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阅读 14686 次 历史版本 7个 创建者:看好中文百科 (2010/3/11 1:06:49)  最新编辑:看好中文百科 (2010/3/11 2:01:27)
脱氧核糖核酸
拼音:tuō yǎng hé táng hé suān
英文:DNA(desoxyribonucleic acid)
同义词条:DNA,去氧核糖核酸
  脱氧核糖核酸(英語:Deoxyribonucleic acid,縮寫爲DNA)又稱“去氧核糖核酸”,由成千上萬個脱氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成的一類核酸。因含脱氧核糖而得名。它是染色體的主要成分。此外,真核生物線粒體葉綠體中也含有DNA,原核生物質粒全由DNA構成。在不含核糖核酸(RNA)的病毒噬菌體中,其核酸都是DNA。可組成遺傳指令,以引導生物發育與生命機能運作。
DNA
主要功能是長期性的資訊儲存。其中包含的指令,是建構細胞内其他的化合物,如蛋白質RNA所需。帶有遺傳訊息的DNA片段稱爲基因,其他的DNA序列,有些直接以自身構造發揮作用,有些則參與調控遺傳訊息的表現。

  DNA是一種長鏈聚合物,組成單位稱爲核苷酸,而糖類與磷酸分子借由酯鍵相連,組成其長鏈骨架。每個糖分子都與四種鹼基里的其中一種相接,這些鹼基沿着DNA長鏈所排列而成的序列,可組成遺傳密碼,是蛋白質氨基酸序列合成的依據。讀取密碼的過程稱爲轉錄,是根據DNA序列複制出一段稱爲RNA的核酸分子。多數RNA帶有合成蛋白質的訊息,另有一些本身就擁有特殊功能,例如rRNAsnRNAsiRNA

  在細胞内,DNA能組織成染色體結構,整組染色體則統稱爲基因組。染色體在細胞分裂之前會先行複制,此過程稱爲DNA複制。對真核生物,如動物植物真菌而言,染色體是存放於細胞核内;對於原核生物而言,如細菌,則是存放在細胞質中的擬核里。染色體上的染色質蛋白,如組織蛋白,能夠將DNA組織並壓縮,以幫助DNA與其他蛋白質進行交互作用,進而調節基因的轉錄。

概述


  最早分離出DNA的弗雷德里希·米歇爾是一名瑞士醫生,他在1869年,從廢棄繃帶里所殘留的膿液中,發現一些隻有顯微鏡可觀察的物質。由於這些物質位於細胞核中,因此米歇爾稱之爲“核素”(nuclein)。到了1919年,菲巴斯·利文進一步辨識出組成DNA的鹼基、糖類以及磷酸核苷酸單元,他認爲DNA可能是許多核苷酸經由磷酸基團的聯結,而串聯在一起。不過他所提出概念中,DNA長鏈較短,且其中的鹼基是以固定顺序重複排列。1937年,威廉·阿斯特伯里完成了第一張X光衍射圖,闡明了DNA結構的規律性。

  1928年,弗雷德里克·格里菲斯從格里菲斯實驗中發現,平滑型的肺炎球菌,能轉變成爲粗糙型的同種細菌,方法是將已死的平滑型與粗糙型活體混合在一起。這種現象稱爲“轉型”。但造成此現象的因子,也就是DNA,是直到1943年,才由奧斯瓦爾德·埃弗里等人所辨識出來。1953年,阿弗雷德·赫希與瑪莎·蔡斯確認了DNA的遺傳功能,他們在赫希-蔡斯實驗中發現,DNA是T2噬菌體的遺傳物質。

  到了1953年,當時在卡文迪許實驗室的詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克里克,依據倫敦國王學院的羅莎琳·富蘭克林所拍攝的X光衍射圖及相關資料,提出了最早的DNA結構精確模型,並發表於《自然》期刊。五篇關於此模型的實驗證據論文,也同時以同一主題發表於《自然》。其中包括富蘭克林與雷蒙·葛斯林的論文,此文所附帶的X光衍射圖,是沃森與克里克闡明DNA結構的關鍵證據。此外莫里斯·威爾金斯團隊也是同期論文的發表者之一。富蘭克林與葛斯林隨後又提出了A型與B型DNA雙螺鏇結構之間的差異。1962年,沃森、克里克以及威爾金斯共同穫得了諾貝爾生理學或醫學獎。

  克里克在1957年的一場演說中,提出了分子生物學的中心法則,預測了DNA、RNA以及蛋白質之間的關係,並闡述了“轉接子假說”(即後來的tRNA)。1958年,馬修·梅瑟生與富蘭克林·史達在梅瑟生-史達實驗中,確認了DNA的複制機制。後來克里克團隊的研究顯示,遺傳密碼是由三個鹼基以不重複的方式所組成,稱爲密碼子。這些密碼子所構成的遺傳密碼,最後是由哈爾·葛賓·科拉納、羅伯特·W·霍利以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格解出。爲了測出所有人類的DNA序列,人類基因組計劃於1990年代展開。到了2001年,多國合作的國際團隊與私人企業塞雷拉基因組公司,分别將人類基因組序列草圖發表於《自然》與《科學》兩份期刊。

  有人認爲克里克與Raymond Gilising 不配作諾貝爾獎的穫獎者,他們“偷竊”了富蘭克林的數據。然而在領獎時,富蘭克林已經因肺癌死去3年了。

DNA的大小和形狀

 
  最小的如病毒和噬菌體DNA,分子量d也在百萬以上,大腸杆菌的DNA分子量爲2.5×109,人的DNA爲1.5×1012。DNA的大小還可以所含鹼基對數目和分子長度來表示,如猴腎病毒40的DNA含有5100鹼基對,其分子長爲1.7微米,即長度爲1微米的DNA相當於3000鹼基對,其分子量爲3000×660或2×106(每一鹼基對分子量以660計)。

  DNA分子大多是線性,不分枝,如真核生物染色體中的DNA;有些是環狀分子,如大腸杆菌的DNA,線粒體DNA,葉綠體DNA和一些病毒DNA等。絕大多數DNA是雙鏈,隻有少數噬菌體和病毒DNA是單鏈,如ΦX174的DNA是環狀單鏈分子。

鹼基組成

 
  由脱氧腺苷酸、脱氧鳥苷酸、脱氧胸苷酸和脱氧胞苷酸等脱氧核苷酸所組成。其中腺、鳥即腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G);胸、胞即胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。 測定這4種鹼基的克分子比也就代表了4種脱氧核苷酸的克分子比。分析了許多不同生物材料,如人肝、牛胸腺、 麥胚、酵母、大腸杆菌等的DNA中鹼基的克分子比,發現嘌呤鹼克分子含量和嘧啶鹼克分子含量近似相等,腺嘌呤克分子含量和胸腺嘧啶克分子含量近似相等,鳥嘌呤克分子含量和胞嘧啶克分子含量近似相等(在單鏈的 DNA中沒有這些規律)。
DNA的化學結構
例如酵母中鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶的克分子百分數分别爲18.3,31.7,17.4,32.6。此外還發現每一種生物DNA的鹼基比例都是恒定的,不因年齡、生長條件、環境因素而有變化,而且在高等生物中,不同器官和不同組織的DNA都含有相同的鹼基組成。此外,每個生物DNA的腺+胸與鳥+胞的比例各異,在細菌中這個比例的範圍很廣,例如藤黄叠球菌爲0.35,產氣梭狀芽孢杆菌爲 2.7。但在高等生物中,這個變化就較小,動物一般爲13~1.5,植物爲1.1~1.7。

一級結構

 
  也稱化學結構,即核苷酸的排列顺序。至1983年中期已經測定了許多種含幾千個核苷酸的 DNA的一級結構,主要有病毒、噬菌體、質粒和某些基因的DNA。幾萬對核苷酸的DNA如人的線粒體DNA,牛線粒體DNA和λ噬菌體DNA的一級結構也已測出。這樣迅速的發展,是由於:①發現了限制性核酸内切酶,從而可以把大分子DNA在特定的部位切成許多片段,再分别進行結構測定;②測定方法有很大進展,特别是化學降解法(用特殊的化學試劑專一性地作用於A、G、C、T)和末端終止法(用2',3'-雙脱氧核苷三磷酸代替正常的3'-脱氧核苷三磷酸以使 DNA鏈在酶促合成時停止延伸)起了很大作用;③運用重組DNA的方法穫得大量的純DNA;④新技術的應用,如用高比放射性的32P同位素標記DNA片段,使樣品大爲節省;又如用電子計算機幫助排列各酶解片段的先後。中國學者洪國藩在此基礎上,於1982年又創造出一種系統地非隨機測定法,進一步提高了效率。
DNA雙股螺鏇

高級結構

 
  1953年,J.D.沃森和F.H.C.克里克根據DNA分子中鹼基組成的規律性,DNA的X射線衍射圖譜以及其他一些實驗結果,提出了DNA的雙螺鏇模型。

  這個模型的特征是:① DNA由兩條多核苷酸鏈構成,這兩條鏈的方向相反,即一條鏈的5'-末端和另一條鏈的3'-末端相對應,兩條鏈都以右手螺鏇方式盤繞同一中心軸成雙螺鏇結構,這樣的鏇轉形成了大溝和小溝;②脱氧核糖和磷酸形成的骨架在外側,鹼基在雙螺鏇内側,兩兩配對,A對T,G對C,T對A,C對G,配對鹼基之間以氫鍵聯繫,從而使兩條多核苷酸鏈形成固定的關係。此外,堆集鹼基之間的疏水作用也有助於維持 DNA的雙鏈結構。由於DNA兩條鏈的鹼基具有嚴格的配對關係,通常叫它們爲互補鏈,如果一條鏈的核苷酸顺序弄清楚了,另外一條鏈上的核苷酸顺序也就一目了然;③每對鹼基處於同一平面,而和中心軸垂直,不同鹼基對的平面互相平行,相鄰兩平面的間距爲3.4埃,螺鏇每轉一圈的螺距爲3.4埃,所以每一圈螺鏇含10對鹼基,螺鏇的直徑爲20埃。DNA的雙螺鏇結構有3種,即A型,B型和C型,在生物體内和溶液中最常見的爲B型,就是具有上述各種特征的一種類型。A型和C型與B型類似,但有微小差異。

  1979年以來對人工合成的dCpGpCpGpCpGp,dpCpGpCpG晶體和聚d(GC)纖維進行X射線衍射研究,發現這些化合物爲左鏇結構,被命名爲Z型DNA。其他嘌呤和嘧啶相間的DNA片段也具有Z型的左鏇結構。Z型DNA比B型DNA細而長,鹼基對偏離軸心,靠近雙螺鏇的外側,呈現一種比較暴露的狀態,可能較易受外來因素的影響。Z型DNA還能在異體動物體内誘生抗體,用Z型DNA抗體進行實驗,發現它能和天然DNA結合,說明天然DNA分子中有Z型DNA的結構。

  DNA還有三級結構,如超螺鏇結構,由雙螺鏇鏈扭曲而成。在原核生物内長1毫米的 DNA鏈能壓縮在直徑1微米的細胞内就是這種盤鏇扭曲的結果。在真核生物細胞染色體上,DNA鏈與組蛋白組成核小體,在電子顯微鏡下呈念珠狀,在一根長絲上附着很多小球,小球直徑100埃左右,由長約140鹼基對的DNA繞在由組蛋白H2A,H2B,H3和H4各兩分子組成的八聚體蛋白質核心外面,小球之間爲細絲,由DNA和組蛋白H1構成。核小體進一步鏇繞摺叠壓縮而成染色質。

超螺鏇


  DNA鏈在雙螺鏇基礎上如繩索般扭轉的現象與過程稱爲DNA超螺鏇。當DNA處於“松弛”狀態時,雙螺鏇的兩股通常會延着中軸,以每10.4個鹼基對鏇轉一圈的方式扭轉。但如果DNA受到扭轉,其兩股的纏繞方式將變得更緊或更松。當DNA扭轉方向與雙股螺鏇的鏇轉方向相同時,稱爲正超螺鏇,此時鹼基將更加緊密地結合。反之若扭轉方向與雙股螺鏇相反,則稱爲負超螺鏇,鹼基之間的結合度會降低。自然界中大多數的DNA,會因爲拓撲異構酶的作用,而形成輕微的負超螺鏇狀態。拓撲異構酶同時也在轉錄作用或DNA複制過程中,負責紓解DNA鏈所受的扭轉壓力。
由左到右分别爲A型、B型與Z型三種DNA結構

各種類型的雙螺鏇結構


  DNA有多種不同的構象,其中有些構象之間在構造上的差異並不大。目前已辨識出來的構象包括:A-DNA、B-DNA、C-DNA、D-DNA、E-DNA、H-DNA、L-DNA、P-DNA與Z-DNA。不過以現有的生物系統來說,自然界中可見的隻有A-DNA、B-DNA與Z-DNA。DNA所具有的構象可根據DNA序列、超螺鏇的程度與方向、鹼基上的化學修飾,以及溶液狀態,如金屬離子與多胺濃度來分類。三種主要構象中以B型爲細胞中最常見的類型,與另兩種DNA雙螺鏇的差異,在於其幾何形態與尺寸。

  其中A型擁有較大的寬度與右鏇結構,小凹槽較淺且較寬,大凹槽則較深較窄。A型一般存在於非生理狀態的脱水樣本中,在細胞中則可能爲DNA與RNA混合而成的產物(類似酵素及DNA的複合物)。若一段DNA上的鹼基受到一種稱爲甲基化的化學修飾,將使其構型轉變成Z型。此時螺鏇形式轉爲左鏇,與較常見的右鏇B型相反。某些專門與Z-DNA結合的蛋白質可辨識出這種少見的結構,此外Z型DNA可能參與了轉錄作用的調控。
由重複排列的端粒構成的DNA四聯體結構形態。DNA骨架的構形與一般的螺鏇結構顯著地有所不同

四聯體結構


  線狀染色體的末端有一段稱爲端粒的特殊區域,由於一般參與複制DNA的酵素無法作用於染色體的3'端,因此這些端粒的主要功能,是使細胞能利用一種稱爲端粒酶的酵素來複制端粒。如果端粒消失,那麼複制過程將使染色體長度縮小。因此這些特化的端帽能保護染色體結尾不被外切酶破壞,並阻止細胞中的DNA修複系統將其視爲需修正的損毁位置。在人類細胞中,端粒是由重複出現數千次TTAGGG序列的單股DNA所組成。

  這些序列富含鳥嘌呤,可形成一種由四個鹼基重叠而成的特殊結構,使染色體末端較爲穩定。四個鳥嘌呤可構成一個平面,並且重叠於其他平面之上,產生穩定的G-四聯體結構。鹼基與位在四個鹼基中心的金屬離子螯合物之間,是經由氫鍵結合以穩定結構。左圖顯示由上方觀看人類端粒中的四聯體,圖中可見每四個鹼基爲一組,共三層鹼基重叠而成的單股DNA環狀物。在鹼基環繞的中心,可見三個螯合在一起的鉀離子。也有其他類型的結構存在,例如中心的四個鹼基,除了可以是屬於單一的一股DNA之外,也可能是由多條平行的DNA各自貢獻一個鹼基而形成。

  端粒另外還可形成一種大型環狀結構,稱爲端粒環或T環(T-loop)。是由單股DNA經過端粒結合蛋白的作用之後,卷曲而成的一個大循環。在T環長鏈最前端的地方,單股的DNA會附着在雙股DNA之上,破壞雙螺鏇DNA與另一股的鹼基配對,形成一種稱爲替代環或D環的三股結構。

物理與化學性質


  DNA是一種由核苷酸重複排列組成的長鏈聚合物,寬度約22到24埃(2.2到2.4納米),每一個核苷酸單位則大約長3.3埃(0.33納米)。在整個DNA聚合物中,可能含有數百萬個相連的核苷酸。例如人類細胞中最大的1號染色體中,就有2億2千萬個鹼基對。通常在生物體内,DNA並非單一分子,而是形成兩條互相配對並緊密結合,且如蔓藤般地纏繞成雙螺鏇結構的分子。每個核苷酸分子的其中一部分會相互連結,組成長鏈骨架;另一部分稱爲鹼基,可使成對的兩條DNA相互結合。所謂核苷酸,是指一個核苷加上一個或多個磷酸基團,核苷則是指一個鹼基加上一個糖類分子。

  DNA骨架是由磷酸與糖類基團交互排列而成。組成DNA的糖類分子爲環狀的2-脱氧核糖,屬於五碳糖的一種。磷酸基團上的兩個氧原子分别接在五碳糖的3號及5號碳原子上,形成磷酸雙酯鍵。這種兩側不對稱的共價鍵位置,使每一條DNA長鏈皆具方向性。雙螺鏇中的兩股核苷酸互以相反方向排列,這種排列方式稱爲反平行。DNA鏈上互不對稱的兩末端一邊叫做5'端,另一邊則稱3'端。DNA與RNA最主要的差異之一,在於組成糖分子的不同,DNA爲2-脱氧核糖,RNA則爲核糖。

  兩股DNA長鏈上的鹼基以氫鍵相互吸引,使雙螺鏇形態得以維持。這些鹼基可分爲兩大類,以5角及6角雜環化合物組合而成的一類稱爲嘌呤;隻有一個6角雜環的則稱爲嘧啶。組成DNA的鹼基,分别是腺嘌呤(縮寫A)、胞嘧啶(C)、鳥嘌呤(G)與胸腺嘧啶(T)。鹼基、糖類分子與磷酸三者結合之後,便成爲完整的核苷酸。還有一種鹼基稱爲尿嘧啶(U),此種鹼基比胸腺嘧啶少了一個位於環上的甲基,一般出現在RNA分子中,角色相當於DNA里的胸腺嘧啶。通常在DNA中,它會作爲胞嘧啶的分解產物,或是CpG島中未經甲基化的胞嘧啶突變產物。少見的例外發現於一種稱爲PBS1的細菌病毒,此類病毒的DNA中含有尿嘧啶。在某些特定RNA分子的合成過程中,會有許多尿嘧啶在酵素的作用下失去一個甲基,因而轉變成胸腺嘧啶,這種情形大多出現於一些在構造上具有功能,或者具有酵素能力的RNA上,例如轉運RNA與核糖體RNA。

  兩股DNA長鏈會以右鏇方式相互纏繞成雙螺鏇結構,由於以磷酸聯結而成的骨架位於外部,且兩股之間會留下一些空隙,因此位於螺鏇内部的鹼基,即使從螺鏇外側依然可見(如右方動畫)。雙螺鏇的表面有兩種凹槽(或稱“溝”):較大的寬22埃;較小的寬12埃。由於各個鹼基靠近大凹槽的一面較容易與外界接觸,因此如轉錄因子等能夠與特定序列結合的蛋白質與鹼基接觸時,通常是作用在靠近大凹槽的一面。
DNA片段結構動畫,各種鹼基水平排列於兩條螺鏇長鏈之間

鹼基配對


  一股DNA上所具有的各類型含氮鹼基,都隻會與另一股上的一個特定類型鹼基產生鍵結。此種情形稱爲互補性鹼基配對。嘌呤與嘧啶之間會形成氫鍵,在一般情況下,A隻與T相連,而C隻與G相連。因此排列於雙螺鏇上的核苷酸,便以這種稱爲鹼基對的方式相互聯結。除此之外,與DNA序列無關的疏水性效應,以及π重叠效應所產生的力,也是兩股DNA能維持結合狀態的原因。由於氫鍵比共價鍵更容易斷裂,這使雙股DNA可能會因爲機械力或高溫作用,而有如拉鏈一般地解開,這種現象被稱爲DNA變性。由於互補的特性,使位於雙股序列上的訊息,皆以雙倍的形式存在,這種特性對於DNA複制過程來說相當重要。互補鹼基之間可逆且具專一性的交互作用,是生物DNA所共同擁有的關鍵功能。

  兩種不同的鹼基對分别是以不同數目的氫鍵結合:A-T之間有兩條;G-C之間則有三條。多一條氫鍵使GC配對的穩定性高於AT配對,也因此兩股DNA的結合強度,是由GC配對所占比例,以及雙螺鏇的總長度來決定。當DNA雙螺鏇較長且GC含量較高時,其雙股之間的結合能力較強;長度較短且AT含量較高時,結合能力則較弱。雙螺鏇上有某些部位必須能夠輕易解開,這些部位通常含有有較多的AT配對,例如細菌啟動子上一段含有TATAAT序列的普里布諾盒。在實驗室中,若找出解開氫鍵所需的溫度,也就是所謂熔點(Tm),便能計算出兩股之間的結合強度。當DNA雙螺鏇上所有的鹼基配對都解開之後,溶液中的兩股DNA將分裂成獨立的分子。單股DNA分子並無固定的形體,但仍有某些形狀較爲穩定且常見。

正意與反意


  一般來說,當一段DNA序列爲合成信使RNA(mRNA,可轉譯成蛋白質)所需時,稱爲“正意”。而相對並互補的另一股序列,則稱爲“反意”。由於RNA聚合酶的作用方式,是根據模板上的訊息來合成一段與模板互補的RNA片段,因此正意mRNA的序列實際上與DNA上的反意股相同。在同一股DNA上,可能同時會有屬於正意和反意的片段。此外,反意RNA在原核生物或真核生物體内皆存在,但是其功能尚未明了。有研究認爲,反意RNA可利用RNA與RNA之間的鹼基配對,來調控基因的表現。

  少數屬於原核生物、真核生物、質體或病毒的DNA序列(後兩者較前兩者多),會由於正意股與反意股之間的差異難以區分,而產生重叠基因,這類DNA序列具有雙重功能,一方面能以5'往3'的方向合成蛋白質,另一方面也能以相反方向合成另一個蛋白質。這種重叠現象一方面在細菌體内參與調控基因的轉錄,一方面則在較小的病毒基因組中,扮演增加訊息量的角色。爲了縮減基因組的大小,也有某些病毒以線狀或環狀的單股DNA作爲遺傳物質。

DNA生物機能


  DNA於真核生物細胞内,通常是以長條狀染色體形式存在;在原核生物細胞内則是環狀染色體。細胞内的所有染色體合稱基因組。人類基因組中大約有30億個鹼基對,共組成了46個染色體。DNA所擕帶的訊息,是以序列形式,保存於一些稱爲基因的片段中。基因中的遺傳訊息是經由互補的鹼基配對來傳遞,例如在轉錄作用中,細胞里的RNA核苷酸會與互補的DNA結合,複制出一段與DNA序列互補的RNA序列。一般來說,這段RNA序列將會在轉譯作用中,經由RNA之間的互補配對,合成出相對應的蛋白質序列。另一方面,細胞也可以在稱爲DNA複制的過程中,單純地複制其自身的遺傳訊息。
T7RNA聚合酶(藍色)以DNA模板(橙色)爲依據,合成mRNA(綠色)

基因組結構


  真核生物的基因組DNA主要存放於細胞核中,此外也有少量位於粒線體或葉綠體内。原核生物的DNA則是保存在形狀不規則的類核(nucloid)當中。基因是DNA的一段區域,保存了基因組里的遺傳訊息,是遺傳的單位,影響了生物個體的特定表征。基因中含有可轉錄的開放閱讀框架,以及一些可調節開放閱讀框架表現的調控序列,如啟動子與強化子。

  許多物種的基因組都隻有一小部分可編譯成蛋白質。以人類爲例,在人類的基因組中隻有1.5%屬於含有蛋白質編碼的外顯子,另有超過50%屬於無編碼的重複序列。真核生物基因組中如此大量的非編碼DNA,以及物種之間不尋常的基因組大小或C值差異,長久以來一直是個難題,人們稱之爲“C值謎”。不過這些不含蛋白質編碼的DNA序列,仍可能合成出具有功能的非編碼RNA分子,用以調控基因表現。

  染色體中的某些非編碼DNA序列,本身具有結構上的功能。例如一般隻帶有少量基因的端粒與着絲粒,對於染色體的穩定性及機能而言顯得相當重要。人類體内有一類大量存在的非編碼DNA,稱爲偽基因,是一些因突變累積而變得殘缺無用的基因複制品。這些序列通常隻可算是分子化石,不過有時候也會因爲基因重複與趨異演化,而成爲新基因里的新遺傳物質。

轉錄與轉譯


  基因是指一段含有遺傳訊息,且可影響生物體表現型的DNA序列。基因里的DNA鹼基序列決定了信使RNA的序列,而信使RNA的序列又決定了蛋白質的序列。轉譯作用可依據基因所含有的核苷酸序列,以及遺傳密碼規則,生產出對應的蛋白質氨基酸序列。遺傳密碼的組成單位稱爲密碼子,是含有三個字母的“指令”,這些單位則由三個核苷酸組成,例如ACT、CAG或TTT。

  在轉錄作用中,基因里的密碼子會在RNA聚合酶的作用下,複制成爲信使RNA。之後核糖體會幫助帶着氨基酸的轉移RNA與信使RNA進行鹼基配對,進而將信使RNA解碼。由於組成密碼子的鹼基共有四種,且以三字母爲一單位,因此可能存在的密碼子一共有64種(43)。與這些密碼子對應的標准氨基酸有20種,因此大多數氨基酸對應了一種以上的密碼子。另外有三個密碼子稱爲“終止密碼子”或“無義密碼子”,是編碼區域的末端,分别是TAA、TGA與TAG。
圖爲DNA複制,首先螺鏇酶與拓撲異構酶將雙螺鏇解開,接着一個DNA聚合酶負責合成前進股;另一個則與延遲股結合,制造一些不連續的岡崎片段,再由DNA連接酶將其黏合

DNA複制


  生物個體成長需要經歷細胞分裂,當細胞進行分裂時,必須將自身基因組中的DNA複制,才能使子細胞擁有和親代相同的遺傳訊息。DNA的雙股結構可供DNA複制機制進行,在此複制過程中,兩條長鏈會先分離,之後一種稱爲DNA聚合酶的酵素,會分别以兩條長鏈爲依據,合成出互補的DNA序列。酵素可找出正確的外來互補鹼基,並將其結合到模板長鏈上,進而制造出新的互補長鏈。由於DNA聚合酶隻能以5'到3'的方向合成DNA鏈,因此雙螺鏇中平行但方向相反的兩股,具有不同的合成機制。舊長鏈上的鹼基序列決定了新長鏈上的鹼基序列,使細胞得以穫得完整的DNA複制品。

變性和複性

 
  使剛性的 DNA雙鏈解開成易於柔摺的單鏈的現象叫做變性。凡能破壞氫鍵和改變堆集鹼基的疏水性的試劑和條件,都能使DNA變性,如尿素、甲醯胺等試劑,酸或鹼,以及加熱等。隨着變性,DNA出現一系列性質的變化,如紫外光吸收的增加即增色效應,鏇光的減低,粘度的下降,沉降速度增加,浮力密度上升等。由於GC之間可以形成3個氫鍵,AT之間隻能形成2個氫鍵,所以DNA分子中G+C的克分子含量愈高,變性愈難。利用DNA變性後的增色效應研究變性過程是最常用的手段。以溫度對紫外光吸收作圖得一 S形曲線,在一個相當窄的溫度範圍内,增色效應有一個跳躍,類似於結晶的融化。使50%的DNA變性的溫度就叫做DNA的融點,通常寫作TmTm的高低和DNA分子中G+C的克分子含量有關,可由下式表示:

(G+C)%=(Tm-69.3)×2.44%

  去除變性條件以後,變性DNA的2條互補鏈可以重新結合,恢複到原來的雙螺鏇,這個過程稱爲複性。複性的速度在一定條件下,和DNA的大小成反比例,如大腸杆菌的DNA比λ噬菌體DNA大80倍,大腸杆菌DNA的複性速度比λ噬菌體DNA小80倍。真核生物DNA更大,變性的真核生物DNA的複性速度相應應該更慢,但小鼠DNA中有約10%的複性速度比已知最小的噬菌體 DNA還要快。原因是原核生物DNA核苷酸顺序是不重複的,而真核生物DNA的核苷酸顺序有不重複的、中度重複的和高度重複的。上述小鼠 DNA的10%複性很快的部分就是高度重複顺序。不重複的顺序大都是編碼蛋白質的結構基因。中度重複顺序大部分分散存在於不重複顺序之間,可能對基因表達起着調節控制作用;小部分是連續排列,主要是rRNA的基因,tRNA的基因和某些蛋白質的基因。高度重複顺序的功能還不清楚。

修飾和限制

 
  細菌有一種不降解自身DNA但能降解異源DNA的機制,這是阻止異源DNA在體内起作用的一種保護作用。起這個保護作用的就是限制性核酸内切酶。限制性核酸内切酶有Ⅰ型和Ⅱ型兩類:Ⅰ型酶需Mg2+、ATP和S-腺苷甲硫氨酸;Ⅱ型酶隻需Mg2+;Ⅰ型酶除有核酸酶活力外,還有甲基化酶和腺三磷酶活力。Ⅱ型酶則隻有核酸酶活力;Ⅱ型酶的切點是專一的,它要求一定的核苷酸顺序(具有雙重鏇轉對稱性),而Ⅰ型酶則否。

  如果鹼基被修飾了,如腺嘌呤的6-氨基上的氫原子被甲基取代或胞嘧啶的5位甲基化了,原來能裂解這個核苷酸顺序的限制性核酸内切酶就不能再作用於這個修飾過的DNA。因此,如果細菌本身的DNA是修飾過的(甲基化),則限制性核酸内切酶對自身DNA不起作用,當外來DNA(未修飾過的)進入細菌體内,限制性核酸内切酸可將其降解,這樣對自身就起到了保護作用。

  由於Ⅱ型限制性核酸内切酶作用於DNA時,需要特定的核苷酸排列顺序,因此它是測定DNA核苷酸排列顺序的非常有用的工具。目前 DNA核苷酸顺序的測定之所以得到極爲迅速的發展,Ⅱ型限制性核酸内切酶起了很大作用。

  限制性核酸内切酶廣泛存在於各種細菌内,但在真核生物中似乎尚未找到過。至1983年已搞清識别顺序的Ⅱ型限制性核酸内切酶達400種。

DNA重組

 
  同源DNA在體内重組是經常發生的。這是產生生物遺傳性多樣化的主要原因。 DNA重組可通過人工方法實現。即將DNA片段在體外連接,然後引入活細胞内進行複制,要完成這項工作須具備下列條件:①DNA運載體(如質粒、噬菌體、病毒等)能在活細胞内複制;②需要複制的DNA片段即DNA乘客(如各種基因);③連接DNA片段和DNA運載體的方法和工具酶(如限制性核酸内切酶、DNA連接酶等);④將連接好的DNA(重組體DNA)引入寄主細胞的方法(如轉化、轉染等);⑤篩選帶有所需重組體DNA的細胞的方法。

  重組體 DNA是20世紀70年代才開展起來的研究。短短10年利用這個方法已經生產了許多多肽和蛋白質激素、酶制劑、疫苗、幹擾素、抗生素等。

DNA生物代謝的演化


  DNA所包含的遺傳訊息,是所有現代生命機能,以及生物生長與繁殖的基礎。不過目前尚未明了在長達四十億年的生命史中,DNA究竟是何時出現並開始發生作用。有一些科學家認爲,早期的生命形態有可能是以RNA作爲遺傳物質。RNA可能在早期細胞代謝中扮演主要角色,一方面可傳遞遺傳訊息;另一方面也可作爲核糖酶的一部分,進行催化作用。在古代RNA世界里,核酸同時具有催化與遺傳上的功能,而這些分子後來可能演化成爲目前以四種核苷酸組成遺傳密碼的形式,這是因爲當鹼基種類較少時,複制的精確性會增加;而鹼基種類較多時,增加的則是核酸的催化效能。兩種可達成不同目的功能最後在四種鹼基的情形下達到最合適數量。

  不過關於這種古代遺傳系統並沒有直接證據,且由於DNA在環境中無法存留超過一百萬年,在溶液中又會逐漸降解成短小的片段,因此大多數化石中並無DNA可供研究。即使如此,仍有一些聲稱表示已經穫得更古老的DNA,其中一項研究表示,已從存活於2億5千萬年古老的鹽類晶體中的細菌分離出DNA,但此宣布引起了討論與爭議。

人工合成

 
  由於重組DNA技術的建立,人工合成DNA的工作有了非常迅速的發展。到1983年,已合成了tRNA、胰島素A、B鏈、胰島素原,生長激素釋放抑制因子,胸腺素α、幹擾素α和γ、表皮生長因子,生長激素類胰島素生長因子、 促胰激素、 降鈣素、内啡肽等的基因。


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  • 172.16.32.*在 2018/7/11 11:40:36 发表
  • 牛牛牛牛牛牛牛牛牛牛牛
  • 172.16.32.*在 2018/7/11 11:39:26 发表
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