脱氧核糖核酸的双螺旋结构

DNA大分子的核苷酸是以3′,5′-磷酸二酯键互相连接而形成的多聚核苷酸(参见 “脱氧核糖核酸的一级结构”)。1950年前后，人们发现DNA与RNA在外观上不相同，DNA常呈纤维状，在提纯时比较容易获得高分子量(106以上)的纤维状样品。另外又发现其分子中碱基有特殊的共同规律，即腺嘌呤(A)摩尔含量相当于胸腺嘧啶(T)摩尔含量，而胞嘧啶(C)摩尔含量相当于鸟嘌呤(G)摩尔含量。早年在蛋白质的高级结构研究中发现了许多蛋白质有螺旋结构，而从核苷酸分子的空间结构研究中了解到核苷酸与另外核苷酸相连时同样出现螺旋。因而想到核酸是否也会呈螺旋结构存在。1953年Watson与Crick根据当时英国皇家研究所几位科学家对DNA纤维所做的X线衍射图，及DNA分子中碱基的特殊共同规律，大胆地设想出天然的DNA是以双螺旋形式存在的。并以这一模型来说明DNA在生物体内成为遗传信息的可能性。这在当时引起了生物界的极大注意。经过以后几年对DNA的物理化学研究，X线衍射图的证实，首先肯定了这一双螺旋结构的正确。继之又在一些微生物的DNA复制过程中证实了这一结构在生物体中实际上是存在的，从而奠定了DNA是遗传信息的携带者即基因的设想。生物体中一般的基因皆以这种DNA双螺旋二级结构形式存在。
在DNA双螺旋结构中很重要的特点之一就是碱基A与T成对，G与C成对，它们在双螺旋的中心以氢键相互维系，使两条多核苷酸链按特异的互补关系维系在一起，以共同一个轴心按右手螺旋形式，绕成双螺旋。其中A与T成对，G与C成对(图1)，这是当时许多科学家对DNA分子的分析结果。从双螺旋结构上看两碱基的互补关系又可发展成为两条互补的多核苷酸链。由于碱基存在互补性，则可对生物遗传时基因的半保留特性和生物遗传保守性合理地进行解释。

ⓒ+代表糖环中的碳
图1 碱基对图

DNA双螺旋结构除碱基成对特点外，还有以下几个要点：
❶两条互补链是以相对方向缠绕在一起的，即一个是3′→5′多核苷酸，另一个则是5′→3′多核苷酸，如图2，左方为结构图，右方为简化图。
❷由于碱基在双螺旋的中心，而磷酸基团在螺旋外部，故DNA一般是呈酸性的常以盐的形式存在。
❸螺旋每绕一周恰好是10对核苷酸，每绕一周的旋距是34A(3.4nm)。亦即在每对核苷酸旋转时都是转36°，占一个螺距的1/10。长为3.4A,DNA双螺旋的直径则是20。 从螺距和直径两个数据看， 计算DNA纤维长度时如设一个DNA分子中有3×10⁶个核苷酸对，则其DNA双螺旋长度应为3×10⁶×3.4，即为1.02mm，而螺旋的直径还是20A，这长度为直径的5.1×10⁵倍，是个极长的链，在生物界中大肠杆菌中的基因DNA的长度就是如此，不过它常盘绕成超螺旋包在大肠杆菌细胞中。另外，如果只从碱基对比来看也会发现A与T和G与C的克分子比常常并非完全相同，这也是由于DNA分子很大，提纯困难，加上实验的误差等等，所以得到的数字有时不可能完全一致。从这点也可说明生物体的DNA都是以大分子状态存在，一般分子量在106以上，甚至108以上。这样比起一般生物体中所含的有机物质就大得多了。但从其化学组成来说，不论多大分子都是由上述常见的四种核苷酸所组成。所以在说明是哪一种DNA时，必须前面加上生物体名称和组织或器官的名称等等，如小牛胸腺DNA。

图2 双链DNA结构示意图