一、DNA的二级结构——双螺旋结构模型

    （－）DNA双螺旋结构的研究背景

    对世纪物年代末至 50年代初期，Erwin Chargaff等人采用层析和紫外吸收分析等技术研究了DNA分子的碱基成分。他们提出了以下有关DNA分子的碱基组成的Chargaff规则：①腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数总是相等（A＝T），鸟嘌呤的含量总是与胞嘧啶相等（G＝C）；②不同生物种属的DNA碱基组成不同：③同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成。这里已经预示着DNA分子中的碱基A与T，G与C以互补配对方式存在的可能性。

    此后，  Rosalind Franklin．获得了高质量的 X线衍射照片，显示出 DNA是螺旋形分子，从密度上也提示了DNA为双链分子。

    James Watson和 Francis Crick两人巧妙地综合了当时所能够得到的这些研究成果，提出了DNA的双螺旋结构模型，亦称为Watson．Crick结构模型。

    （二）DNA双螺旋结构模型的要点

1．  DNA是一反向平行的互补双链结构在DNA双链结构中，亲水的脱氧核糖基和磷酸基骨架位于双键的外侧，而碱基位于内侧，两条链的碱基之间以氢键相结合。由于碱基结构的不同，造成了其形成氢键的能力不同，因此产生了固有的配对方式，即腺嘌呤始终与胸腺嘧啶配对存在，形成两个氢键（A：：：：T），鸟嘌呤始终与胞嘧啶配对存在，形成三个氢键（G：：：：C）。每条链中的碱基以疏水的近于平面的环形结构彼此接近而堆积，碱基平面与线性分子结构的长轴相垂直。由于核苷酸连接的严格方向性和配对碱基结构对氢键形成的限制，这两条链呈反平行走向，碱基互补配对，一条链的走向是5’→3’，另一条链的走向是3’→5’（图3—7）。

2．  DNA是右手螺旋结构  DNA作为线性长分子，并非刚性结构，否则无法在小小的胞核中存在。作为初始的折叠，DNA形成了一个右手螺旋式结构（图3—7）。DNA双链所形成的螺旋直径为2nm。螺旋每旋转一周包含了10对碱基，每个碱基的旋转角度为360o。螺距为3．4nrn，每个碱基平面之间的距离为0．34nrn。从外观上看，W双螺旋分子存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove），目前认为这些沟状结构与蛋白质和DNA间的识别有关。

3．  DNA双螺旋结构稳定的维系W双螺旋结构的稳定横向靠两条链间互补碱基的氢键维系，纵向则靠碱基平面间的疏水性堆积力维持，尤以碱基堆积力更为重要。

    DNA右手双螺旋结构模型的提出之所以具有划时代的意义，是因为这一结构模型的双链碱基互补特点揭示了DNA复制时两条链可分别作为模板生成新的子代互补链，从而形成遗传信息稳定传递的半保留复制（见第十一章）的机制。

    （三）DNA结构的多样性

    DNA右手双螺旋结构模型是以在生理盐溶液中提取的DNA纤维在92％相对湿度下所作的X谢线衍射图谱分析为依据而进行推测的，这是DNA分子在水性环境和生理条件下最稳定的结构。后来人们发现DNA的结构不是一成不变的，在改变了溶液的离子强度或相对湿度时，DNA螺旋结构的沟的深浅、螺距。旋转角等都会发生一些变化。尤其是 1979年，  Alexander Rich等在研究人工合成的 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。目前人们将Watson Crick模型结构称为B－DNA。将m山等人的DNA双螺旋结构称为Z－DNA。另外还有A—DNA的存在（图3—8）。可见，DNA的右手双螺旋结构不是自然界DNA的唯一存在方式。在体内，不同构象的DNA在功能上有所差异，可能参与基因表达的调节和控制。

                      二、DNA的超螺旋结构。

    生物界的DNA分子是十分巨大的信息高分子，不同物种间的DNA大小和复杂程度差别很大。一般来讲，进化程度越高的生物体其DNA的分子构成越大，越复杂。DNA的长度要求其形成紧密折叠旋转的方式才能够存在于小小的细胞核内。因此，DNA在形成双链螺旋式结构的基础上，在细胞内还将进一步折叠成为超级螺旋结构，并且在蛋白质的参与下构成核小体（nucleosome），然后再进一步折叠将DNA紧密压缩于染色体中。

    （－）DNA的超螺旋—原核生物DNA的高级结构

    绝大部分原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋分子。这种双螺旋分子还需再次螺旋化形成超螺旋结构以保证其可以较致密的形式存在于细胞内（图3－9）

    （二）DNA在真核生物细胞核内的组装

    在真核生物内，DNA以非常致密的形式存在于细胞核内，在细胞生活周期的大部分时间里以染色质（chromatin）的形式出现，在细胞分裂期形成的染色体在光学显微镜下即可见到。染色体是由DNA和蛋白质构成的，是DNA的超级结构形式。染色体的基本单位是核小体。

    核小体由DNA和组蛋白共同构成。组蛋白分子共有五种，分别称为 H1，H2A，H2B，H3和H4。各两分子的H2A，H2B，H3和H4共同构成了核小体的核心，称为组蛋白八聚体（又称核心组蛋白）。DNA双螺旋分子缠绕在这一核心上构成了核小体的核心颗粒（core particle）。核小体的核心颗粒之间再由DNA（约60个碱基对，bp）和组蛋白H1构成的连接区连接起来形成串珠样的结构（图 3－10）。

核小体的形成仅是 DNA在细胞核内紧密压缩的第一步。在此基础上，核小体又进一步旋转折叠，形成纤维状结构及襻状结构、最后形成捧状的染色体，将近lm长的DNA分子容纳于直径只有数微米的细胞核中。

            三、DNA的功能

    由于DNA双螺旋结构的阐明，它的遗传信息载体作用已经是无可争议了。遗传学家长期使用的基因（gene）这一名词也终于有了它真实的物质基础。基因就是DNA分子中的某一区段，经过复制可以遗传给子代，经过转录和翻译可以保证支持生命活动的各种蛋白质在细胞内有序地合成。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。