗传模板。

1953年沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋结构模型，他们构造出一个右手性的双螺旋结构。当碱基排列呈现这种结构时分子能量处于最低状态。沃森后来撰写的《双螺旋：发现DNA结构的故事》（科学出版社1984年出版过中文译本）中，有多张DNA结构图，全部是右手性的。这种双螺旋展示的是DNA分子的二级结构。那么在DNA的二级结构中是否只有右手性呢？回答是否定的。虽然多数DNA分子是右手性的，如A-DNA、B-DNA（活性最高的构象）和C-DNA都是右手性的，但1979年Rich提出一种局部上具有左手性的Z-DNA结构。左手螺旋并非只是双螺旋的补充，它在自然界是存在的，左手螺旋大概与病变有一定关系，而且左手螺旋与右手螺旋是会发生互变的。21世纪是信息时代或者生命信息的时代，仅北京就有多处立起了DNA双螺旋的建筑雕塑，其中北京大学后湖北大生命科学院的一个研究所门前立有一个巨大的双螺旋模型。人们容易把它想象为DNA模型，其实是不对的，因为雕塑是左旋的，整体具有左手性。就算Z-DNA可以有左手性，也只能是局部的。因此，雕塑造形整体为一左手性的双螺旋是不恰当的，至少用它暗示DNA的一般结构是错误的。

科学家首次直接拍摄到DNA双螺旋结构

意大利热那亚大学(UniversitàdegliStudidiGenova)的纳米材料系负责人恩佐-迪-法布里奇奥和他的研究团队成功拍摄到了之前只能通过X射线结晶衍射技术间接观察到的双螺旋结构照片。该研究发表于最新一期《Nano Letters》上。

DNA的脆弱性意味着电子能量能够摧毁这种单链，因此这种螺旋结构只能够通过DNA“绳索”进行观察，这些细小的遗传物质绳索是由几条缠绕的绳索组成的。电子束能够辨认出这种DNA绳索。

研究人员称，借助改善后的样本处理方法和更好的图像分辨率，我们能够直接观察到DNA的单一碱基。能够直接拍摄DNA的能力意味着不能通过衍射技术观察到的详细信息很快将能够有助于科学研究。遗传学家也将能够使用这项技术来观察DNA与其它物质之间的交互作用。

模型

DNA分子双螺旋结构积塑模型是一种采用优质彩色塑料原料制造的生物遗传物质脱氧核糖核酸(DNA)分子的装配式结构模型。本模型利用具有特殊形状结构的红、黄、蓝、绿四种色球(分别代表A、T、G、C四种核苷)和棕棒(代表磷酸P)五种零件，不仅可装配成具有双螺旋空间结构的DNA分子链，而且还可以直观地表达出DNA分子链的自我复制功能。这套模型可用来做分子生物学的教具，也可做中小学生的课外科学模型玩具。

一套DNA分子双螺旋结构积塑模型，其特征是：

a．这套DNA分子双螺旋积塑模型由红、黄、兰、绿四种优质塑料色球（分别代表A、T、G、C四种核苷）和一种优质棕色塑料色棒（代表磷酸P）共五种零件所组成。

b．红球和黄球直径φ18，各带有一个直径φ10的白色圆柱形突出物，在红球的白色圆柱上开有一个直径φ6的圆孔，圆孔内部前后各突起一个直径φ3的半圆形凸起物，在黄球的白色圆柱上伸出一直径φ6的圆棒，圆棒前后各开有一个直径φ3的半圆形凹槽，红球和黄球的结合，即A与T的结合，可通过φ6圆棒插入φ6圆孔来实现。

c．蓝球和绿球直径也是φ18，也各带有一个直径φ10的白色圆柱形突出物，在兰球的白色圆柱上开有一个直径φ6的圆孔，圆孔内部沿圆周对称地突起三个直径φ3的半圆形凸起物，在绿球的白色圆柱上伸出一φ6圆棒，在圆棒周围对称地开有三个直径φ3的半圆形凹槽，兰球和绿球的结合，即G和C的结合，可通过φ6圆棒插入φ6圆孔来实现。

d．每个色球除带有一个白色圆柱形突出物外，还各开有二个直径φ6的圆孔，它们的位置一上一下、一左一右，分别对称地绕水平和垂直轴线旋转36角。利用直径φ6的棕棒插入二个色球相对着的二个φ6圆孔，可将任意二个色球连接起来，从而可组成DNA单股螺旋链，所开φ6圆孔的角度，可保证每一螺旋上有10个色球，

e．每一对配对色球上的一个φ3半圆形凸起物和一个φ3半圆形凹槽代表一个氢（H）键，由于A、T和G、C色球上φ3半圆形凸起物和半圆形凹槽数目不同（一为2，一为3），角度不同，因此A球只能与T球结合，G球只能与C球结合，A与C、G与T球之间不能结合（不能插入），从而可实现A－T、G－C之间的严格配对关系，利用这种配对关系，可组成互补配对的DNA双螺旋链，并导致DNA分子具有自我复制的功能。（其中A、T、C、G 均为碱基；A：腺嘌呤；T：胸腺嘧啶；C：胞嘧啶；G：鸟嘌呤。当T转录时，变为U：尿嘧啶）。

发展

20世纪40年代末和50年代初，在DNA被确认为遗传物质之后，生物学家们不得不面临着一个难题：DNA应该有什么样的结构，才能担当遗传的重任？它必须能够携带遗传信息，能够自我复制传递遗传信息，能够让遗传信息得到表达以控制细胞活动，并且能够突变并保留突变。这4点，缺一不可，如何建构一个DNA分子模型解释这一切？

当时主要有三个实验室几乎同时在研究DNA分子模型。第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯、弗兰克林实验室，他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转，根据得到的衍射图像，可以推测分子大致的结构和形状。第二个实验室是加州理工学院的大化学家莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)实验室。在此之前，鲍林已发现了蛋白质的a螺旋结构。第三个则是个非正式的研究小组，事实上他们可说是不务正业。23岁的年轻的遗传学家沃森于1951年从美国到剑桥大学做博士后时，虽然其真实意图是要研究DNA分子结构，挂着的课题项目却是研究烟草花叶病毒。比他年长12岁的克里克当时正在做博士论文，论文题目是“多肽和蛋白质：X射线研究”。沃森说服与他分享同一个办公室的克里克一起研究DNA分子模型，他需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识。他们从1951年10月开始拼凑模型，几经尝试，终于在1953年3月获得了正确的模型。关于这三个实验室如何明争暗斗，互相竞争，由于沃森一本风靡全球的自传《双螺旋》而广为人知。值得探讨的一个问题是：为什么沃森和克里克既不像威尔金斯和弗兰克林那样拥有第一手的实验资料，又不像鲍林那样有建构分子模型的丰富经验(他们两个人都是第一次建构分子模型)，却能在这场竞赛中获胜？

这些人中，除了沃森，都不是遗传学家，而是物理学家或化学家。威尔金斯虽然在1950年最早研究DNA的晶体结构，当时却对DNA究竟在细胞中干什么一无所知，在1951年才觉得DNA可能参与了核蛋白所控制的遗传。弗兰克林也不了解DNA在生物细胞中的重要性。鲍林研究DNA分子，则纯属偶然。他在1951年11月的《美国化学学会杂志》上看到一篇核酸结构的论文，觉得荒唐可笑，为了反驳这篇论文，才着手建立DNA分子模型。他是把DNA分子当作化合物，而不是遗传物质来研究的。这两个研究小组完全根据晶体衍射图建构模型，鲍林甚至根据的是30年代拍摄的模糊不清的衍射照片。不理解DNA的生物学功能，单纯根据晶体衍射图，有太多的可能性供选择，是很难得出正确的模型的。

沃森在1951年到剑桥之前，曾经做过用同位素标记追踪噬菌体DNA的实验，坚信DNA就是遗传物质。据他的回忆，他到剑桥后发现克里克也是“知道DNA比蛋白质更为重要的人”。但是按克里克本人的说法，他当时对DNA所知不多，并未觉得它在遗传上比蛋白质更重要，只是认为DNA作为与核蛋白结合的物质，值得研究。对一名研究生来说，确定一种未知分子的结构，就是一个值得一试的课题。在确信了DNA是遗传物质之后，还必须理解遗传物质需要什么样的性质才能发挥基因的功能。像克里克和威尔金斯，沃森后来也强调薛定谔的《生命是什么？》一书对他的重要影响，他甚至说他在芝加哥大学时读了这本书之后，就立志要破解基因的奥秘。如果这是真的，我们就很难明白，为什么沃森向印第安那大学申请研究生时，申请的是鸟类学。由于印第安那大学动物系没有鸟类学专业，在系主任的建议下，沃森才转而从事遗传学研究。当时大遗传学家赫尔曼·缪勒(Hermann Muller)恰好正在印第安那大学任教授，沃森不仅上过缪勒关于“突变和基因”的课(分数得A)，而且考虑过要当他的研究生。但觉得缪勒研究的果蝇在遗传学上已过了辉煌时期，才改拜研究噬菌体遗传的萨尔瓦多·卢里亚(Salvador Luria)为师。但是，缪勒关于遗传物质必须具有自催化、异催化和突变三重性的观念，想必对沃森有深刻的影响。正是因为沃森和克里克坚信DNA是遗传物质，并且理解遗传物质应该有什么样的特性，才能根据如此少的数据，做出如此重大的发现。

他们根据的数据仅有三条：第一条是当时已广为人知的，即DNA由6种小分子组成：脱氧核糖，磷酸和4种碱基(A、G、T、C)，由这些小分子组成了4种核苷酸，这4种核苷酸组成了DNA。第二条证据是最新的，弗兰克林得到的衍射照片表明，DNA是由两条长链组成的双螺旋，宽度为20埃。第三条证据是最为关键的。美国生物化学家埃尔文·查戈夫(Erwin Chargaff)测定DNA的分子组成，发现DNA中的4种碱基的含量并不是传统认为的等量的，虽然在不同物种中4种碱基的含量不同，但是A和T的含量总是相等，G和C的含量也相等。

查加夫早在1950年就已发布了这个重要结果，但奇怪的是，研究DNA分子结构的这三个实验室都将它忽略了。甚至在查加夫1951年春天亲访剑桥，与沃森和克里克见面后，沃森和克里克对他的结果也不加重视。在沃森和克里克终于意识到查加夫比值的重要性，并请剑桥的青年数学家约翰·格里菲斯(John Griffith)计算出A吸引T，G吸引C，A+T的宽度与G+C的宽度相等之后，很快就拼凑出了DNA分子的正确模型。

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