DNA分子結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展（學(xué)術(shù)論文）

1、dna分子結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展生物工程二班 司送霞 20093957dna是遺傳物質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)，基因是具有特定生物功能的dna序列，dna的結(jié)構(gòu)分為一級(jí)結(jié)構(gòu)，二級(jí)結(jié)構(gòu)，三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)是指dna的共價(jià)結(jié)構(gòu)和核苷酸序列，二級(jí)結(jié)構(gòu)是指一定或全部核苷酸序列所形成的雙螺旋結(jié)構(gòu)，三級(jí)結(jié)構(gòu)是指染色體dna所具有的復(fù)雜折疊狀態(tài)。1dna的一級(jí)結(jié)構(gòu)dna的一級(jí)結(jié)構(gòu)是四種脫氧核苷酸的連接和排列順序，即由damp,dgmp,dcmp,dtmp四種脫氧核苷酸通過(guò)3，5磷酸二酯鍵連接而成的長(zhǎng)鏈連接而成的高分子多聚體為dna的一級(jí)結(jié)構(gòu)。dna所具有的物理、化學(xué)和生物學(xué)功能均源于他的一級(jí)結(jié)構(gòu)，堿基的不同序列蘊(yùn)含了豐富的遺傳信息

2、，組成dna分子的堿基雖然只有4種，他們的配對(duì)方式卻有a,t和g,c兩種，由于堿基可以任意排列，構(gòu)成了dna分子的多樣性。2.dna的二級(jí)結(jié)構(gòu)dna的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指兩條多核苷酸鏈反向平行所盤繞生成的雙螺旋結(jié)構(gòu)。堿基間相互作用通過(guò)兩種非共價(jià)鍵結(jié)合方式進(jìn)行，分別是堿基配對(duì)及堿基堆積。堿基配對(duì)是一種氫鍵結(jié)合力，也是使核酸鏈相互締合的主要作用力。另外通過(guò)垂直方向上相鄰堿基電子形成的疏水作用力使dna分子層層堆積，分子內(nèi)部形成疏水中心，整個(gè)分子結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。1953年waston和crick由x射線衍射技術(shù)分析而提出了dna分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，此模型所描述的是b-dna在納鹽一定濕度下的結(jié)構(gòu)，其特征如下

3、：（?。﹥蓷l多核苷酸是反向平行，一條鏈?zhǔn)?到3，另一條是3到5，極性相反，成為雙螺旋狀。（2）堿基平面向內(nèi)延伸與螺旋的軸成直角，兩條鏈的堿基互補(bǔ)配對(duì)形成氫鍵，所以dna分子的雙鏈?zhǔn)怯蓧A基配對(duì)的氫鍵連接在一起的。（3）兩條多核苷酸連是順長(zhǎng)軸方向向左旋轉(zhuǎn)，每0.34nm有一個(gè)核苷酸，核苷酸間成36角。（4）雙螺旋的直徑為2nm。雙螺旋有大溝和小溝，大溝和小溝由堿基對(duì)的空間結(jié)構(gòu)決定的。dna結(jié)構(gòu)的多態(tài)性dna結(jié)構(gòu)分為兩大類，一類是右手螺旋，以b-dna為主，另外還有a-dna,c-dna,d-dna,e-dna,另一類是左手螺旋的，即z-dna，所有構(gòu)型均假設(shè)為一對(duì)平行而反向的多核苷酸鏈形成的雙螺旋

4、，不同的構(gòu)型之間，螺旋參數(shù)不同，此成為dna分子結(jié)構(gòu)多態(tài)性。b-dna 的主要結(jié)構(gòu)特征兩條脫氧核苷酸鏈反向平行, 繞同一螺旋軸向右盤繞, 螺旋表面有一條大溝和一條小溝。雙螺旋的直徑為2 nm , 螺距為3. 4nm , 含10 對(duì)脫氧核苷酸, 堿基對(duì)平面約與螺旋軸垂直,與糖環(huán)平面垂直。堿基對(duì)平面間距離0. 34 nm。每鏈相鄰脫氧核苷酸旋轉(zhuǎn)36。兩鏈間a 與t、g 與c 配對(duì)后堿基對(duì)總長(zhǎng)約1. 085 nm。a 與t 形成2 個(gè)氫鍵, g與c 形成3 個(gè)氫鍵。n 2o 原子間,n 2n 原子間形成氫鍵分別相距0. 284 nm 和0. 292 nm。多種類型的右旋dna 與特殊的左旋dna 近

5、20 多年來(lái), 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄條件下dna 由b 型轉(zhuǎn)變?yōu)閍 型, 之后又先后發(fā)現(xiàn)了dna 的c 型、d 型、e 型結(jié)構(gòu), 這4 型dna 與b2dna 的雙螺旋都是向右的, 螺旋溝均一大一小, 但在直徑、堿基間距, 每螺旋堿基對(duì)數(shù)、溝的寬窄深淺等都有不同, 一般比b 型dna 稍大或稍小些。左旋dna 是1979 年由美籍華人w ang 等發(fā)現(xiàn)的, 命名為z2dna。它的雙螺旋是向左的, 只有一條極深的小溝, 螺旋直徑為1. 8 nm , 每螺旋含12 堿基對(duì),距離為4. 46 nm。dna結(jié)構(gòu)的多態(tài)性是因?yàn)槎嗪塑账徭湹墓羌芎性S多可轉(zhuǎn)動(dòng)的單鍵，從而使鍵環(huán)可采取不同的折疊方式和苷鍵的n-苷

6、鍵也可以轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使糖環(huán)和堿基處在不同的空間關(guān)系中。3.三級(jí)結(jié)構(gòu)dna分子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步扭曲、折疊，形成超螺旋結(jié)構(gòu)，即染色體所具有的復(fù)雜折疊狀態(tài)成為染色體的三級(jí)結(jié)構(gòu)，也叫dna的高級(jí)結(jié)構(gòu)，幾乎所有的dna結(jié)構(gòu)，無(wú)論是環(huán)形的還是線形的，超螺旋結(jié)構(gòu)是他們共有的特征。三股dna 螺旋在wat son 和crick 提出雙螺旋結(jié)構(gòu)模型之前, 著名的化學(xué)家pauling 等就提出過(guò)dna 三股螺旋。至今發(fā)現(xiàn)的三鏈dna 可分為兩類, 即三股螺旋結(jié)構(gòu)和中科院白春禮等用掃描隧道電子顯微鏡( stm) 觀察到的三股發(fā)辮結(jié)構(gòu)。三股螺旋結(jié)構(gòu)是在dna 雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成的, 三鏈區(qū)的三條鏈均為同型嘌呤或同型嘧啶,

7、 即整段的堿基均為嘌呤或嘧啶。根據(jù)第三條鏈來(lái)源不同, 三股螺旋可分為分子間和分子內(nèi)兩組; 根據(jù)三條鏈的組成及相對(duì)位置又可分為pu - pu - py 和py - pu -py 兩型( pu代表嘌呤鏈, py 代表嘧啶鏈) 。在py -pu - py 型( 比較多見(jiàn)) 三鏈中, 兩條為正常的雙螺旋, 第三條嘧啶鏈位于雙螺旋的大溝中, 它與嘌呤鏈的方向一致, 并隨雙螺旋結(jié)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)。三鏈中堿基配對(duì)的方式與雙螺旋dna 相同dna 四聯(lián)體螺旋四聯(lián)體螺旋的研究從1958 年開(kāi)始的, 最近對(duì)d( g4t 4g4) n 重復(fù)序列的x -射線單晶結(jié)構(gòu)解析發(fā)現(xiàn), 該序列的結(jié)構(gòu)為四螺旋。此螺旋的基本結(jié)構(gòu)單位是g

8、 - 四內(nèi)以氫鍵環(huán)形連接而成。在四聯(lián)體的中心有一個(gè)由4 個(gè)帶負(fù)電荷的羧基氧原子圍成的“ 口袋”。通過(guò)g - 四聯(lián)體的堆積。聯(lián)體( g -quarter) , 它由四個(gè)鳥(niǎo)嘌呤在一個(gè)正方形平面可以形成分子內(nèi)或分子間的右手螺旋, 螺旋每圈含13 個(gè)g - 四聯(lián)體。b-dna的多核苷酸鏈的空間結(jié)構(gòu)是以一組構(gòu)象參數(shù)為征的。它規(guī)定b-dna的每股螺旋共含250bp，它應(yīng)形成25股螺旋?，F(xiàn)在如果切割其骨架中的任一磷酸二酯鍵，它就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹嗤瑪?shù)目的堿基對(duì)的線形b-dna。如果所形成的線形dna的一端固定，另一端向左放松兩圈，然后使其兩端重新閉合，由于b-dna是一種在能量學(xué)上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，螺旋數(shù)的減少就使其轉(zhuǎn)

9、變?yōu)橐环N受力狀態(tài)，分子所經(jīng)受的張力可以按兩種方式是分子保留一單鏈區(qū)，其余部分仍保留b-dna狀態(tài)，另一種方式是形成超螺旋，超螺旋的形成使已放松的的雙螺旋分子的堿基接近于b-dna狀態(tài)，dna結(jié)構(gòu)的變化可以用數(shù)學(xué)式來(lái)表示l=t+wl稱為dna的連接數(shù)，它是dna的一股鏈繞另一股鏈纏繞的次數(shù)，在鏈不發(fā)生斷裂時(shí)，它是一常數(shù)。t為超盤繞數(shù)，代表雙螺旋軸在空間的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)。 在活體中，dna結(jié)構(gòu)不是一成不變的，dna的各種構(gòu)象是互變的，動(dòng)態(tài)的。沃森和克里克發(fā)表的文章的翻譯核酸的分子結(jié)構(gòu)我們要提出一個(gè)用于脫氧核糖核酸鹽（dna）的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)纳锔信d趣的新的特點(diǎn)。 一種核酸結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出保羅和科里

10、。他們非常友好的在其出版之前將手稿提供給我們。他們的模型包括三個(gè)纏繞的鏈，與附近的糖磷酸骨架和外面的堿基。我們認(rèn)為，這種結(jié)構(gòu)不理想，原因有二(1)我們相信，該材料賦予的透視圖是鹽，而不是游離酸。沒(méi)有酸性氫原子，目前還不清楚是什么力量將持有的結(jié)構(gòu)在一起，尤其是會(huì)互相排斥。(2)有些距離顯得有些過(guò)于小。 另三鏈結(jié)構(gòu)也已由弗雷澤提出（在印刷中）。在他的模型磷酸鹽是在外面和內(nèi)部的基礎(chǔ)上通過(guò)氫鍵連接在一起。這種結(jié)構(gòu)的描述是相當(dāng)不明確的，基于這個(gè)原因，我們不會(huì)對(duì)此發(fā)表評(píng)論。 我們希望提出根本不同的結(jié)構(gòu)的脫氧核苷酸鹽，這種結(jié)構(gòu)有雙螺旋且每個(gè)圈都有相同的軸線（看圖）。我們已經(jīng)做出一般的化學(xué)假設(shè)，即核苷酸之間通

11、過(guò)3到5磷酸二酯鍵連接到- d-脫氧核糖核酸殘基上。這兩條鏈都是右手螺旋。但是由于這兩個(gè)沿鏈相反的方向運(yùn)行，這兩條鏈?zhǔn)欠浅Ｏ嗨频?。每個(gè)鏈松耦合類似于furberg的1號(hào)模型，這就是，堿基位于雙螺旋的內(nèi)部而磷酸鹽位于外部。糖及附近的原子結(jié)構(gòu)接近furberg的標(biāo)準(zhǔn)配置，糖是大致垂直于與之接觸的堿基。在z方向每一個(gè)鏈每隔3.4a就有一個(gè)堿基。我們假設(shè)在同一鏈中相鄰的核苷酸夾角為36 ，所以每條鏈的結(jié)構(gòu)每十個(gè)核苷酸即每34a就重復(fù)一次。一個(gè)磷原子到縱軸的間距為10a，由于磷在外面的，陽(yáng)離子容易接觸到他們。 其結(jié)構(gòu)是一個(gè)開(kāi)放的，它的水分含量是相當(dāng)高的，在較低的水含量，我們希望堿基能夠傾斜，這樣的結(jié)構(gòu)可

12、能變得更加緊湊。 該結(jié)構(gòu)新穎特點(diǎn)是這兩條鏈的嘌呤和嘧啶堿基連接在一起的方式。堿基的平面垂直于縱軸。堿基配對(duì)，一條鏈的堿基和另一條鏈的堿基以氫鍵連接，因此兩個(gè)堿基能夠完全一致吻合，為了氫鍵的生成一對(duì)堿基中必須是一個(gè)是嘌呤另一個(gè)是嘧啶，堿基是如下生成的：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。假設(shè)堿基僅發(fā)生在最合理的同一結(jié)構(gòu)形式（即與酮，而不是烯醇的配置）發(fā)現(xiàn)只有特殊的配對(duì)堿基能夠以氫鍵連接。這些對(duì)是：腺嘌呤（嘌呤）與胸腺嘧啶（嘧啶）和鳥(niǎo)嘌呤與胞嘧啶（pyrimrdine）（嘌呤）。 換句話說(shuō)，如果一個(gè)腺嘌呤成為一個(gè)對(duì)的成員，然后在這些假設(shè)的任一鏈的其他成員必須是胸腺嘧啶，類似于鳥(niǎo)

13、嘌呤和胞嘧啶。關(guān)于單鏈堿基序列似乎沒(méi)有受到任何限制。但是，如果已知一條鏈上特定的堿基序列，那么另一條鏈與之相對(duì)應(yīng)的堿基序列也就可以知道了。據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)脫氧核糖核酸基團(tuán)而言，腺嘌呤和胸腺嘧啶的比例，鳥(niǎo)嘌呤和胞嘧啶的比例，總是非常接近。 如果將脫氧核糖換成核糖的話，這幾乎是不可能的去建立這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)槎嘤嗟难踉訒?huì)做出過(guò)于接近一萬(wàn)德瓦爾接觸。 先前公布的x射線脫氧核糖核酸數(shù)據(jù)對(duì)于我們的結(jié)構(gòu)嚴(yán)格的檢測(cè)是不充足的。到目前為止，我們可以說(shuō)，它是大致和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致的，但是必須不能把它當(dāng)成證據(jù)直到核實(shí)到更精確的結(jié)果。在下列論文中一些已經(jīng)給出，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)是我們并未意識(shí)到結(jié)果的細(xì)節(jié)代表什么，這雖然不是主要的結(jié)果完全公布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和立體化學(xué)參數(shù)。 我們還注意