DNA结构 | 沃森和克里克 DNA模型

在20世纪50年代之前，DNA的结构一直是个谜。在20世纪50年代初，**詹姆斯·沃森**（美国生物学家）和**弗朗西斯·克里克**（英国物理学家）在整合了现有的物理和化学数据后，基于他们的研究提出了**DNA双螺旋模型**。罗莎琳·富兰克林和莫里斯·威尔金斯的工作帮助沃森和克里克发现了DNA的 DNA 的双螺旋结构。这个DNA结构模型被广泛接受，并被称为**沃森和克里克的DNA模型**。

沃森和克里克提出的DNA三维（3D）双螺旋模型，**包括其结构方面的最新进展**，将在下面进行描述。

• DNA是双链分子。它由两条螺旋链或股组成，它们围绕一个共同的轴螺旋盘绕，形成右旋双螺旋，如同扭曲的梯子。
  
• 每条链有两个末端；5'末端带有一个磷酸基团，3'末端带有一个羟基。DNA链的走向相反，这意味着一条链的5'末端和另一条链的3'末端位于同一侧，因此它们彼此反向平行。一条链从5'向3'方向延伸，称为**正义链**，而相反的链从3'向5'方向延伸，称为**反义链**。
  
• DNA的直径是均匀的，约为2纳米。
• 每次螺旋的距离或每个螺旋的长度是3.6纳米（早期为3.4纳米）。
• 碱基对之间的距离或两个连续环之间的距离是0.34纳米。
• 每个螺旋或360度完整旋转中含有10.5个核苷酸（早期为10个核苷酸）。
• 链的螺旋排列在两条链或股之间产生了主要沟和次要沟。主要沟较大，而次要沟较小。当骨架分开时出现主要沟，当骨架靠拢时出现次要沟。
• 交替的脱氧核糖和磷酸基团位于双螺旋的外部。因此，它们构成了螺旋的骨架。
• 每条DNA链都包含一个由四种碱基组成的序列，这四种碱基是腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。一条链上的碱基与另一条链上的互补碱基配对。
  
• 嘧啶碱（胸腺嘧啶和胞嘧啶）和嘌呤碱（腺嘌呤和鸟嘌呤）位于双螺旋内部。
• 特定的嘌呤碱通过氢键与特定的嘧啶碱结合或配对。例如，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对。
• 腺嘌呤和胸腺嘧啶通过两个氢键（A=T）连接，而鸟嘌呤和胞嘧啶通过三个氢键（G≡C）连接。
• 双螺旋结构通过嘌呤碱和嘧啶碱之间形成的氢键得到稳定。
• 这些碱基对被称为互补碱基对，构成DNA梯子的横档。因此，两条DNA链是相互互补的。A的碱基数量等于T的碱基数量，同样，G的碱基数量等于C的碱基数量。因此，嘌呤碱的数量总是等于嘧啶碱的数量。这也被一个称为**查加夫规则**的规则所暗示。
• **螺旋或股的侧边由核苷酸的交替糖和磷酸分子组成**，它们通过3'-5'磷酸二酯键连接。而**梯子的横档由氮碱组成**，它们通过糖苷键连接到糖上。如果我们将双螺旋结构想象成一个梯子，糖和磷酸基团可以被视为侧边，而碱基则是横档或踏板。

DNA的结构有助于理解DNA的各种功能，例如它是如何复制的，以及细胞如何利用它携带的信息来制造蛋白质。

DNA的分子结构

DNA是核酸，是生物大分子两大类之一。DNA分子有两条链，它们被紧密地包装或卷曲成线状结构，称为染色体，存在于真核细胞的细胞核中。它**紧密地缠绕在组蛋白上**，为DNA结构提供稳定性。在细胞分裂过程中，DNA会变得更紧密，因此在显微镜下只能在细胞分裂时才能看到DNA。

DNA的每条链由核苷酸组成，并有两个末端：5'末端和3'末端。DNA具有反向平行的结构，这意味着两条DNA链是反向平行的，因此走向相反。

所以，**DNA由核苷酸组成**，就像蛋白质由氨基酸组成一样。它是一串核苷酸，一个接一个地连接形成螺旋盘绕的DNA链或染色体。DNA中有**四种不同的核苷酸**。这些核苷酸是**腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鸟嘌呤**（A、C、T和G）。每个核苷酸包含**三个简单的分子部分**：一个5碳糖、一个磷酸基团和一个含氮碱基。

在核苷酸中，**磷酸基团和一个含氮碱基连接到糖分子上形成核苷酸**。所有四种核苷酸的糖都称为**脱氧核糖**，它是一种环状分子，由一个氧原子和四个碳原子构成，排列成环状结构。然而，第五个碳原子连接到这个环的第四个碳原子上。所有含氮**碱基由于含有多个氮原子**，因此被称为含氮碱基。

磷酸基团包含一个磷原子，该磷原子连接或结合四个氧原子。该磷原子倾向于与其他氧原子键合，例如另一个核苷酸脱氧核糖的氧原子。

DNA的四种核苷酸在含氮碱基方面是不同的。**每个核苷酸都有一个不同的含氮碱基连接到其脱氧核糖上**，并根据碱基进行命名，如下所述。

• 腺嘌呤核苷酸包含**腺嘌呤**
• 胸腺嘧啶核苷酸包含**胸腺嘧啶**
• 鸟嘌呤核苷酸包含**鸟嘌呤**
• 胞嘧啶核苷酸包含**胞嘧啶**

DNA中的核苷酸是如何相互连接的？

是**磷酸二酯键**将DNA分子中的核苷酸单体连接起来。该键总是**将核苷酸的3'碳连接到下一个核苷酸的5'碳**。

在这种键合中，一个共价键形成于一个核苷酸的3'碳上的氧原子与连接在另一个核苷酸的5'碳上的磷酸基团之间的磷原子之间。因此，它被称为3'-5'磷酸二酯键。当一个核苷酸连接另一个核苷酸时，会释放一个水分子，这个过程称为脱水合成。这个过程通常发生在聚合物形成时。

DNA链是如何相互连接的？

DNA链通过两条链之间的非共价氢键连接。这些键牢固地将两条链连接在一起，并形成于一个碱基上的特定氢原子（氢键供体）与位于另一条链上另一侧的碱基上的特定氧原子或氮原子（氢键受体）之间。

腺嘌呤和胸腺嘧啶核苷酸都有一个供体和一个受体。胞嘧啶核苷酸有一个供体和两个受体，而鸟嘌呤有一个受体和两个供体。

A核苷酸总是通过氢键连接到T核苷酸。而胞嘧啶核苷酸总是通过氢键连接到鸟嘌呤核苷酸。这种选择性键合称为**互补碱基配对**，它为两条DNA链的核苷酸序列提供了稳定性。箭头指向氢（h）键：胸腺嘧啶和腺嘌呤之间有两个氢键，胞嘧啶和鸟嘌呤之间有三个氢键。

查加夫规则

**埃尔文·查加夫**在20世纪50年代发现，核苷酸的含氮碱基（A、T、C和G）的数量并不相等。然而，他发现A的数量等于T的数量，C的数量总是等于G的数量。这一发现对于理解DNA双螺旋模型以及碱基之间的键合非常有益。

到目前为止，我们已经了解到两条长的DNA链连接在一起或螺旋形成双螺旋结构。此外，DNA可以被划分为称为基因的短片段。基因是DNA的一个短部分或片段。由于DNA分子是双链分子，包含碱基序列：A、T、G和C。因此，我们可以说一个基因是碱基的特定序列。

每个基因都可以被划分为三个核苷酸的子片段，称为**密码子**。因此，我们可以说一个密码子是DNA链的一个片段或部分，它**长度为三个核苷酸**或由三个核苷酸组成。基因可以被视为密码子串。

由于有四种核苷酸，DNA的四种核苷酸可以有64种不同的排列方式。碱基的顺序或序列决定了DNA的指令或遗传密码。除此之外，DNA链或分子非常长。如果没有适当的包装，它们无法容纳在细胞内。因此，它们与组蛋白一起被紧密地卷曲形成染色体。