脱氧核糖核酸(DNA)

生物学

tuō yǎng hé táng hé suān

DNA(脱氧核糖核酸)是一种双螺旋分子,携带着构建和运行每一个生物体所需的遗传指令。

Visualization

Definition

DNA是你细胞内携带着构建你自身所需指令的分子;它看起来像一架扭曲的梯子,梯级的排列顺序拼出了这套密码。脱氧核糖核酸在所有生物体中都以双螺旋的形式储存遗传信息,由两条核苷酸链构成,每个核苷酸由一个糖分子、一个磷酸基团,以及腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)这四种含氮碱基中的一种组成,两条链上的碱基按A与T、G与C配对,碱基序列编码着基因,也就是制造蛋白质的指令。从化学角度看,它是一种由脱氧核苷酸构成的聚合物,相邻核苷酸之间通过一个糖分子的3'羟基与下一个糖分子的5'磷酸基团之间的磷酸二酯键相连,这使每条链都具有方向性,两条反向平行的链通过氢键(A-T之间两个,G-C之间三个)和碱基堆积作用缠绕成一条右手螺旋。DNA聚合酶进行的半保留复制沿5'到3'方向、从一个RNA引物开始进行,在前导链上连续合成,在后随链上则以冈崎片段的形式合成,经过校对之后,错误率可降低到约十亿分之一个碱基对。信息通过转录从DNA流向RNA,再通过翻译从RNA流向蛋白质。

Example

你身体里的每一个细胞,从毛发细胞到心脏细胞,都携带着相同的DNA,其中一半来自你的母亲,一半来自你的父亲。如果一条链的序列是ATGGCT,另一条链就必然是TACCGA;人类DNA约含有$31$亿个碱基对,每个细胞的细胞核内都保存着一套完整的拷贝,被组织成$46$条染色体。DNA螺旋的直径约为$2\ \text{nm}$,每个碱基对使螺旋上升$0.34\ \text{nm}$,因此$31$亿个碱基对,单倍体基因组的一份拷贝拉直后长约$1$米,二倍体细胞则约为$2$米;罗莎琳德·富兰克林的X射线衍射数据,对沃森和克里克在1953年提出的模型起到了关键作用。

Key Insight

DNA是用A、T、G、C这仅仅四个字母写成的,而这些字母的排列顺序,正是人、松树和蘑菇之间的根本差异所在。互补碱基配对正是复制得以实现的关键:把这架梯子从中间拆开,每一半都可以作为模板重建另一半,这正是细胞在分裂前复制DNA的方式。DNA以一种化学性质稳定、能以近乎完美的保真度被复制的聚合物形式,用数字化的方式储存信息,然而少数的复制错误,却是一切可遗传变异的最终来源,因此同一个分子,既是生命的档案库,又是推动生命改变的引擎。