（一）核酸结构的研究背景
20世纪40年代末至50年代初期，人们已经证实了DNA是遗传信息的载体。但是DNA分子的空间结构还一直是个奥秘。Erwin Chargaff等人采用层析和紫外吸收光谱等技术研究了DNA分子的碱基成分，提出了以下有关DNA四种碱基组成的Chargaff规则：①不同生物种属的DNA碱基组成不同；②同一个体不同器官、不同组织的DNA具有相同的碱基组成；③腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等，而鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔数相等。这一规则暗示着在DNA的碱基A与T之间，G与C之间是以某种相互配对的方式存在的。
1953年，核酸结构的研究取得了历史性突破。James Watson和Francis Crick综合了当时人们对于DNA特性的各种认识和研究数据，并根据Maurice Wilkins高质量的DNA分子X线衍射照片，提出了DNA双螺旋结构（double helix）的模型，并将其发表在《Nature》杂志上。这一发现揭示了生物界遗传性状得以世代相传的分子机制，它不仅解释了当时已知的DNA的一切理化性质，而且还将DNA的功能与结构联系起来，奠定了现代生命科学的基础。DNA双螺旋结构的发现被认为是生物学发展的里程碑，标志着现代分子生物学的开始。
（二）DNA分子的双螺旋结构
1．DNA是反向平行的、右手螺旋的互补双链结构 两条多聚核苷酸链在空间的走向呈反向平行。一条链是5′→3′方向，而另一条链是3′→5′方向。DNA的两条链围绕着同一个轴形成右手双螺旋的结构（图5-7）。螺旋的直径为2.0 nm，螺距为3.4 nm。由脱氧核糖和磷酸基团组成的亲水性骨架位于双螺旋结构的外侧，而疏水的碱基位于内侧。从外观上，DNA双螺旋结构的表面存在一个大沟（major groove）和一个小沟（minor groove）。
2．DNA双链之间形成了互补碱基对 一条链上的腺嘌呤与另一条链上的胸腺嘧啶通过两个氢键形成碱基对；而一条链上的鸟嘌呤与另一条链上的胞嘧啶通过三个氢键形成碱基对（图5-7），这种配对关系称为互补碱基对，DNA的两条链则互为互补链。DNA的两条互补链依靠碱基对之间的氢键维持在一起。碱基平面与双螺旋结构的中心轴垂直。每个螺距含有10对碱基，每两个相邻碱基的旋转角度为36°，每两个相邻碱基平面间的垂直距离为0.34 nm。
3．疏水作用和氢键共同维持DNA双螺旋结构的稳定 由于相邻的两个碱基平面在旋进过程中会彼此重叠，产生了具有疏水作用的碱基堆积力（stacking interaction）。这种碱基堆积力和互补链之间碱基对的氢键作用力共同维系着DNA双螺旋结构的稳定，而且前者对于双螺旋结构的稳定更为重要。
DNA双螺旋模型为DNA储存和复制遗传信息提供了最好的结构基础。DNA的双链碱基互补特点提示，DNA复制时可以采用半保留复制的机制（参见第23章），两条链分别作为模板，生成新的子代互补链，从而保持遗传信息稳定传递。
图5-7 DNA双螺旋结构及互补碱基对的形成
（三）DNA双螺旋结构的多样性
Watson和Crick的DNA双螺旋结构模型是基于在92%相对湿度下得到的DNA纤维的X线衍射图像的分析结果而提出的，这是DNA分子在水性环境下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后，DNA双链螺旋结构的沟槽、螺距、旋转角度等都会发生变化。为便于区分，人们将Watson和Crick提出的双螺旋结构称为B-DNA或B型DNA。当环境的相对湿度降低后，虽然DNA分子仍然是双链的右手螺旋结构，但是它的空间结构参数已不同于B型DNA，人们将其称为A型DNA（图5-8）。尤其是在1979年，Alexander Rich等人在研究人工合成的CGCGCG的晶体结构时竟意外地发现这种DNA具有左手螺旋的特征（图5-8），并将其称为Z-DNA或Z型DNA。由此可见，DNA的右手双螺旋结构不是自然界DNA的唯一存在方式。在生物体内，不同构型的DNA在功能上有所差异，与基因表达的调控相适应。
图5-8 不同构型的DNA双螺旋结构
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