DNA的结构

官官方生物老师·13 页·深入（追求细节与边界）·0 次浏览·3 天前

✦ DNA的结构生物 DNA的结构碱基对

双螺旋碱基配对反平行构型边界

DNA的结构

看清碱基如何配对、链为何反向平行，弄清B型与A/Z型的边界

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双螺旋碱基配对反平行构型边界

DNA的结构

看清碱基如何配对、链为何反向平行，弄清B型与A/Z型的边界

1第 1 页 · DNA的结构

基于证据构建并修正结构模

侦探破案靠零散线索拼出真相——科学家研究 DNA 也是这样：手握一堆间接证据，一步步把结构模型拼出来，还拼错过。

证据积累

Chargaff 比例（A=T, G=C）和 X 射线衍射图 Photo 51 提供关键约束

模型搭建

Watson 与 Crick 用纸板剪碱基、金属丝搭骨架，反复尝试

模型修正

从 Pauling 的三螺旋改为双螺旋，反向平行 + 碱基在内互补配对

预测与验证

新模型同时解释 Chargaff 比例与衍射图，并预言复制方式

拼图对应 →DNA 结构建模

证据是拼图碎片，模型是拼好的图；拼不对就拆掉重拼

2第 2 页 · 基于证据构建并修正结构模

利用互补配对规则进行序列

上一节我们确立了双螺旋的双链通过 A-T、G-C 互补配对。既然每个碱基都被严格指定另一侧的搭档，那么只要知道一条链的序列，另一条链的序列就被唯一确定——这就是互补规则最直接的推论能力。

推断定义

已知一条链的碱基序列，依据 A-T、G-C 配对规则推出互补链序列

逐位互补

每个碱基逐一映射：A↔T、G↔C，无需整体运算

反向平行

互补链与模板链方向相反，5' 端对着 3' 端

序列唯一

给定任一链的完整序列，其互补链序列被唯一确定

典型应用

Sanger 测序读峰判读、PCR 引物设计、突变位点回溯验证

正片与底片对应 →DNA 双链互补

正片上每点明暗与底片严格反转，碱基则 A↔T、G↔C 一一对应

5'\text{-ATGC-}3' \to 3'\text{-TACG-}5'

3第 3 页 · 利用互补配对规则进行序列

DNA双螺旋结构

前面讲过科学家如何用证据一步步拼出 DNA 模型。现在把模型摆正，仔细看清它：两条链怎么绕、碱基怎么对、整体长什么样。

反向平行双链

两条链方向相反，一条 5' 到 3'，另一条 3' 到 5'；这是复制与配对的几何前提

碱基互补配对

A 与 T 用 2 个氢键，G 与 C 用 3 个氢键相连；只有这两种组合成立

骨架在外、碱基在内

糖-磷酸骨架在外侧撑起结构，碱基藏在内侧像台阶

右手螺旋几何

B 型 DNA 每圈约 10.5 对碱基，螺距约 3.4 纳米；左手 Z 型是少数例外

大沟与小沟

螺旋扭曲让碱基边缘外露，形成宽窄两沟——蛋白质识别 DNA 的主要入口

螺旋楼梯对应 →DNA 双螺旋

两侧扶手 = 反向平行的糖磷酸骨架（一上一下方向相反），台阶 = A-T、G-C 互补碱基对

4第 4 页 · DNA双螺旋结构

反向平行（DNA两条链方向

上一页我们看到了双螺旋的整体形态，但两条链是怎么对齐的呢？答案出乎意料：它们不是同向并排，而是反向咬合——像拉链的两排齿，一上一下。这样做的原因，藏在几何与酶学里。

骨架的方向性

单链DNA一端是5'磷酸基，另一端是3'羟基，像一条只能单向走的路

反向平行的含义

若一条链从左到右是5'→3'，另一条则是3'→5'，两条链方向矢量恰好相反

几何配对的唯一解

A-T、G-C的分子形状只允许反向对齐才能稳定配对；同向则骨架会撞在一起

复制的不对称后果

DNA聚合酶只能在3'端延伸，所以两条链复制方式不同（leading与lagging strand）

拉链两排方向相反的齿对应 →DNA反向平行的两条链

齿尖方向相反才能咬合；链方向相反才能让A-T/G-C严丝合缝地配对

5第 5 页 · 反向平行（DNA两条链方向

DNA的基本骨架（脱氧核糖-

上页我们看到两条链『反向平行』地缠绕。那『链』到底是什么做的？答案就是脱氧核糖-磷酸骨架——整个 DNA 分子的结构支柱。

脱氧核糖

五碳糖，C1'到C5'五个碳位，比核糖少一个氧（这正是『脱氧』的由来）

磷酸基团

连接相邻两个糖的3'碳和5'碳，形成磷酸二酯键

磷酸二酯键

把『糖-磷酸-糖』串成一条链的化学键，骨架的核心连接方式

5'→3'方向

链两端化学结构不对称，自然形成方向，所有 DNA 合成只能沿此方向延伸

外侧支架

骨架盘在螺旋外侧，把碱基挡在内侧，是螺旋的承重结构

珍珠项链的串线对应 →脱氧核糖-磷酸骨架

糖和磷酸交替穿成串，碱基像吊坠挂在糖的C1'位

6第 6 页 · DNA的基本骨架（脱氧核糖-

碱基对

上页我们看到 DNA 骨架像两条平行铁轨，那两轨之间靠什么连成一体、又能稳定撑开固定宽度？这就要靠碱基对。

互补配对

A 只配 T，G 只配 C；不存在其他组合

氢键数量

A–T 之间 2 个氢键，G–C 之间 3 个氢键

嘌呤-嘧啶

大配小，双螺旋宽度恒定约 2 nm

特异性意义

是复制保真、序列可被识别的化学根基

梯子的横档对应 →DNA 碱基对

骨架是两根立杆，碱基对是一根根横档，把两侧撑开并锁住

7第 7 页 · 碱基对

氢键（连接DNA两条链的碱

氢键（连接DNA两条链的碱基间作用力）：背景、意义与延伸了解

氢键（连接DNA两条链的碱

氢键（连接DNA两条链的碱基间作用力）：背景、意义与延伸了解

8第 8 页 · 氢键（连接DNA两条链的碱

碱基互补配对原则

碱基互补配对原则：定义、要点与典型应用

碱基互补配对原则

碱基互补配对原则：定义、要点与典型应用

9第 9 页 · 碱基互补配对原则

查哥夫法则（碱基数量关系

上一页讲了碱基配对，可凭什么说A一定配T、G一定配C？1950年查哥夫用纸层析法系统统计了多种生物DNA的碱基组成，发现了一个惊人的数量规律——A的量总是等于T，G的量总是等于C。

碱基数量相等

双链DNA中%A=%T、%G=%C，A与T、G与C的摩尔数严格相等

物种特异性

不同生物(A+T)/(G+C)比值不同，但同种不同组织高度一致

边界与例外

单链DNA不适用；线粒体DNA、端粒区可能有微弱偏离

典型应用

鉴定物种来源、估算GC含量、解释DNA热稳定性差异

工厂的螺栓与螺母对应 →碱基A与T的等量关系

一颗螺栓配一颗螺母，工厂无论生产多少批，螺栓总数恒等于螺母总数

A = T,\quad G = C,\quad \dfrac{A+T}{G+C}=\text{物种特征比}

10第 10 页 · 查哥夫法则（碱基数量关系

5′端与3′端

骨架已经说明，每个脱氧核糖都有可编号的碳位。沿着一条链追踪，两个末端露出的化学基团不同，由此产生了5′端与3′端。

端基定位

5′端是末端核苷酸5′碳所连的磷酸端；3′端是3′碳所带的羟基端。

骨架方向

相邻核苷酸以3′—5′磷酸二酯键相连；核苷酸序列因此具有明确的5′→3′方向。

延伸约束

DNA聚合酶只能把新核苷酸加到现有3′-OH上，因此新链只能沿5′→3′延伸。

序列应用

DNA序列通常按5′→3′书写和读取；引物的3′端是DNA聚合酶添加核苷酸的位置。

概念边界

5′、3′描述的是脱氧核糖的碳位，不是碱基类型或氢键强弱；链的方向来自骨架的化学不对称性。

单程列车的方向牌对应 →DNA链的5′→3′方向

起点对应5′端，终点对应3′端；两端化学基团不同，因此序列只能按规定方向书写。

11第 11 页 · 5′端与3′端

本节要点

✓结构是证据累积的结果，非凭空演绎
✓5'→3'方向性，决定了复制与读取起点
✓A-T两氢键、G-C三氢键，键数决定稳定性
✓查哥夫比例是互补配对的统计投影
✓骨架恒定而碱基可变，承载遗传信息

延伸主题：DNA半保留复制机制DNA与RNA的结构差异染色质中DNA的折叠包装

12第 12 页 · 本节要点

课后思考

先独立思考，再对照参考答案。答案点到为止，关键看你的思路。

1DNA为什么采用双链结构？这种结构带来了什么独特优势？

参考答案双链通过碱基互补配对形成稳定双螺旋，且一条链可作为另一条的模板进行修复或复制。这种'双保险'是遗传信息长期、稳定储存的关键基础。

2实验测得某DNA样品A=25%、T=15%，但正常双链DNA应当A=T。如何解释这一矛盾？

参考答案可能原因：测序或定量误差、样品不纯混有其他核酸、或提取过程中DNA部分降解。理论上只要两条链完整配对，A就必然等于T。

3反向平行意味着两条链方向相反。如果一条链5'→3'是ATGC，另一条链5'→3'方向是什么？

参考答案是GCAT。原链5'-ATGC-3'的互补链反向平行排列为3'-TACG-5'，再倒过来从5'→3'读就是GCAT——这就是反向互补序列。

13第 13 页 · 课后思考