碱基互补配对示意图

(一)DNA的结构

1953年美国生物学家沃森(James D Watson)和英国物理学家克里克(Francis HC Crick)提出的DNA分子结构模型(图2-1),揭示了遗传物质的结构。多个脱氧核糖核苷酸在酶的催化作用下相互连接成链状结构,形成多聚脱氧核糖核苷酸链。连接的方式为:前一个脱氧核糖核苷酸的戊糖的3′碳位的羟基与后一个脱氧核糖核苷酸的戊糖的5′碳位的磷酸发生酯化反应脱水形成酯键,其中一条链方向是5′-3′,另一条链方向是3′-5′。

图2-1　DNA分子结构模型

DNA分子的糖-磷酸组成的“脊梁骨”位于DNA的外侧,嘌呤和嘧啶碱基位于DNA的内侧。一条链上的碱基通过氢键与另一条链上的碱基配对连接。两条链上的碱基之间的配对并非是随机的,而总是A与T通过形成的2个氢键相连接(A=T或T=A),C与G则通过形成的3个氢键而配对(C≡G或G≡C)。这样,沿着任何一条DNA链,所有4种碱基有着多种多样可能的排列顺序。

两条通过碱基间配对连接的DNA链,称为互补链(complementary chain)。两条互补链呈反向平行的螺旋结构,每一螺距为3.4nm,内有10个碱基对。尽管形成碱基间配对连接的氢键是非常弱的键,但由于互补链之间有着这么多的碱基对,所以在生理条件下从来不会自发地分开。可是,如果在高温下,DNA分子的氢键就会遭到破坏,于是双螺旋解离成两条互补链。这一过程称为变性(denaturation)。

虽然DNA的碱基只有4种(A、T、C、G),碱基对只有2种(A=T、C≡G),但由于DNA分子很大(4 000个至40亿个核苷酸),所以分子结构具有多样性,这是碱基对的种类、数目、排列顺序千变万化的结果。如果一个DNA分子有100个碱基对,那么它可能的排列方式就有4100种。DNA中4种碱基A、T、G、C千变万化的排列顺序体现了DNA的多样性,同时也决定DNA分子能够蕴藏生物界全部的生命信息,是生物遗传性和多样性的基础。

(二)DNA的功能

1.DNA的信息储存功能 双链DNA分子中蕴藏着丰富的遗传信息。DNA中千变万化的碱基排列顺序体现了DNA的多样性,特定的碱基排列顺序决定了DNA的特异性。

2.DNA的复制功能 DNA分子的双链互补结构保证DNA分子复制遗传信息,从而使亲代的遗传信息准确地传给子代。当DNA分子在DNA解旋酶的作用下断开成为两条单链时,分别以两条单链为模板,在DNA聚合酶和连接酶的作用下,按照“碱基互补配对”原则,重新合成两条与它互补的DNA链。这样,原来的DNA双链分子通过复制产生了两个子代DNA双链分子。子代链中的碱基顺序同亲代链完全一样(图2-2)。

复制产生的两条新的子代DNA中,一条链是亲代留下的,另一条则是以亲代链为模板新合成的。因此,DNA复制又称为“半保留复制”(图2-3)。

图2-2　DNA自我复制

图2-3　DNA半保留复制

3.DNA的转录功能 以DNA分子中的一条链为模板,互补合成RNA的过程称为转录(transcription)。转录时,DNA的双链在酶的作用下局部解旋,以其中的一条链为模板,按照碱基互补原则,在RNA聚合酶的作用下合成一条RNA单链(图2-4)。在RNA合成后,DNA重新恢复双螺旋结构。

图2-4　DNA分子转录