DNA：历史，功能，结构，组成 - 生物学 - 2025

的DNA（脱氧核糖核酸）是所述生物分子包含生成主体和保持其操作所必需的信息。它由称为核苷酸的单元组成，又由磷酸基团，五碳糖分子和含氮碱基组成。

有四个含氮碱基：腺嘌呤（A），胞嘧啶（C），鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。腺嘌呤总是与胸腺嘧啶和鸟嘌呤与胞嘧啶配对。DNA链中包含的信息被转化为信使RNA，并参与蛋白质的合成。

DNA是一种极其稳定的分子，在生理pH下带负电荷，可与阳性蛋白（组蛋白）结合，从而有效地压缩在真核细胞核中。DNA的长链与各种相关的蛋白质一起形成一条染色体。

历史

1953年，由于罗莎琳德·富兰克林和莫里斯·威尔金斯进行的晶体学研究，美国詹姆斯·沃森和英国弗朗西斯·克里克设法阐明了DNA的三维结构。他们还基于其他作者的工作得出结论。

当DNA暴露于X射线时，形成的衍射图可用来推断分子的结构：两个反平行链的螺旋向右旋转，其中两个链通过碱基之间的氢键连接。 。获得的模式如下：

可以根据布拉格衍射定律假定这种结构：当物体插入X射线束的中间时，由于物体的电子与该束相互作用，因此该物体被反射。

1953年4月25日，沃森（Watson）和克里克（Crick）的结果发表在著名的《自然》杂志上，只有两页的标题为“核酸分子结构”的文章，这将彻底改变生物学领域。

由于这一发现，研究人员在1962年获得了诺贝尔医学奖，但富兰克林在分娩前就去世了。当前，这一发现是成功获取新知识的科学方法成功的重要代表之一。

组件

DNA分子由核苷酸组成，核苷酸由与磷酸基相连的五碳糖和含氮碱基组成。DNA中发现的糖类型为脱氧核糖类型，因此其名称为脱氧核糖核酸。

为了形成链，核苷酸通过来自糖的3'-羟基（-OH）和下一个核苷酸的5'-磷酸通过磷酸二酯型键共价连接。

核苷酸不应与核苷混淆。后者是指仅由戊糖（糖）和含氮碱基形成的核苷酸部分。

DNA由四种类型的含氮碱基组成：腺嘌呤（A），胞嘧啶（C），鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。

氮碱分为两类：嘌呤和嘧啶。第一组由一个与五个原子相连的五个原子的环组成，而嘧啶仅由一个环组成。

在提到的碱基中，腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤的衍生物。相反，胸腺嘧啶，胞嘧啶和尿嘧啶（存在于RNA分子中）属于嘧啶类。

结构体

DNA分子由两条核苷酸链组成。该“链”称为DNA链。

两条链通过互补碱基之间的氢键连接。氮碱基与糖和磷酸盐的骨架共价连接。

位于一条链上的每个核苷酸可以与另一条链上的另一个特定核苷酸偶联，以形成众所周知的双螺旋。为了形成有效的结构，A总是通过两个氢键与T耦合，G总是通过三个键与C耦合。

查格夫定律

如果我们研究DNA中含氮碱基的比例，我们会发现A的量与T的量相同，G和C的量相同。这种模式被称为Chargaff定律。

这种配对在能量上是有利的，因为它允许沿结构保留相似的宽度，沿糖-磷酸骨架分子保持相似的距离。注意，环的基部与环之一匹配。

双螺旋模型

建议双螺旋每转由10.4个核苷酸组成，中心距为3.4纳米。轧制过程导致在结构中形成凹槽，从而能够观察到更大或更小的凹槽。

出现凹槽是因为碱基对中的糖苷键在直径上并不相对。在次要沟中发现嘧啶O-2和嘌呤N-3，而主要沟位于相反区域。

如果我们使用梯子的类比，则梯级由彼此互补的碱基对组成，而骨架对应于两个抓杆。

DNA分子的末端不相同，这就是为什么我们说“极性”的原因。它的一个末端3'带有-OH基，而5'末端具有游离磷酸基。

两条线以反平行的方式放置，这意味着它们相对于它们的极性以相反的方式放置，如下所示：

另外，其中一条链的序列必须与其伴侣互补，如果在一个位置上有A，则在反平行链中必须有一个T。

组织

在每个人体细胞中，大约有两米长的DNA必须有效包装。

必须将链条压紧，以便可以将其包含在直径仅为6μm的微观核中，该核仅占细胞体积的10％。由于以下压缩级别，因此可以实现：

组蛋白

在真核生物中，有称为组蛋白的蛋白质，它具有与DNA分子结合的能力，是DNA链的第一级紧缩。组蛋白具有正电荷，能够与磷酸盐提供的DNA负电荷相互作用。

组蛋白是对真核生物非常重要的蛋白质，以至于它们在进化过程中几乎没有改变-记住低的突变率表明对该分子的选择性压力很强。组蛋白的缺陷可能会导致DNA的紧实缺陷。

组蛋白可以进行生物化学修饰，该过程可以修饰遗传物质的紧实程度。

当组蛋白被“低乙酰化”时，染色质会更加浓缩，因为乙酰化形式会中和蛋白质中赖氨酸的正电荷（带正电荷的氨基酸）。

核小体和30 nm光纤

DNA链扭曲成组蛋白，它们形成类似于珍珠项链上的珠子的结构，称为核小体。该结构的核心是每种组蛋白的两个副本：H2A，H2B，H3和H4。不同组蛋白的结合被称为“组蛋白八聚体”。

八聚体被约146个碱基对围绕，环绕不到两次。人类二倍体细胞包含大约6.4 x 10 ⁹个核苷酸，这些核苷酸被组织成3000万个核小体。

组织成核小体可使DNA压缩至原始长度的三分之一以上。

在生理条件下提取遗传物质的过程中，观察到核小体排列在30纳米纤维中。

染色体

染色体是遗传的功能单元，其功能是携带个体的基因。基因是DNA的一个片段，其中包含合成蛋白质（或一系列蛋白质）的信息。但是，也存在编码调控元件（例如RNA）的基因。

所有人类细胞（配子和红细胞除外）每个染色体都有两个副本，一个从父亲那里继承，另一个从母亲那里继承。

染色体是由与上述蛋白质复合物相关的长条线性DNA组成的结构。通常在真核生物中，包含在细胞核中的所有遗传物质都被分为一系列染色体。

原核组织

原核生物是缺乏核的生物。在这些物种中，遗传物质与低分子量的碱性蛋白质紧密缠绕在一起。这样，DNA被压紧并位于细菌的中央区域。

一些作者经常将此结构称为“细菌染色体”，尽管它不具有与真核染色体相同的特征。

DNA数量

并非所有生物物种都包含相同数量的DNA。实际上，该值在物种之间变化很大，并且DNA的数量与生物的复杂性之间没有关系。这种矛盾被称为“ C值悖论”。

逻辑推理是要理解有机体越复杂，它具有的DNA就越多。但是，这本质上是不正确的。

例如，肺鱼aethiopicus的肺鱼Protopterus aethiopicus的基因组大小为132 pg（DNA可以用皮克= pg量化），而人类基因组仅重3.5 pg。

必须记住的是，并非生物体的所有DNA都编码蛋白质，其中很大一部分与调节元件和不同类型的RNA有关。

DNA的结构形式

根据X射线衍射图推导的Watson和Crick模型被称为B-DNA螺旋，是“传统”和最著名的模型。但是，还有其他两种不同的形式，称为A-DNA和Z-DNA。

DNA – A

就像B-DNA一样，“ A”变体也向右旋转，但变短且变宽。当相对湿度降低时会出现这种形式。

A-DNA每11个碱基对旋转一次，主沟比B-DNA窄且深。关于小凹槽，这更浅并且更宽。

DNA – Z

第三个变体是Z-DNA。它是最窄的形式，由以反平行链的双链形式组织的一组六核苷酸形成。这种形状最突出的特征之一是它向左转，而另外两种方式则使它向右转。

当嘧啶和嘌呤的短序列相互交替时，就会出现Z-DNA。与B-DNA相比，主要沟是平坦的，次要沟是狭窄和更深的。

尽管在生理条件下，DNA分子大部分呈B形式，但所描述的两个变体的存在暴露了遗传物质的灵活性和动态性。

特征

DNA分子包含构建生物所需的所有信息和说明。生物体中完整的遗传信息集称为基因组。

该消息由“生物字母”编码：前面提到的四个基数A，T，G和C。

该信息可能导致形成各种类型的蛋白质或编码某些调控元件。这些数据库传递消息的过程说明如下：

复制，转录和翻译

以四个字母A，T，G和C加密的消息会产生表型（并非所有DNA序列都编码蛋白质）。为此，DNA必须在细胞分裂的每个过程中自我复制。

DNA复制是半保守的：一条链用作形成新子代分子的模板。复制被多种酶催化，包括DNA引发酶，DNA解旋酶，DNA连接酶和拓扑异构酶。

随后，必须以基本序列语言编写的消息必须传输到中间分子：RNA（核糖核酸）。此过程称为转录。

为了发生转录，必须参与不同的酶，包括RNA聚合酶。

这种酶负责复制DNA信息并将其转换为信使RNA分子。换句话说，转录的目的是获得信使。

最后，由于核糖体的作用，信息被翻译成信使RNA分子。

这些结构采用信使RNA，并与翻译机制一起形成指定的蛋白质。

遗传密码

该消息以“三胞胎”或由三个字母组成的组读取，这些字母指定一个氨基酸-蛋白质的组成部分。由于已经完全揭示了遗传密码，因此可以解密三元组的信息。

翻译始终以氨基酸蛋氨酸开始，该蛋氨酸由起始三联体：AUG编码。“ U”代表尿嘧啶碱基，是RNA和取代胸腺嘧啶的特征。

例如，如果信使RNA具有以下序列：AUG CCU CUU UUU UUA，则将其翻译为以下氨基酸：蛋氨酸，脯氨酸，亮氨酸，苯丙氨酸和苯丙氨酸。请注意，两个三胞胎-在这种情况下为UUU和UUA-可以编码相同的氨基酸：苯丙氨酸。

由于这种性质，据说遗传密码是简并的，因为一个氨基酸由一个以上的三联体序列编码，除了指示翻译开始的氨基酸甲硫氨酸外。

使用特定的停止或停止三元组（UAA，UAG和UGA）停止该过程。它们分别以o石，琥珀和蛋白石的名称而闻名。当核糖体检测到它们时，它们将无法再向链中添加任何氨基酸。

化学和物理性质

核酸本质上是酸性的，可溶于水（亲水性）。可能在戊糖的磷酸基和羟基之间形成氢键。在生理pH下带负电。

由于双螺旋的抗变形能力非常强，因此DNA溶液具有很高的粘性。如果核酸是单链的，则粘度降低。

它们是高度稳定的分子。从逻辑上讲，此特征在携带遗传信息的结构中必不可少。与RNA相比，DNA缺乏羟基，因此更加稳定。

DNA可以热变性，也就是说，当分子暴露于高温时，链会分开。

必须施加的热量取决于分子的G-C百分比，因为这些碱基通过三个氢键连接，从而增加了分离的阻力。

关于光的吸收，它们在260纳米处具有一个峰，如果核酸是单链的，则该峰增加，因为核苷酸环是暴露的，并且这些核苷酸环负责吸收。

演化

据拉兹卡诺等。1988年DNA从RNA出现进入过渡阶段，是生命史上最重要的事件之一。

这组作者提出了三个阶段：第一个阶段是存在类似于核酸的分子，后来基因组由RNA组成，最后一个阶段出现了双谱带DNA基因组。

一些证据支持基于RNA的原始世界的理论。首先，蛋白质合成可以在不存在DNA的情况下发生，而在RNA缺失的情况下不发生。此外，已经发现具有催化特性的RNA分子。

关于脱氧核糖核苷酸（存在于DNA中）的合成，它们总是来自核糖核苷酸（存在于RNA中）的还原。

DNA分子的进化创新必须要求存在合成DNA前体并参与RNA逆转录的酶。

通过研究目前的酶，可以得出结论，这些蛋白质已经进化了数次，并且从RNA到DNA的转变比以前认为的更为复杂，包括基因的转移和丢失以及非直系同源置换的过程。

DNA测序

DNA测序包括根据构成DNA链的四个碱基来阐明DNA链的序列。

在生物科学中，有关此序列的知识至关重要。它可用于区分两个形态非常相似的物种，以检测疾病，病理或寄生虫，甚至具有法医适用性。

Sanger测序是在1900年代开发的，是用于阐明序列的传统技术。尽管年代久远，它是一种有效的方法，并已被研究人员广泛使用。

桑格法

该方法使用了DNA聚合酶，这是一种高度可靠的酶，可以在细胞中复制DNA，并以预先存在的DNA链为指导合成新的DNA链。该酶需要引物来启动合成。引物是与待测序分子互补的DNA小分子。

在反应中，添加了核苷酸，该核苷酸将被酶掺入新的DNA链中。

除了“传统”核苷酸外，该方法还包括针对每个碱基的一系列双脱氧核苷酸。它们在两个特征上与标准核苷酸不同：在结构上，它们不允许DNA聚合酶向子链添加更多的核苷酸，并且每个碱基具有不同的荧光标记。

结果是各种DNA分子的长度不同，因为双脱氧核苷酸是随机掺入的，并在不同阶段停止了复制过程。

可以根据分子的长度分离各种分子，并通过从荧光标记发出的光来读取核苷酸的身份。

下一代测序

近年来开发的测序技术可以同时对数百万个样品进行大量分析。

最杰出的方法包括焦磷酸测序，合成测序，连接测序和离子激流的下一代测序。

参考文献

1. Alberts，B.，Johnson，A.，Lewis，J。，等。（2002）。细胞的分子生物学。第四版。纽约：花环科学。DNA的结构和功能。网址：ncbi.nlm.nih.gov/
2. Alberts，B.，Johnson，A.，Lewis，J。，等。（2002）。细胞的分子生物学。第四版。纽约：花环科学。染色体DNA及其在染色质纤维中的包装。网址：ncbi.nlm.nih.gov
3. Berg，JM，Tymoczko，JL，Stryer，L。（2002）。生物化学。第5版。纽约：WH Freeman。第27.1节，DNA可以采用多种结构形式。网址：ncbi.nlm.nih.gov
4. Fierro，A。（2001）。DNA结构发现的简史。MédClínicaLas Condes牧师，第20卷，第71-75页。
5. Forterre，P.，Filée，J.和Myllykallio，H.（2000-2013）DNA和DNA复制机器的起源和演变。在：居里夫人生物科学数据库。奥斯汀（TX）：Landes Bioscience。网址：ncbi.nlm.nih.gov
6. Lazcano，A.，Guerrero，R.，Margulis，L。，&Oro，J。（1988）。在早期细胞中从RNA到DNA的进化过渡。Journal of Molecular Evolution，27（4），283-290。
7. Lodish，H.，Berk，A.，Zipursky，SL等。（2000）。分子细胞生物学。第四版。纽约：WH Freeman。第9.5节，将细胞DNA组织成染色体。网址：ncbi.nlm.nih.gov/books
8. Voet D.，Voet JG和Pratt CW（1999）。生物化学基础。纽约：约翰·威利和儿子。