DNA

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DNA, 即脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid)是一种分子,核酸的一类,因分子中含有脱氧核糖而得名。DNA是染色体的主要化学成分。DNA可组成遗传指令,以引导生物发育与生命机能运作。主要功能是长期性的资讯储存,可比喻为生物发育和运作的“蓝图”。带有遗传讯息的DNA片段称为基因,其他的DNA序列,有些直接以自身构造发挥作用,有些则参与调控遗传讯息的表现。

细胞内,DNA能组织成染色体结构,整组染色体则统称为基因组。染色体在细胞分裂之前会先行复制,此过程称为DNA复制。在分裂过程中,父代把它们自己DNA的一部分(通常一半,即DNA双链中的一条)复制传递到子代中,从而完成性状的传播。

DNA存在于细胞核线粒体叶绿体中,也可以以游离状态存在于某些细胞的细胞质中。大多数已知噬菌体、部分动物病毒和少数植物病毒中也含有DNA。

真核生物,如动物、植物及真菌而言,染色体是存放于细胞核内;对于原核生物而言,如细菌,则是存放在细胞质中的类核里。染色体上的染色质蛋白,如组织蛋白,能够将DNA组织并压缩,以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用,进而调节基因的转录

目录

历史

最早分离出DNA的弗雷德里希·米歇尔是一名瑞士医生,他在1869年,从废弃绷带里所残留的脓液中,发现一些只有显微镜可观察的物质。

1953年,詹姆斯·沃森弗朗西斯·克里克描述了DNA的结构:由一对多核苷酸链相互盘绕组成双螺旋。他们因此与伦敦国家工学院的物理学家弗雷德里克·威尔金斯共享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖

DNA结构和遗传信息

DNA片段结构动画,各种碱基水平排列于两条螺旋长链之间。

DNA是一种长链聚合物,由核苷酸重复排列组成,分子极为庞大(分子量一般至少在百万以上)。DNA宽度约22到24埃(2.2到2.4奈米),每一个核苷酸单位则大约长3.3埃(0.33奈米)。

组成DNA的核苷酸分四种, 分别是腺嘌呤(缩写A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。通常在生物体内,DNA并非单一分子,而是形成两条互相配对并紧密结合,且如蔓藤般地缠绕成双螺旋结构的分子。每个核苷酸分子的其中一部分会相互连结,组成长链骨架;另一部分称为碱基,可使成对的两条DNA相互结合。在整个DNA聚合物中,可能含有数百万个相连的核苷酸。例如人类细胞中最大的1号染色体中,就有2亿2千万个碱基对。

这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列,可组成遗传密码,而一个DNA上的碱基多达几百万,所以每个DNA就是一个大大的遗传密码本,里面所藏的遗传信息多得数不清,这种DNA分子就存在于细胞核中的染色体上。它们会随着细胞分裂传递遗传密码。人的遗传性状由密码来传递。人大概有2.5万个基因,而每个基因是由密码来决定的。人的基因中既有相同的部分,又有不同的部分。不同的部分决定人与人的区别,即人的多样性。人的DNA共有30亿个遗传密码,排列组成约2.5万个基因。读取密码的过程称为转录,是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。

除了RNA(核糖核酸)和噬菌体外,DNA是所有生物的遗传物质基础。生物体亲子之间的相似性和继承性即所谓遗传信息,都贮存在DNA分子中。

DNA溶液为高分子溶液,具有很高的粘度。DNA对紫外线有吸收作用,当核酸变性时,吸光值升高;当变性核酸可复性时,吸光值又会恢复到原来水平。温度、有机溶剂酸碱度尿素酰胺等试剂都可以引起DNA分子变性,即使得DNA双键间的氢键断裂,双螺旋结构解开。

DNA复制

DNA复制示意图

DNA复制是指DNA双链在细胞分裂以前进行的复制过程,复制的结果是一条双链变成两条一样的双链(如果复制过程正常的话),每条双链都与原来的双链一样。这个过程是通过名为半保留复制的机制来得以顺利完成的。复制可以分为以下几个阶段:

  1. 起始阶段:解旋酶在局部展开双螺旋结构的DNA分子为单链,引物酶辨认起始位点,以解开的一段DNA为模板,按照5'到3'方向合成RNA短链。形成RNA引物
  2. DNA片段的生成:在引物提供了3'-OH末端的基础上,DNA聚合酶催化DNA的两条链同时进行复制过程,由于复制过程只能由5'->3'方向合成,因此一条链能够连续合成,另一条链分段合成,其中每一段短链成为冈崎片段(Okazaki fragments)。
  3. RNA引物的水解:当DNA合成一定长度后,DNA聚合酶水解RNA引物,补填缺口。
  4. DNA连接酶将DNA片段的磷酸二酯键连接起来,形成完整的DNA分子。
  5. 最后DNA新合成的片段在旋转酶的帮助下重新形成螺旋状。

  

生物机能

DNA是遗传信息的载体,故亲代DNA必须以自身分子为模板准确的复制成两个拷贝,并分配到两个子细胞中去,完成其遗传信息载体的使命。而DNA的双链结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都是极为重要的。

在繁殖过程中,父代把它们自己DNA的一部分(通常一半,即DNA双链中的一条)复制传递到子代中,从而完成性状的传播。

DNA于真核生物细胞内,通常是以长条状染色体形式存在;在原核生物细胞内则是环状染色体。细胞内的所有染色体合称基因组。人类基因组中大约有30亿个碱基对,共组成了46个染色体。DNA所携带的讯息,是以序列形式,保存于一些称为基因的片段中。基因中的遗传讯息是经由互补的碱基配对来传递,例如在转录作用中,细胞里的RNA核苷酸会与互补的DNA结合,复制出一段与DNA序列互补的RNA序列。一般来说,这段RNA序列将会在转译作用中,经由RNA之间的互补配对,合成出相对应的蛋白质序列。另一方面,细胞也可以在称为DNA复制的过程中,单纯地复制其自身的遗传讯息。

DNA损害

有许多不同种类的突变原可对DNA造成损害,其中包括氧化剂烷化剂,以及高能电磁辐射,如紫外线X射线。不同的突变原对DNA造成不同类型的损害,举例而言,紫外线会造成胸腺嘧啶二聚体的形成,并与相邻的碱基产生交叉,进而使DNA发生损害。另一方面,氧化剂如自由基或过氧化氢,可造成多种不同形态的损害,尤其可对鸟苷进行碱基修饰,并且使双股分解。根据估计,在一个人类细胞中,每天大约有500个碱基遭受氧化损害。在各种氧化损害当中,以双股分解最为危险,此种损害难以修复,且可造成DNA序列的点突变、插入与删除,以及染色体易位。

许多突变原可嵌入相邻的两个碱基对之间,这些嵌入剂大多是芳香性分子及平面分子,包括乙锭道诺霉素阿霉素沙利窦迈。必须先使碱基之间的空隙变大,才能使嵌入剂置入碱基对之间,整体而言,DNA会因为双螺旋解开而扭曲变形。结构改变会使转录作用与DNA复制过程受到抑制,进而导致毒害与突变。因此DNA嵌入剂通常也是致癌物,常见的例子有二醇环氧苯并芘吖啶黄曲毒素溴化乙锭等。但是这些物质也因为能够抑制DNA的转录与复制,而可应用于化学治疗中,用以抑制癌症细胞的快速生长。

DNA修复

DNA修复(DNA repairing)是细胞对DNA受损伤后的一种反应,这种反应可能使DNA结构恢复原样,重新能执行它原来的功能;但有时并非能完全消除DNA的损伤,只是使细胞能够耐受这DNA的损伤而能继续生存。也许这未能完全修复而存留下来的损伤会在适合的条件下显示出来(如细胞的癌变等),但如果细胞不具备这修复功能,就无法对付经常在发生的DNA损伤事件,就不能生存。所以研究DNA修复也是探索生命的一个重要方面,而且与军事医学肿瘤学等密切相关。对不同的DNA损伤,细胞可以有不同的修复反应。

DNA技术发展

20世纪50年代,DNA双螺旋结构被阐明,揭开了生命科学的新篇章,开创了科学技术的新时代。随后,遗传的分子机理――DNA复制、遗传密码、遗传信息传递的中心法则、作为遗传的基本单位和细胞工程蓝图的基因以及基因表达的调控相继被认识。至此,人们已完全认识到掌握所有生物命运的东西就是DNA和它所包含的基因,生物的进化过程和生命过程的不同,就是因为DNA和基因运作轨迹不同所致。知道DNA的重大作用和价值后,生命科学家首先想到能否在某些与人类利益密切相关的方面打破自然遗传的铁律,让患病者的基因改邪归正以达治病目的,把不同来源的基因片段进行“嫁接”以产生新品种和新品质。

不过,虽然基因技术向人类展示了它奇妙的“魔术师”般的魅力,但也有大量的科学家对这种技术的发展予以人类伦理和生态演化的自然法则的冲击表示出极大的担忧。从理论上来讲,这种技术发展的一个极致就是使人类拥有了创造任何生命形态或从未有过的生物的能力。

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