大家好，这里是iGEM生物社。在经历了寒假漫长的准备后，我们的第一次线上科普就要开始啦！作为各个生物中的主要遗传物质，脱氧核糖核酸（DNA）有着许多特殊的结构和性质，下面的内容就为大家科普一下有关DNA的知识吧！
01DNA的化学组成DNA是由脱氧核苷酸组成的大分子聚合物。核苷酸由含氮碱基(base)，戊糖(五碳糖5-carbonsugar)以及磷酸(phosphate)组成。其中，含氮碱基和戊糖组成核苷，核苷与磷酸组成核苷酸。DNA的含氮碱基有4种，归为两类。一是嘌呤(purine)，二是嘧啶(pyrimidine)。嘌呤包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），嘧啶包括胸腺嘧啶（T），胞嘧啶（C）。（在RNA中，尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶（T））在核酸分子中，也会出现少量的修饰碱基，比如5-甲基胞嘧啶等。
脱氧核苷酸的各部分组成
02DNA的三级结构一级结构：四种磷酸脱氧核苷的排列顺序与连接方式核苷酸长链中每个核苷酸戊糖上的3’-羟基和相邻核苷酸戊糖上的5’-磷酸以3’，5’-磷酸二酯键相连。核苷酸长链的主链（戊糖＋磷酸）在中性或碱性环境中带负电，而侧链（嘌呤/嘧啶碱基）具有疏水性质。线性核苷酸的两个末端，分别为5’端和3’端（i.e.线性核苷酸的两端有一个游离的磷酸基和一个游离的羟基）。由于翻译具有方向性，DNA的5’端与肽链的N末端对应，3端与C末端对应。
DNA分子的连接
二级结构：反向平行的双螺旋结构
1.碱基互补配对原则（Cargaff规则）
A与T通过两个氢键连接，C与G通过三个氢键连接（因此C、G含量高的DNA熔点较高）。碱基的数量A=T，G=C。
碱基互补配对
2.DNA的三种构象
A-DNA与B-DNA是DNA的两种基本构象。
①B-DNA：Waston-Crick模型。右手螺旋DNA，基本所有天然状态下的DNA都是B-DNA。在DNA的双螺旋结构中，由于连接脱氧核糖和碱基的共价键占据的空间并不对称，所以磷酸-戊糖骨架的双螺旋排列并不是等距的，而是会在双螺旋中产生大小沟（MajorgrooveMinorgroove)。在大沟中，碱基对上的N原子和O原子会被暴露出来，从而可以与蛋白质的R基团侧链形成氢键。而由于每一种碱基对（A-T，T-A，C-G，G-C）与侧链所形成的氢键构型均不相同，所以在转录过程中当RNA聚合酶结合时DNA序列的信息便可以通过上述步骤被获取，从而在转录过程中起到关键作用（如转录因子会和大沟结合）。而小沟中的碱基对与蛋白质侧链形成的氢键只在AT和CG中存在差别，所以其含有的信息不如大沟充分。
DNA的反向平行双螺旋结构
②A-DNA：右手螺旋、较为粗短的DNA。转录时RNA-DNA杂交的双链结构与A-DNA结构相似，因此A-DNA构象可能与基因转录有关。在高盐分或脱水的环境下，DNA常以A-DNA的构象存在。
③Z-DNA：左手螺旋、较为细长的DNA。Z-DNA存在于果蝇的DNA分子中。
三种DNA双螺旋形态
此外还有C、D、E构象的右手螺旋DNA。在某些条件下（比如提高溶液盐浓度）可以实现构象的互相转变，但此转变不涉及共价键的断裂与重组。年，发现H-DNA三股螺旋结构，与基因调控和其他生物学功能有关。
3.DNA的甲基化修饰
DNA甲基化是DNA的一种化学修饰。在DNA甲基化转移酶作用下，一分子甲基会从S-腺苷甲硫氨酸转移到CG二核苷酸（即DNA上相邻两碱基为C和G，又称CｐＧ，其中ｐ代表磷酸基团）中的胞嘧啶上。在DNA的半保留复制中，甲基化转移酶会识别拥有一条甲基化单链的子链，并在另一条单链上加入甲基化修饰，从而使子链也被甲基化。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性和DNA与蛋白质相互作用的改变。甲基化修饰的聚集会引起基因沉默抑制基因表达，而去甲基化能让基因重新恢复表达。DNA甲基化可以作为一种不改变DNA序列的方法对DNA表达进行调控。
胞嘧啶上的甲基化修饰
DNA半保留复制中甲基化的维持
三级结构：DNA超螺旋
DNA分子双螺旋链通过扭曲和折叠所形成的特定构象，超螺旋(supercoil)是三级结构的一种形式。当DNA双螺旋两端被蛋白固定或是环状分子时，使DNA额外多转几圈或少转几圈，双螺旋中会形成无法释放的张力，因而DNA分子发生扭曲，从而形成超螺旋。若DNA以原双螺旋的方向进行捻转，形成的螺旋为正超螺旋。正超螺旋的碱基更加紧密。负超螺旋与正超螺旋相反，碱基更加疏松，也更容易解链。在自然环境中，大多数DNA都有轻微的负超螺旋，由拓扑异构酶的酶(topoisomerase)引入。拓扑异构酶在转录和复制过程能缓解DNA链受到的扭转力。
噬菌体PM2中的超螺旋现象（下为超螺旋）
拓扑异构酶改变DNA结构缓解扭力
DNA的双螺旋结构造就了其特殊的性质。在转录和翻译中，酶与DNA序列的特异性识别与结合依赖于此，同时如甲基化等改变DNA结构的过程也对基因表达起到了调控作用。在学习DNA的组成和拓扑结构的过程中，我们应当对DNA结构与功能的关系有更多的了解体会。其实不仅仅是DNA，生物体内的绝大多数反应都依赖于这样一种结构与功能的对应关系。在以后的推送中，我们也会为大家带来更多的分子生物学和合成生物学的知识，也希望大家能在学习中掌握生物学的规律，今天的科普就到这里，大家下期再见！
THEEND
文字/初三3石小异高一2赵鸣九
排版+图片/高一2赵鸣九
审核/高二6周星宇
图片来源：Lizabeth,A.A.FundamentalMolecularBiology.
上外附中iGEM文章已于修改