DNA
脱氧核糖核酸(DNA)是所有生物中包含遗传信息的生物分子。换句话说,DNA是生物体的“蓝图”。DNA区分了一个物种和另一个物种,也决定了一个物种中每个个体的独特之处。一个人的DNA决定了他拥有与其他人相同的身体和大脑结构。DNA还决定了他的眼睛是否是蓝色的,以及他写字时喜欢用哪只手。DNA决定了他将从父母那里继承哪些特征,以及他与祖先之间的基因相似性。
越来越多的医学科学正在利用DNA来了解疾病和出生缺陷的原因。涉及DNA的研究被用于各种疾病的预防和治疗,从囊性纤维化到癌症。
DNA存在于所有的体液中,使其成为现代司法系统的重要元素。如果在犯罪现场发现血液、唾液、头发或精液,就可以准确地与嫌疑人进行匹配。
此外,由于DNA是遗传自父母的,它可以用来确定两个人之间的关系有多密切。父亲可以确认孩子的父亲身份,或者两个被收养的人可以确定他们是否是兄弟姐妹。
人体内的每个细胞都包含该个体的整个基因组,尽管任何一个细胞只使用它所包含信息的一小部分。DNA的特殊结构确保了遗传信息可以在新细胞中复制并从亲代传递给后代。
DNA结构
DNA的单体是脱氧核糖核苷酸,是核苷酸的一个子集。每个脱氧核糖核苷酸都包含一个戊糖脱氧核糖,在5'端连接一个磷酸基,在1'碳上连接一个氮基。DNA中有两种碱基:嘧啶和嘌呤。嘧啶,胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T),是单环结构。腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)是嘌呤,含有一个双环。这四个碱基是DNA的组成部分。
DNA通常呈双螺旋状,两条链相互缠绕,就像一个螺旋楼梯。这个阶梯中的每一个“台阶”都是一对核苷酸。这两个核苷酸是由氢键和被称为碱基对。正常情况下,腺嘌呤与胸腺嘧啶形成两个氢键,鸟嘌呤与胞嘧啶形成三个氢键。然而,突变会导致不正确的碱基配对。每一个碱基对通过连接到下一个碱基对(主干连接在一起)磷酸二酯键在一个核苷酸的磷酸基,也称为5'端,和另一个核苷酸的3'端或羟基之间。这就构成了糖-磷酸主链。
因为每个核苷酸只与另一个核苷酸形成氢键,如果一条链的序列已知,那么互补链的序列就可以重建。DNA通常通过观察双螺旋结构的一条链来“读取”。沿着一条链,DNA被解读为这四个核苷酸的序列,它可能看起来像这样:ATTGCCCTG。
在生命形式中发现的DNA通常是B-DNA。它是一个直径为2纳米的右旋双螺旋。每对碱基对间隔0.34 nm,每圈螺旋有10个碱基对。糖-磷酸主链的间隔不相等,导致它有一个大槽和一个小槽,两者的深度大致相同。一些其他形式的DNA包括A-DNA和Z-DNA。a -DNA,一种脱水的DNA,是一个右旋螺旋,每圈有10.9个碱基对,一个深窄的大槽,和一个浅宽的小槽。Z-DNA是一个左旋螺旋,每转一圈有12个碱基对,一个深的小槽和一个非常浅的大槽。
互补DNA链
序列5'-ATTGCCCTG-3'的互补DNA链是什么样的?
3 ' -TAACGGGAC-5 '
为什么碱基对包含一个嘌呤和一个嘧啶?
通过始终含有嘌呤和嘧啶配对,DNA分子保持其2纳米直径。两个嘧啶配对会太窄,无法跨越这个距离,而两个嘌呤配对会太宽,导致分子扭曲。
分子遗传学的中心法则
DNA的主要功能是合成蛋白质。DNA到RNA再到蛋白质的过程叫做分子遗传学的中心教条.首先,被使用的DNA链的部分经历转录,在那里模板链的DNA链被用作互补的DNA链的模板信使核糖核酸(mRNA)。mRNA从细胞核传递到细胞质,在那里发生蛋白质合成的第二步。翻译包括“阅读”RNA链的密码子,并使用这些信息来组装一条基因链氨基酸,称为多肽链。翻译发生在核糖体的细胞。一旦多肽链被组装起来,它就被折叠成一个功能蛋白质.
这四种核苷酸可以合成64个密码子。其中,有三个是“停止”密码子,它们告诉核糖体停止构建并切断多肽链,这样它就可以折叠成最终的形状。另外61个编码氨基酸。因为只有20种氨基酸,所以有冗余在遗传密码中。几个密码子可以编码同一个氨基酸。例如,AGA和AGG都是精氨酸的编码。然而,在遗传密码中没有歧义。AGG总是代表精氨酸,而不是甘氨酸或缬氨酸。
然而,有时RNA并不总是变成蛋白质。RNA有时可以自己发挥作用。这样的rna被称为非编码rna.一些例子是miRNAs、piRNAs、snrna和snoRNAs。这种rna可以通过与DNA序列互补结合和与蛋白质协同的其他rna发挥作用;这些小rna帮助目标蛋白质复合物对特定的序列进行工作。
为什么转录是必要的?使用RNA作为中间体而不是直接从DNA中制造蛋白质的优势是什么?
与直接从DNA翻译蛋白质相比,转录和翻译的两步过程似乎过于复杂,但细胞质可以被认为是一个建筑工地。使用RNA中间体可以使蛋白质的原始蓝图保留在细胞核中,不受任何损伤,但可以根据需要经常复制。此外,该RNA的多个副本可以同时使用。如果建筑工人需要建造八扇门,他们就不必为蓝图而争吵。
DNA组织与基因组
基因组DNA位于细胞核中真核细胞以线性染色体的形式。当细胞不进行复制时,染色体是松散的,有些杂乱无章;DNA和相关的蛋白质统称为染色质.92%的基因组是这样的常染色质这是一种松散排列的DNA。活跃基因倾向于在常染色质中发现,这背后的原因留给读者去弄清楚。也有异染色质它是紧密排列的DNA。通常,异染色质中发现的基因不表达/表达水平低。异染色质也可以在端粒和着丝粒/其他重复的DNA序列中找到。当细胞进行复制时,DNA被包裹在细胞周围核小体,这是由“珠子”组成的组蛋白蛋白质。这是当DNA在显微镜下变成线性染色体的时候。
真核生物的细胞器和细胞质中也有基因。一个圆形的DNA片段被发现在线粒体动物细胞中,植物和藻类的叶绿体中也有。一个人的核DNA是父母双方基因的组合,但线粒体DNA完全遗传自母亲。
人类基因组大约有30亿个不同的核苷酸,在23个核苷酸上编码了大约2万个基因染色体.一个基因是一种对有机体的表型有一定影响的DNA序列。在原核生物在美国,基因组DNA通常是一个或多个小环的形式,称为质粒。
DNA复制
DNA分子结构的复杂性确保了它可以自我复制并将其代码传递给新细胞。许多酶和蛋白质参与了DNA链的复制,以确保这一过程足够快速有效地满足生物体的需求。
这两条DNA链是反平行的,这意味着它们彼此的方向相反。当新的DNA链被拉长时,核苷酸总是被添加到3'端,而不是5'端。
复制开始于DNA链上的许多点,在螺旋部分解开的地方形成气泡。在每个气泡的末尾是一个复制叉,酶DNA聚合酶III附着并拉长DNA的子链。在一边,子链的复制在5'到3'方向上以单个片段进行。这叫做前导链.在另一边,母链在5'到3'的方向上。由于子链也必须在5'到3'方向上伸长,DNA聚合酶III附着在复制泡的末端,并沿着模板链向后工作。由于气泡越窄,扭矩越大后随链生成的更短的块称为冈崎碎片(以发现它们的日本科学家命名)。然而,DNA聚合酶III需要一个游离的3'-OH才能开始合成链,所以引发酶在滞后链上合成RNA引物。所有片段合成后,引物被去除核糖核酸酶H还有酶DNA聚合酶I填补空白。DNA连接酶然后将碎片粘合在一起。需要明确的是,DNA聚合酶I包含几个亚基;5'-3'外切酶活性用于去除RNA引物,3'-5'外切酶活性用于校对,5'-3'聚合酶活性。这个复制过程是保留,因为每个生成的DNA分子都包含一条父链和一条子链。相比之下,还有另外两种理论模式的DNA复制不太可能自然发生:保守的复制,其中复制后,一个DNA分子完全由子链组成,另一个副本完全由父链组成,并且分散的复制在美国,每条DNA链在复制后都是新旧DNA的混合物。
常见遗传问题
总的来说,DNA复制非常准确。此外,遗传密码的冗余允许无声突变(错误的密码子序列但相同的氨基酸)。然而,错误确实会发生,并可能导致受影响的后代出现各种异常。
突变是DNA中碱基对顺序的改变。如果转录过程不正确,碱基可能会被替换、添加或删除。对单个碱基对的改变被称为点突变.这些变化可能会改变翻译过程中组装的氨基酸链,进而影响蛋白质的整体结构。这种蛋白质可能因此功能失调。突变并不总是有害的。蛋白质可以以一种使其功能更好的方式折叠,使生物体具有选择优势。如果是这样的话,这种生物可能有更好的繁殖成功的机会,并可能将这种突变传递给多个后代。
突变导致变异,而环境决定了这种差异是有利的还是不利的。镰状细胞性贫血是由DNA中的一个碱基对取代引起的,这反过来又导致制造红细胞的基因中的一个氨基酸不同。血细胞不是圆形的,而是新月形的。携带这种突变基因副本的人不太可能得疟疾,所以这种突变在非洲、印度和地中海等地区很常见。然而,镰刀状的血细胞不能像甜甜圈状的血细胞那样有效地携带氧气,所以携带两份这种基因的人仍然不太可能得疟疾,但他们不能有效地在体内循环氧气,这可能会导致严重的疼痛和器官损伤。一个突变副本可能对一个人的健康有利,而两个副本可能是灾难性的。
染色体断裂导致DNA失去螺旋结构。暴露在紫外线、X射线和某些化学物质下会导致破损。改变DNA结构的物理或化学物质被称为脱氧核糖核酸诱变剂.破损也可能自发发生。如果两条DNA链都受到影响,丢失的信息就无法恢复。
不分离是染色体在配子产生过程中不能正确分离。由此产生的后代可能只有一个染色体副本(单倍体),也可能有三个染色体副本(三染色体)。唐氏综合症是人类三体综合征的一个例子。它是由21号染色体的额外拷贝引起的。大多数不分离对人类是致命的,并导致怀孕早期流产。
参考文献
[1]根据创作共用许可协议从https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Componentes_nucleotidos.png修改的图像,用于重用和修改。
[2]图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide.gif,基于知识共享许可,允许重复使用和修改。
[3]图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A-B-Z-DNA一边用于重用和修改的知识共享许可下的View.png。
[4]图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_bubbles.png,基于知识共享许可,允许重复使用和修改。
[5]图片来自https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/93/Dnareplication.png,基于知识共享许可,允许重复使用和修改。
[6]图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sickle-cell涂片2015-09-10.jpg根据创作共用许可协议进行重用和修改。
[7]图片来自https://commons.wikimedia.org/wiki/File:21三染色体细胞-下来用于重用和修改的知识共享许可。