DNA

DNA的基本结构单元是脱氧核糖核苷酸。每个核苷酸由三部分构成：

• 一个磷酸基团
• 一个脱氧核糖（戊糖）
• 一个含氮碱基

四种碱基分为两类：

核苷酸通过磷酸二酯键（一个核苷酸的脱氧核糖3'-OH与另一个核苷酸的5'-磷酸形成共价键）连接成长链，形成多聚体。每条链具有方向性：一端为游离的5'磷酸基，另一端为游离的3'羟基。

DNA由两条极性相反（反向平行）的多核苷酸链构成右手螺旋结构：

• 骨架：由脱氧核糖和磷酸交替连接形成的亲水性骨架位于外侧。
• 碱基对：两条链通过互补碱基之间的氢键相连（A=T，G≡C），碱基平面垂直于螺旋轴，堆叠于双螺旋内侧。
• 螺旋参数：螺旋直径约2 nm，每个完整螺旋包含10.5个碱基对，螺距约3.4 nm。
• 大沟与小沟：碱基对平面的边缘暴露于螺旋表面，形成一条宽的大沟和一条窄的小沟，为蛋白质（如转录因子）识别特定DNA序列提供结构基础。

1. 遗传信息存储

DNA的碱基序列编码遗传信息。基因是编码RNA或多肽链的特定DNA片段（对最终编码蛋白质的基因而言，其DNA通过转录生成mRNA，再翻译为蛋白质）。人类基因组包含约2万至2.5万个基因。

2. 复制

在细胞分裂前，DNA通过半保留复制机制精确地自我复制，确保遗传信息代代相传。

• 过程：DNA双链解开，以每条亲本链为模板，按照碱基互补配对原则（A-T，G-C），由DNA聚合酶合成新的互补链。
• 结果：每个子代DNA分子包含一条来自亲本的旧链和一条新合成的链。

3. 转录与翻译

DNA通过中心法则指导蛋白质合成：

• 转录：在细胞核（真核生物）中，以DNA为模板合成信使RNA（mRNA）。RNA聚合酶识别启动子区域，合成与DNA模板链互补的RNA链。
• 翻译：mRNA从细胞核进入细胞质，与核糖体结合，转运RNA（tRNA）携带相应氨基酸，按mRNA的密码子顺序合成多肽链，最终折叠形成功能蛋白质。

在生理或实验室条件下，DNA可采取多种非B型构象：

真核生物的DNA长度巨大（人类单倍体基因组约3.2×10⁹ bp，总长约2米），必须高度折叠以容纳于细胞核（直径约6 μm）中：

1. 核小体：DNA缠绕在组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3、H4各两分子）上，形成“串珠”样结构。
2. 染色质：核小体进一步螺旋化、折叠构成染色质。有丝分裂期染色质高度凝缩形成染色体。
3. 端粒：染色体末端的重复非编码序列（人类为TTAGGG），具有保护染色体末端不被降解或异常融合的功能。端粒随细胞分裂而缩短，与细胞衰老和癌症相关。

• DNA测序：确定DNA分子中碱基的精确顺序。从Sanger双脱氧链终止法到高通量二代测序，技术发展极大推动了基因组学研究。
• 聚合酶链式反应：一种在体外快速扩增特定DNA片段的分子生物学核心技术，广泛应用于遗传病诊断、法医学鉴定及病原体检测。
• DNA重组技术：将来自不同来源的DNA片段在体外切割、连接后导入宿主细胞，用于生产重组蛋白（如胰岛素、生长激素）或开发基因疗法。
• DNA指纹分析：基于个体之间短串联重复序列（STR）的长度多态性，用于法医学个体识别、亲子鉴定及群体迁徙研究。

• 1869年：弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）从脓细胞核中分离出含磷的物质，称为“核素”（nuclein），后确认为DNA。
• 1944年：奥斯瓦尔德·埃弗里（Oswald Avery）、科林·麦克劳德（Colin MacLeod）和麦克林·麦卡蒂（Maclyn McCarty）通过肺炎链球菌转化实验证明DNA是遗传物质。
• 1952年：阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred Hershey）与玛莎·蔡斯（Martha Chase）使用放射性同位素标记的噬菌体实验，进一步确认DNA为遗传物质。
• 1953年：沃森和克里克根据罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）的X射线衍射图像，提出DNA双螺旋结构模型。
• 2003年：人类基因组计划（Human Genome Project）宣布完成人类基因组的完整测序草稿。

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