10.2: DNA 的结构和功能

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学习目标

描述脱氧核糖核苷酸的生化结构
确定用于合成脱氧核糖核苷酸的碱基对
解释为什么 DNA 的双螺旋被描述为反平行

在微生物代谢中，我们讨论了三类大分子：蛋白质、脂质和碳水化合物。在本章中，我们将讨论第四类大分子：核酸。像其他大分子一样，核酸由称为核苷酸的单体组成，这些单体经过聚合形成大链。每条核酸链都含有某些核苷酸，这些核苷酸在链中按一定顺序出现，称为其碱基序列。脱氧核糖核酸 (DNA) 的碱基序列负责携带和保留细胞中的遗传信息。在《微生物遗传学机制》中，我们将详细讨论DNA如何使用自己的碱基序列来指导自身的合成，以及RNA和蛋白质的合成，这反过来又产生具有不同结构和功能的产物。在本节中，我们将讨论DNA的基本结构和功能。

DNA 核苷酸

核酸的基石是核苷酸。构成 DNA 的核苷酸被称为脱氧核糖核苷酸。脱氧核糖核苷酸的三种成分是称为脱氧核糖的五碳糖、磷酸基团和含氮碱，一种含氮环结构，负责核酸链之间互补碱基配对（图\(\PageIndex{1}\)）。五碳脱氧核糖的碳原子编号为 1、2、3、4 和 5（1 被读为 “一素数”）。核苷包含五碳糖和含氮碱。

a) 脱氧核糖核苷酸的中心是脱氧核糖糖。这是五边形的形状，顶部为 O，右下角的 H 附着在 Carbon 上，OH 连接到右下角的 Carbon。附着在左上角碳上的是磷酸盐基团，它由附着在 4 个氧气上的磷酸盐组成。附着在糖右上角碳上的是由 1 或 2 个同时含有碳和氮的环组成的碱。 B) 更详细的脱氧核糖图纸。这是一个五边形的结构，顶角有氧气。顺时针移动，右上角有一个标有 1-prime 的碳。这个碳上附着一个 OH。右下角的碳被标记为2-素数，并附有H。左下角的碳被标记为 3 素数，并附有 OH 组。左上角的碳标记为 4 素数，并附有 CH2OH。最后的碳被标记为 5 素数。 — 图\(\PageIndex{1}\)：(a) 每个脱氧核糖核苷酸都由一种叫做脱氧核糖的糖、磷酸基团和含氮碱——在本例中为腺嘌呤组成。 (b) 脱氧核糖中的五个碳被指定为 1、2、3、4和 5。

脱氧核糖核苷酸根据含氮碱命名（图\(\PageIndex{2}\)）。含氮碱基腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）是嘌呤；它们具有双环结构，六碳环融合到五碳环上。嘧啶胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）是较小的含氮碱，只有六碳环结构。

嘧啶有 1 个环中同时含有碳和氮。胞嘧啶和胸腺嘧啶都是嘧啶。它们的戒指相同，但附有不同的功能群。嘌呤有 2 个含有碳和氮的环。腺嘌呤和鸟嘌呤都是嘌呤，但作为环的一部分和附着在环上的原子排列不同。 — 图\(\PageIndex{2}\)：DNA中的含氮碱基分为双环嘌呤腺嘌呤和鸟嘌呤以及单环嘧啶胞嘧啶和胸腺嘧啶。胸腺嘧啶是 DNA 所独有的。

单个核苷三磷酸盐通过共价键相互结合，共价键称为5-3磷酸二酯键，或者将磷酸基团附着在一个核苷酸的糖的5碳上与下一个核苷酸的糖的3碳的羟基结合在一起。核苷酸之间的磷酸二酯键形成糖磷酸骨干，糖磷酸交替结构构成核酸链的框架（图\(\PageIndex{3}\)）。在聚合过程中，使用三磷酸脱氧核苷酸 (dnTP)。为了构建糖磷酸骨干，两种末端磷酸盐以焦磷酸盐的形式从 dNTP 中释放出来。由此产生的核酸链在5碳端具有游离磷酸基团，在3碳端具有游离羟基。来自三磷酸核苷酸的两个未使用的磷酸基团在磷酸二酯键形成过程中以焦磷酸盐的形式释放。焦磷酸盐随后被水解，释放出用于驱动核苷酸聚合的能量。

糖是一种以糖为中心的核苷酸，是一个顶点为氧气的五边形。顺时针移动，碳编号为 1（右上角）2、（右下）、3（左下）、4（左上）和 5（从碳 4 伸出）。附着在碳 1 上的是碱（胸腺嘧啶）。附着在碳 5 上的是磷酸盐基团。下面的另一个核苷酸具有相同的结构（除了碱基是C而不是T）。附着在下核苷酸的碳 5 上的磷酸基团也附着在上部核苷酸的碳 3 上。较低的核苷酸在其碳上附着OH 3. 另一个核苷酸突出显示了其磷酸盐的 OH 组。当从这两个 OH 基团中去除水时，就会形成磷二酯键。这导致链中核苷酸的碳 3 与附着在新核苷酸的碳 5 上的磷酸基团之间形成键。这被称为磷酸二酯键。 — 图\(\PageIndex{3}\)：附着在一个核苷酸的5碳上的磷酸基团和下一个核苷酸中3碳的羟基之间形成磷酸二酯键，从而使核苷酸聚合成核酸链。注意这条核酸链的五端和三端。

练习\(\PageIndex{1}\)

核酸链的五端和三端是什么意思？

探索双螺旋

到20世纪50年代初，已经积累了大量证据，表明DNA是细胞的遗传物质，现在发现其三维结构的竞赛正在进行中。大约在这个时候，奥地利生物化学家 Erwin Chargaff ¹（1905—2002）检查了不同物种的 DNA 含量，发现腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶的数量不相等，物种之间存在差异，但在相同个体之间却不一样物种。他发现腺嘌呤的含量非常接近于胸腺嘧啶的含量，而胞嘧啶的含量非常接近鸟嘌呤的含量，或者 A = T 和 G = C。这些关系也被称为 Chargaff 的规则。

在20世纪中叶，其他科学家也在积极探索这个领域。 1952年，美国科学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）（1901-1994）是世界领先的结构化学家，也是解析DNA结构的最爱。鲍林早些时候曾使用X射线衍射发现了蛋白质α螺旋的结构，并根据实验室制作的DNA的X射线衍射图像，他提出了一个三链DNA模型。 ² 同时，英国研究人员罗莎琳德·富兰克林（1920-1958 年）和她的研究生 R.G. Gosling 也在使用 X 射线衍射来了解 DNA 的结构（图\(\PageIndex{4}\)）。正是富兰克林的科学专业知识促成了更清晰的DNAX射线衍射图像，这些图像可以清楚地显示DNA的整体双螺旋结构。

DNA 的 X 射线衍射图案显示出其螺旋特性。一张模糊螺旋的照片，模糊的黑点形成模糊的数字 8。 — 图\(\PageIndex{4}\)：DNA 的 X 射线衍射图案显示了其螺旋特性。（来源：国立卫生研究院）

美国科学家詹姆斯·沃森（1928—）和英国科学家弗朗西斯·克里克（1916—2004 年）在20世纪50年代共同努力发现DNA的结构。他们使用Chargaff的规则以及富兰克林和威尔金斯对DNA纤维的X射线衍射图像将双螺旋DNA分子的嘌呤-嘧啶配对拼凑在一起（图\(\PageIndex{5}\)）。 1953年4月，沃森和克里克在《自然》杂志上发布了他们的DNA双螺旋模型。 ³ 同一期还包括威尔金斯及其同事的论文 ⁴ 以及富兰克林和高斯林的论文，⁵ 每篇文章都描述了 DNA 分子结构的不同方面。 1962 年，詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克和莫里斯·威尔金斯被授予诺贝尔生理学和医学奖。不幸的是，那时富兰克林已经去世，当时的诺贝尔奖不是死后颁发的。但是，学习DNA结构的工作仍在继续。 1973年，亚历山大·里奇（1924-2015年）及其同事得以分析DNA晶体，以确认和进一步阐明DNA结构。 ⁶

一张博物馆里电线模型的照片。 — 图\(\PageIndex{5}\)：1953 年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克建立了这个 DNA 结构模型，在伦敦科学博物馆展出。

练习\(\PageIndex{2}\)

哪些科学家在描述 DNA 的分子结构方面获得了最多的荣誉？

DNA 结构

沃森和克里克提出，DNA由两条链组成，它们相互扭曲形成右手螺旋线。两条 DNA 链是反平行的，因此一条链的 3 端面对另一条链的 5 端（图\(\PageIndex{6}\)）。每条链的 3 个末端有一个游离羟基，而每条链的 5末端有一个游离磷酸基团。聚合核苷酸中的糖和磷酸盐构成结构的支柱，而含氮碱则堆叠在里面。这些位于分子内部的含氮碱基相互作用，碱基配对。

对DNA衍射模式的分析表明，DNA中每回合大约有10个碱基。磷酸糖骨干的不对称间距会产生主要凹槽（骨干相距较远的地方）和小凹槽（骨干靠近的地方）（图\(\PageIndex{6}\)）。这些凹槽是蛋白质可以与DNA结合的位置。这些蛋白质的结合可以改变DNA的结构，调节复制或调节DNA转录为RNA。

a) 以双螺旋线（扭曲梯子）显示的 DNA 图。梯子的外面是一条标有 “磷酸糖骨干” 的蓝丝带。梯子的梯级标有 “基础对”，要么是红色和黄色，要么是绿色和蓝色。红色表示含氮碱腺嘌呤。黄色表示含氮碱胸腺嘧啶。蓝色表示含氮碱鸟嘌呤。绿色表示含氮碱胞嘧啶。梯子会扭曲，因此曲折之间有宽阔的空间（称为主凹槽）和狭窄的空间（称为小凹槽）。 B) 另一张显示为直梯的 DNA 图。这样可以更轻松地在图像上看到底部（现在可以用字母 A、T、C 或 G 标记）。左侧链的顶部有 3 个素数，底部有 5 个素数。右边的股线顶部有 5 个素数，底部有 3 个素数。 C) 另一张 DNA 图显示的片段要短得多，可以更清楚地看到化学结构。这些链状表明，磷酸基团始终介于一个核苷酸的碳 3 和下一个核苷酸的碳 5 之间。这两条线用表示氢键的虚线相连。 A-T 键有 2 个氢键，而 C-G 有 3 个氢键。磷酸盐的负电荷也很明显。 — 图\(\PageIndex{6}\)：沃森和克里克提出了 DNA 的双螺旋模型。 (a) 磷酸糖骨干位于双螺旋外部，嘌呤和嘧啶构成 DNA 螺旋梯的 “梯级”。 (b) 两条DNA链彼此反平行。 (c) 通过对每个糖分子中的碳（1 到 5）进行编号来确定每条链的方向。 5端是碳 #5 未与另一个核苷酸结合的末端；3端是碳 #3 未与另一个核苷酸结合的那一端。

碱基配对发生在嘌呤和嘧啶之间。在DNA中，腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）是互补的碱基对，胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）也是互补的碱基对，这解释了Chargaff的规则（图\(\PageIndex{7}\)）。碱基对通过氢键稳定；腺嘌呤和胸腺嘧啶在它们之间形成两个氢键，而胞嘧啶和鸟嘌呤在它们之间形成三个氢键。

DNA图显示了一个短片段，可以更清楚地看到化学结构。这些链状表明，磷酸基团始终介于一个核苷酸的碳 3 和下一个核苷酸的碳 5 之间。这两条线用表示氢键的虚线相连。 A-T 键有 2 个氢键，而 C-G 有 3 个氢键。磷酸盐的负电荷也很明显。 — 图\(\PageIndex{7}\)：氢键在DNA内部的互补含氮碱基之间形成。

在实验室中，将双螺旋的两条DNA链暴露于高温或某些化学物质中会破坏互补碱基之间的氢键，从而将这些链分成两条单独的DNA单链（单链DNA [ssDNA]）。这个过程被称为DNA变性，类似于蛋白质变性，如蛋白质中所述。 ssDNA链也可以作为双链DNA（dsDNA）重新组合在一起，通过冷却或去除化学变性剂进行再退火或复性，从而使这些氢键得以重组。以这种方式人工操纵 DNA 的能力是生物技术中几种重要技术的基础（图\(\PageIndex{8}\)）。由于 C = G 碱基对之间存在额外的氢键，因此 GC 含量高 DNA 比 GC 含量较低的 DNA 更难变性。

原住民州就像一个扭曲的梯子。梯子的梯级由一根股线的底部制成，连接到另一根绳子的底部。热和化学物质会使这些股线变性。当这种情况发生时，DNA是单链的——它是一条长带，沿其长度有短的突起。重性需要特殊条件，它会使DNA返回到双螺旋状态（重性状态）。 — 图\(\PageIndex{8}\)：在实验室中，双螺旋可以通过暴露在高温或化学物质中变性为单链 DNA，然后通过冷却或去除化学变性剂进行复性以使 DNA 链重新退火。（来源：Hernández-Lemus E、Nicasio-Collazo LA、Castañeda-Priego R 对作品的修改）

链接到学习

观看来自 DNA 学习中心的 DNA 结构动画以了解更多信息。

练习\(\PageIndex{3}\)

DNA的两个互补碱基对是什么？它们是如何结合在一起的？

DNA 功能

DNA 存储构建和控制细胞所需的信息。这些信息从母细胞向子细胞的传输称为垂直基因转移，它是通过DNA复制过程发生的。当一个细胞复制其 DNA 时，DNA 就会被复制，然后细胞分裂，从而将一个 DNA 拷贝正确地分配给每个生成的细胞。 DNA也可以被酶降解，用作细胞的核苷和核苷酸的来源。与其他大分子不同，DNA在细胞中不起结构作用。

练习\(\PageIndex{4}\)

DNA如何将遗传信息传递给后代？

为从事科学和健康专业的女性铺平道路

历史上，女性在科学和医学领域的代表性不足，她们的开创性贡献往往被相对忽视。例如，尽管罗莎琳德·富兰克林进行了X射线衍射研究，证明了DNA的双螺旋结构，但沃森和克里克在她的数据基础上以这一发现而闻名。关于他们获取她的数据是否合适，以及人格冲突和性别偏见是否导致对她的重大贡献的认可延迟，仍然存在很大争议。同样，芭芭拉·麦克林托克从1930年代到1950年代在玉米（玉米）遗传学领域做了开创性的工作，发现了转座子（跳跃基因），但直到很久以后，她才获得认可，于1983年获得了诺贝尔生理学或医学奖（图\(\PageIndex{9}\)）。

今天，女性在许多科学和医学领域的代表性仍然不足。虽然一半以上的理科本科学位授予女性，但只有 46% 的理科博士学位授予女性。在学术界，各级职业晋升的女性人数持续减少，女性在博士级科学家职位中担任终身制职位的不到三分之一，在四年制学院和大学的正式教授职位中，女性占不到四分之一。 ⁷ 正如《美国医学会杂志》 2013年发表的一项研究所示，即使在健康行业，与几乎所有其他领域一样，女性在许多医疗职业中的代表性也往往不足，收入也明显低于男性。 ⁸

为什么这种差异继续存在？我们如何打破这些循环？这种情况很复杂，可能是多种因素共同造成的，包括社会如何从小就调整女孩的行为以及如何支持她们的职业和个人兴趣。有人认为女性不属于实验室，包括诺贝尔奖获得者蒂姆·亨特（Tim Hunt），他在2015年的公开评论中暗示女性对科学 ⁹ 过于情绪化，遭到了广泛的谴责。

也许应该从小就在科学和数学领域为女孩提供更多支持（图\(\PageIndex{9}\)）。由美国大学女性协会 (AAUW) ¹⁰ 和美国国家航空航天局 (NASA) ¹¹ 赞助的科学、技术、工程和数学 (STEM) 项目就是提供此类支持的绝佳例子。应让公众更广泛地了解女性在科学领域的贡献，针对年轻女孩的营销应包括更多历史上和职业上成功的女科学家和医学专业人员的形象，鼓励包括女孩和妇女在内的所有聪明年轻人追求科学和医学职业。

a) 芭芭拉·麦克林托克的照片。 B) 两名女科学家在实验室的照片。 — 图\(\PageIndex{9}\)：（a）芭芭拉·麦克林托克（Barbara McClintock）在20世纪30年代至1950年代对玉米遗传学的研究导致了转座子的发现，但其重要性在当时尚未得到认可。 (b) 努力为科学和医学领域的妇女提供适当的指导和持续的社会支持，有朝一日可能有助于缓解阻碍科学和医学各个层面实现性别平等的一些问题。（来源 a：史密森尼学会对作品的修改；来源 b：Haynie SL、Hinkle AS、Jones NL、Martin CA、Olsiewski PJ、Roberts MF 对作品的修改）

临床重点：第 2 部分

根据他的症状，亚历克斯的医生怀疑他患有在旅途中感染的食源性疾病。可能性包括细菌感染（例如产生肠毒素的大肠杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲杆菌、沙门氏菌）、病毒感染（轮状病毒或诺如病毒）或原生动物感染（贾第鞭毛虫、微小隐孢子虫，或 E ntamoeba histolytica）。

他的医生下令进行粪便样本以鉴定可能的病原体（例如细菌、囊肿）并寻找血液的存在，因为某些类型的传染病原体（如空肠梭菌、沙门氏菌和溶组织大肠杆菌）与血液的产生有关凳子。

亚历克斯的粪便样本既没有血也没有囊肿。在对粪便样本进行分析后，根据他最近的旅行史，医院医生怀疑亚历克斯患有由产肠毒素大肠杆菌（ETEC）引起的旅行者腹泻，而肠毒素大肠杆菌（ETEC）是大多数旅行者腹泻的病原体。为了验证诊断并排除其他可能性，亚历克斯的医生下令对他的粪便样本进行诊断实验室测试，以寻找编码 ETEC 特定毒力因子的 DNA 序列。医生指示亚历克斯喝大量的液体来补充他流失的液体，然后他出院了。

与典型的大肠杆菌相比，ETEC 会产生几种质粒编码的毒力因子，使其具有致病性。其中包括分泌的毒素、不耐热的肠毒素（LT）和热稳定的肠毒素（ST），以及定植因子（CF）。 LT 和 ST 都会导致氯离子从肠道细胞排泄到肠腔，从而导致肠道细胞水分流失，从而导致腹泻。 CF 编码一种细菌蛋白，有助于细菌粘附在小肠内膜上。

练习\(\PageIndex{5}\)

为什么亚历克斯的医生使用遗传分析，而不是从粪便样本中分离细菌或直接对粪便样本进行革兰染色？

关键概念和摘要

核酸由核苷酸组成，每种核苷酸都含有戊糖、磷酸基团和含氮碱。 DNA 中的脱氧核糖核苷酸含有脱氧核糖作为戊糖。
DNA 含有嘧啶胞嘧啶和胸腺嘧啶，以及嘌呤腺嘌呤和鸟嘌呤。
核苷酸通过一个核苷酸的5磷酸基团和另一个核苷酸的3羟基之间的磷酸二酯键连接在一起。 核酸链在 5 端具有游离磷酸基团，在 3 端具有游离羟基。
Chargaff 发现，腺嘌呤的含量大致等于 DNA 中胸腺嘧啶的含量，鸟嘌呤的含量大约等于胞嘧啶。这些关系后来被确定为互补碱基配对所致。
沃森和克里克在 Chargaff、Franklin 和 Gosling 以及威尔金斯工作的基础上，提出了 DNA 结构的双螺旋模型和碱基配对。
DNA由两条相互反平行取向的互补链组成，磷酸二酯骨干位于分子外部。每条链的含氮碱相互面对，互补碱基相互结合，稳定双螺旋。
热量或化学物质会破坏互补碱基之间的氢键，使DNA变性。冷却或去除化学物质可以让氢键在互补碱基之间重生，从而导致DNA的复性或再退火。
DNA 存储构建和控制细胞所需的指令。这些信息通过垂直基因转移从父母传递给后代。

脚注

1 N. Kresge 等人。 “Chargaff 的规则：Erwin Chargaff 的作品。” 《生物化学杂志》 280 (2005): e21。
2 L. Pauling，“核酸的拟议结构。” 《美利坚合众国国家科学院院刊》 39 第 2 期（1953）：84—97。
3 J.D. Watson，F.H.C. Crick。 “脱氧核糖核酸的结构。” 自然 171 号 4356 (1953): 737—738。
4 M.H.F. Wilkins 等人 “脱氧戊糖核酸的分子结构。” 自然 171 号 4356 (1953): 738—740。
5 R. Franklin，R.G. Gosling。 “胸腺核酸钠中的分子构型。” 自然 171 编号 4356 (1953): 740—741。
6 R.O. Day 等人 “双螺旋的结晶碎片：磷酸二核苷鸟苷的结构 Guanylyl-3',5'-Cytidine。” 《美利坚合众国国家科学院院刊》 70 第 3 期（1973）：849—853。
7 N.H. Wolfinger “对于女性科学家来说，现在不是生孩子的好时机。” 大西洋 2013 年 7 月 29 日。www.heatlantic.com/sexes/arc... ildren/278165/。
8 S.A. Seabury 等人 “1987年至2010年美国男女医疗保健专业人员的收入趋势。” 《美国医学会内科杂志》 173 第 18 期 (2013): 1748—1750。
9 E. Chung。 “蒂姆·亨特，《性别歧视与科学：实验室里真正的'女孩麻烦'》。” 加拿大广播公司新闻科技与科学，2015年6月12日。 http://www.cbc.ca/news/technology/ti...labs-1.3110133。已于 2016 年 4 月 8 日访问。
10 美国大学女性协会。 “为女孩和女性建设 STEM 渠道。” www.aauw.org/what-we-do/stem-education/。已于 2016 年 6 月 10 日访问。
11 美国国家航空和航天局。 “宣传计划：妇女和女童倡议。” http://women.nasa.gov/outreach-programs/。已于 2016 年 6 月 10 日访问。