I 分子的一级结构：共价键和碱基

I-1 磷酸

I-2 糖

I-3 含氮碱基

II 分子的二级和三级结构-DNA的三维构象

II.1 二核苷酸

II.2 DNA分子

II.2.1 氢键：碱基配对

II.2.2 大沟和小沟

II.3 非B型 DNA

II.3.1 Z型DNA

II.3.2 十字架形DNA和发夹DNA

II.3.3 H型DNA或三链螺旋DNA

II.3.4 G4型DNA

III 分子的四级结构-染色质

IV 多样性

IV.1 DNA和线粒体

IV.2 DNA变性

脱氧核糖核酸（DNA）是大多数生物的遗传信息（相反，某些病毒，称为逆转录病毒，使用核糖核酸作为遗传信息）。

- DNA可以在细胞世代中复制

- DNA可以翻译成蛋白质

- DNA可以在需要时进行修复

核糖核酸（RNAs）在另一章中进行了介绍（mRNA，r-RNA，t-RNA ...）

- DNA是由核苷酸（或单核苷酸）组成的聚合物。

- 核苷酸还具有其他功能：（能量载体：腺苷三磷酸，鸟苷三磷酸；细胞呼吸：烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，黄素腺嘌呤二核苷酸；信号转导：环磷腺苷；辅酶：辅酶A，三磷酸尿苷；维生素：烟酰胺单核苷酸，维生素B2）。

使用蛋白质命名法，我们可以描述分子的一级，二级，三级和四级结构：

I 分子的一级结构：共价键和碱基

核苷由糖+含氮碱基组成。

核苷酸由磷酸+糖+含氮碱基组成。在DNA中，核苷酸是脱氧核糖核苷酸（在RNA中，核苷酸是核糖核苷酸）。

I-1磷酸

产生磷酸基团。

I-2糖：

脱氧核糖，为环状戊糖（5-碳糖）。注意：RNA中的糖是核糖。糖中的碳编号从1'到5'。含氮碱基的氮原子连接至C1'（糖苷键），而磷酸连接至C5'（酯键）以形成核苷酸。因此，核苷酸是：磷酸-C5'糖C1'-碱基。

I-3含氮碱基：

芳香杂环；有嘌呤和嘧啶类。

- 嘌呤：腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）。

- 嘧啶类：胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）（注意：胸腺嘧啶在RNA中被尿嘧啶（U）取代）。

注意：存在其他含氮碱基，特别是由上述衍生的甲基化碱基；碱基的甲基化具有功能性作用（见专案章节）。

词汇表：

- 核苷名称：DNA中的脱氧核糖核苷：脱氧腺苷，脱氧鸟苷，脱氧胞苷，脱氧胸苷（RNA中的核糖核苷：腺苷，鸟苷，胞苷，尿苷）。

- 核苷酸名称：DNA中的脱氧核糖核苷酸：脱氧腺苷酸，脱氧鸟苷酸，脱氧胞苷酸，脱氧胸苷酸（RNA中的核糖核苷酸：腺苷酸，鸟苷酸，胞苷酸，尿苷酸）。

II 分子的二级和三级结构-DNA的三维构象

II.1 二核苷酸

       由两个单核苷酸之间的磷酸二酯键形成二核苷酸。单核苷酸的磷酸（在其糖的C5'）与前一个单核苷酸的糖的C3'相连。然后，从磷酸，5'糖（+碱基）和3'糖开始，再与第二个磷酸-5'糖连接，该3'糖可用于下一步。因此，分子的连接方向为5'-> 3'。多核苷酸是由单体通常沿5'-> 3'方向连续添加而成。分子的主链由一系列磷酸-糖（核苷酸n）-磷酸-糖（核苷酸n + 1）组成，依此类推，共价连接，而碱基在一旁。

II.2 DNA分子

      DNA由两个（“双链DNA”）右旋体（如螺钉；右旋）螺旋链或链（“双螺旋”）组成，绕轴绕成一个直径为20A°的双螺旋。两条链是反平行的（同义：它们的5'-> 3'方向相反）。聚合物的一般显示周期为3.4 A°（对应于2个碱基之间的距离），另一个周期为34 A°，对应于一个螺旋圈（也对应10个碱基对）。

II.2.1 氢键：碱基配对

（疏水性）碱基堆叠在内部，平面垂直于双螺旋的轴。外部（磷酸和糖）是亲水的。

一条链的碱基与另一条链的碱基之间的氢键将两条链连接在一起（图中的虚线）。

一条链上的嘌呤应与另一条链上的嘧啶连接。因此，嘌呤残基的数目等于嘧啶残基的数目。

A结合T（具有2个氢键）。

G结合C（具有3个氢键：更稳定的连接：5.5 kcal与3.5 kcal）。

注意：DNA中A的含量等于T的含量，而G中的含量等于C中的含量。

      这种严格的对应关系（A T和G C）使两条链互补。一条链是另一条链的模板，并且是相反的：此特性将允许精确复制（半保留复制：一条链-模板-是保留的，另一链是新合成的，与第二链一样，是保留的，允许另一链重新合成；请参阅专案）。

注意：

碱基配对中的氢键有时不同于上述的Watson和Crick模型，使用嘌呤的N7原子代替N1（Hoogsteen模型）。

II.2.2 大沟和小沟

双螺旋是一个相当稳定性且具有粘性的分子，其长度很长和直径较小。它具有一个大沟和一个小沟。

大沟深而宽，小沟窄而浅。

DNA-蛋白质相互作用是细胞生命中的主要/必要过程（转录激活或抑制，DNA复制和修复）。

蛋白质通过特异性结合在DNA凹槽底部结合：氢键和非特异性结合：范德华相互作用，广义的静电相互作用；蛋白质识别H键供体，H键受体，甲基（疏水性），后者仅在大沟中；大沟有4种可能的识别模式，小沟只有2种（请参见图示）。

- 有些蛋白质在其大沟中结合DNA，另一些在小沟中结合，也有些则需要与两者结合。

注意：

- 2条链称为“正”链和“负”链，或“正向”链和“反向”链。在给定的位置，其中一条链（两条链中的任何一条）携带编码序列，另一条链也携带编码序列的可能性不大（但并非不可能）。

- DNA在体内被电离，表现得像聚阴离子。

      如上所述的双螺旋是“B”型DNA；它是体内最常见的形式，但其他形式也存在于体内（见下文）或体外。“A”型与B型DNA类似，但与B型DNA相比，其含水程度较低，在体内未发现“A”型。

II.3 非B型DNA

      DNA是一个可移动，不停的运动，转圈，发生扭曲的分子。下列结构被证明具有功能性作用；另一方面，它们可能有利于DNA断裂以及进一步的缺失，扩增，重组和突变。

词汇表：

回文记：这些名字前后读都一样（例如“ DNA LAND”）。DNA用于回文：参见下文。

II.3.1 Z型DNA

- Z型是左旋体（左旋）双螺旋，主链呈锯齿形（不如B型DNA光滑）。仅观察到一个凹槽，类似于小沟，碱基对位于远离轴线的一侧。碱基（在B型DNA中靠近轴线形成大沟）位于外表面。磷酸比B型DNA中的更紧密。Z型DNA无法形成核小体。

- 高GC含量有利于Z构象。胞嘧啶甲基化以及体内存在的分子如精胺和亚精胺可以稳定Z构象。

- DNA序列可以从B型转化为Z型，反之亦然：Z型DNA是体内的一种瞬时形态。

- Z型DNA的形成发生在基因转录过程中，在激活的转录基因的启动子附近的转录起始位点。在转录过程中，RNA聚合酶的移动诱导了转录位点的上游负超螺旋和下游正超螺旋。上游负超螺旋有利于Z型DNA的形成；Z型DNA的功能是承受负超螺旋作用。在转录结束时，拓扑异构酶将DNA松弛回B构象。

- 某些蛋白质与Z型DNA结合，特别是双链RNA腺苷脱氨酶（ADAR1），一种与Z型DNA结合的核RNA编辑酶；该酶将 pre-mRNA中的腺嘌呤转化为肌苷。随后，核糖体将肌苷识别为鸟嘌呤，并且用该表观遗传修饰编码的蛋白质将是不同的（参见表观遗传学的章节）。

注意：

- Z 型DNA抗体存在于红斑狼疮和其他自身免疫性疾病中。

- 双链RNA（dsRNA）可以采用Z构象。

II.3.2 十字架形DNA和发夹DNA

- Holliday交叉（在重组过程中形成）是十字架形结构。聚嘌呤/聚嘧啶DNA片段的反向（或镜像）重复（回文）也可以通过链内配对形成十字形或发夹结构。

- 回文的AT富集重复序列在t(11; 22)(q23; q11)的断点处发现，这是唯一已知的周期性结构易位。

- 重组后，核酸酶结合并裂解Holliday交叉。其他已知的蛋白质，例如HMG蛋白质和MLL（更多信息，请参阅：MLL）也可以结合十字架形DNA。

II.3.3 H型DNA或三链DNA

- 聚嘌呤/聚嘧啶DNA片段的反向重复序列（回文）可以形成三重结构（三重螺旋）。形成一个三链加一个单链DNA。

- H型DNA可能在基因表达的功能调节以及RNAs上发挥作用（例如，抑制转录）。

II.3.4 G4型DNA

- G4 DNA或四链DNA：将双链富含GC的序列折叠到自身上，在4个鸟嘌呤（“G4”）之间形成Hoogsteen碱基配对，这是一种高度稳定的结构。常在基因启动子附近和端粒处发现。

- 在减数分裂和重组中的作用；可能是调控因子。

- RecQ家族解旋酶能够解开G4 DNA（例如BLM，Bloom综合征中基因突变（更多信息，请参阅：Bloom综合征））。

III 分子的四级结构-染色质

      DNA与蛋白质（组蛋白和非组蛋白）结合，形成染色质。整个DNA是酸性的（带负电荷的），并与碱性的组蛋白（带正电荷的）结合：参见染色质一章

在人类单倍体基因组中，有3 ×10 9个核苷酸对，代表约30000个基因分布在一个单倍体的23个染色体上。

IV多样性

IV.1 DNA和线粒体

另请参见线粒体遗传

- DNA存在于细胞核中，但在线粒体中也少量存在。

- 线粒体源于古细菌，古细菌与真核细胞为内共生。

- 它们的遗传密码不同于所谓的“通用”密码（UGA，AUA，AGA，AGG：分别为通用密码中终止密码子，异亮氨酸，精氨酸，精氨酸，在哺乳动物线粒体中色氨酸，甲硫氨酸，终止密码子，终止密码子 ，以及其他物种线粒体中的其他含义）。

- 一个给定的线粒体中DNA拷贝数量是可变的。

- 线粒体DNA是环状的，具有重链和轻链，没有内含子，没有任何非编码序列。

- 线粒体上的基因编码的蛋白质参与电子运输，核糖体RNAs（rRNAs）和转运RNAs（tRNAs）。

- 每条DNA链都被转录，然后剪切成mRNAs，也包括rRNAs和tRNAs。

注意：线粒体还使用从细胞质中导入的蛋白质（由细胞核编码）；到目前为止，除了发生细胞凋亡的情况外，线粒体中的蛋白质不会输出到细胞质中。

IV.2 DNA变性：

      双螺旋在体外经高温，极端酸碱度和其他条件（尿素等）下会解旋。可以计算出熔点；由于A /T中只有2个氢键，而G/C中有3个氢键，因此结合更稳定，这是所研究样品的A/T与G/C比例的特征。变性后，DNA的物理性质会发生变化；例如增色效应：变性的DNA比双链DNA在260 nm处的光吸收更高。光吸收也随A/T与G/C的比例而变化：富含A/T的样品比富含G/C的样品的吸光率更高。

      DNA变性是众所周知的，因为：1-它可以测量A/T与G/C含量；2-它是原位杂交技术的基础（请参阅遗传学方法）。

刘灵枫~Sheng Xiao

Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology 2024-04-19

DNA分子结构

Online version: http://atlasgeneticsoncology.org/teaching/209214/dna