脱氧核糖核酸

趙弈欽
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脫氧核糖核酸 又稱為DNA，是染色體的主要組成部分。基因是DNA雙螺旋上面的攜帶有遺傳信息的功能片段。DNA具有雙螺旋結構和半保留複製的結構特點。是含特定遺傳信息的核苷酸序列，是遺傳物質的最小功能單位。多數生物的基因由脫氧核糖核酸構成。臨床上脫氧核糖核酸檢查可用於身份鑑定，如通過DNA分析來進行親子鑑定。

基本信息

中文名:脫氧核糖核酸

外文名 :deoxyribonucleic acid

簡 稱  :DNA

別 稱 :去氧核糖核酸

分子結構 :雙螺旋結構

與基因的關係 :基因是有效遺傳的DNA片段

複製方式:半保留複製

作 用: 引導生物發育與生命機能運作

簡介

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脫氧核糖核酸是核酸的一類，是多數生物的遺傳物質，因分子中含有脫氧核糖而得名。脫氧核糖核酸是以核苷酸為單位聚合而成的高分子化合物。

構成脫氧核糖核酸的核苷酸也有相應的4種，即腺嘌呤核苷酸、鳥嘌呤核苷酸，胸腺嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸。

1953年美國的華生(Watson)與英國的克里克(Crick)提出脫氧核糖核酸的雙螺旋結構模型，推測脫氧核糖核酸的特異性決定於其核苷酸的序列。

1958年克里克又提出中心法則，其內容包括：

1、遺傳信息包含在脫氧核糖核酸的鹼基序列中。遺傳信息代代相傳是通過增殖過程中脫氧核糖核酸分子的準確複製，因而DNA所含的遺傳信息完整地傳遞到新的DNA中去，從而保證每一脫氧核糖核酸分子的核苷酸順序的恆定性。

2、脫氧核糖核酸的遺傳信息通過轉錄、翻譯決定了蛋白質的氨基酸序列。而生物性狀是由蛋白質(或酶)所決定的。

3、遺傳信息一旦進入蛋白質，便不能再傳出。脫氧核糖核酸分子特別大，其分子量約為106-109。脫氧核糖核酸幾乎集中在核內的染色體上。

發現歷史

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DNA最初是由瑞士生物化學家弗里德里希·米歇爾（Friedrich Miescher）1869年從手術繃帶的膿液中分離出來的，由於這種微觀物質位於細胞核中，當時被稱為核蛋白(nuclein) [2] 。

1919年，Phoebus Levene確定了DNA由含氮鹼基，糖和磷酸鹽組成的核苷酸結成 [3] 。Levene提出DNA由一條通過磷酸鹽結合在一起的核苷酸組成。他確信DNA長鏈較短，且其中的鹼基是以固定順序重複排列。

1937年，William Astbury展示了第一個X射線衍射研究的結果，表明DNA具有極其規則的結構 [4] 。

1928年，美國科學家弗雷德里克·格里菲斯（1877-1941）在實驗中發現，平滑型的肺炎球菌，能轉變成為粗糙型的同種細菌 [5] 。 該系統在沒有提供任何物質引起變化的證據的同時，表明某些物質可以將遺傳信息從死亡細菌的遺體傳遞給生物。1943年奧斯瓦爾德·埃弗里等人的試驗證明DNA是這一轉變現象背後的原因 [6] 。

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1944年，Erwin Schrödinger鑑於量子物理學少數原子的系統具有無序行為理論，斷言遺傳物質必須由大的非重複分子構成，方足以維持遺傳信息的穩定 [7] 。

1953年由Alfred Hershey和Martha Chase通過另一個經典實驗得到證實DNA在遺傳中的作用最終在，該實驗表明噬菌體T2的遺傳物質實際上是DNA，而蛋白質則是由 DNA的指令合成的 [8] 。

1953年，美國的沃森和英國的克里克提出了DNA雙螺旋結構的分子模型 。

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的複製機制 。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，稱為密碼子。

1961年，哈爾·葛賓·科拉納、羅伯特·W·霍利及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格解出這些密碼子所構成的遺傳密碼。

基本結構

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脫氧核糖核酸的基本結構單元是脫氧核苷酸，它是由磷酸、D-2-脫氧核糖和鹼基(腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶)組成。

DNA的一級結構是由核苷酸通過3′，5′-磷酸二酯鍵連接而成的沒有支鏈的直線形或環形結構。

二級結構是由2條多脫氧核糖核酸鏈組成的雙螺旋狀結構，其中磷酸和糖鏈在螺旋外側，鹼基在螺旋內側，以氫鍵相結合在一起呈互補結構。

在二級結構的基礎上，可進一步扭曲形成超螺旋的三級結構。

DNA分子中平行堆積的鹼基、聚合的陰離子磷酸骨架和兩條核苷酸鏈螺旋形成的大溝和小溝構成了有機小分子與DNA相互結合的位點，作用的方式主要有共價結合、剪切作用、長距組裝及非共價結合等4種類型，另外還有氫鍵、范德華力疏水作用等弱相互作用。絕大多數的有機小分子與DNA的作用形式為非共價結合，它又包括靜電作用、嵌入結合和溝面結合，而且通常不是一種力的單獨作用，而是多種作用力的協同作用。

理化性質

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DNA是高分子聚合物，其溶液為高分子溶液，具有很高的粘度，可被甲基綠染成綠色。DNA對紫外線（260nm）有吸收作用，利用這一特性，可以對DNA進行含量測定。當核酸變性時，吸光度升高，稱為增色效應；當變性核酸重新復性時，吸光度又會恢復到原來的水平。較高溫度、有機溶劑、酸鹼試劑、尿素、酰胺等都可以引起DNA分子變性，即DNA雙鏈鹼基間的氫鍵斷裂，雙螺旋結構解開—也稱為DNA的解螺旋。

主要類別

單鏈DNA

單鏈DNA（single－stranded DNA）大部分DNA以雙螺旋結構存在，但一經熱或鹼處理就會變為單鏈狀態。單鏈DNA就是指以這種狀態存在的DNA。單鏈DNA在分子流體力學性質、吸收光譜、鹼基反應性質等方面都和雙鏈DNA不同。某些噬菌體粒子內含有單鏈環狀的DNA，這樣的噬菌體DNA在細胞內增殖時則形成雙鏈DNA。

閉環DNA

閉環DNA（closed circular DNA）沒有斷口的雙鏈環狀DNA，亦稱為超螺旋DNA。由於具有螺旋結構的雙鏈各自閉合，結果使整個DNA分子進一步旋曲而形成三級結構。另外如果一條或二條鏈的不同部位上產生一個斷口，就會成為無旋曲的開環DNA分子。從細胞中提取出來的質粒或病毒DNA都含有閉環和開環這二種分子。可根據兩者與色素結合能力的不同，而將兩者分離開來。

垃圾DNA

垃圾DNA（Junk DNA）是指生物體內不翻譯成蛋白質的DNA，過去多認為它們無用，所以稱為垃圾DNA [13] 。後來，科學家發現垃圾DNA中包含有重要的調節機制，從而能夠控制基礎的生物化學反應和發育進程，這將幫助生物進化出更為複雜的機體。生物越複雜，垃圾DNA似乎就越重要。

生物功能

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在基因組中，遺傳信息存儲在稱為基因的DNA序列中，這個遺傳信息的傳遞由互補的含氮鹼基序列的存在得到保證。事實上，在轉錄過程中，遺傳信息可以很容易地被轉錄到互補的RNA鏈中（mRNA）。mRNA通過翻譯合成蛋白質。或者，細胞可以通過稱為DNA複製的過程簡單地複製遺傳信息。

基因組結構

真核生物基因組DNA位於細胞核內，線粒體和葉綠體內也有DNA。原核生物DNA被包裹在細胞質中不含細胞膜的不規則細胞器類核中 [14] 。 遺傳信息包含在基因中，基因是能夠影響生物體表型的遺傳單位。每個基因含有開放閱讀框（能夠轉錄成RNA的區域）和由啟動子和增強子組成的調節區。 在許多物種中，只有一小部分基因組序列可以被轉錄和翻譯。例如，人類基因組中只有1.5%序列含有編碼蛋白質的外顯子，超過50%的人類基因組由重複的非編碼DNA序列組成 [15] 。在任何情況下，不編碼蛋白質的DNA序列也可以轉錄成非編碼RNA，參與基因表達的調控 [16] 。 一些非編碼序列是對染色體的結構組成部分。端粒和着絲粒區域通常含有非常少的基因，但對於染色體的功能和穩定性是必需的 [17] 。

轉錄和翻譯

基因是含有能夠影響生物體表型特徵的遺傳信息的DNA序列。基因內的DNA鹼基序列作為模板可以合成RNA分子，在大多數情況下，RNA分子被翻譯成多肽，最終稱為蛋白質。 將基因的核苷酸序列複製到RNA鏈中的過程稱為轉錄，由RNA聚合酶催化發生。 RNA鏈有不同的命運：一些RNA分子實際上具有結構（例如在核糖體內發現的那些rRNA）或催化（如核酶）功能；絕大多數RNA經歷成熟過程產生mRNA，被翻譯成蛋白質。 翻譯過程發生在細胞質中，其中mRNA與核糖體結合，並由遺傳密碼介導。核糖體允許順序讀取mRNA密碼子，有利於它們識別和與特定tRNA相互作用，這些tRNA攜帶對應於每個單個密碼子的氨基酸分子。

遺傳密碼

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遺傳密碼是一組規則，將DNA或RNA序列以三個核苷酸為一組的密碼子轉譯為蛋白質的氨基酸序列，以用於蛋白質合成。密碼子由mRNA上的三個核苷酸（例如ACU，CAG，UUU）的序列組成，每三個核苷酸與特定氨基酸相關。例如，三個重複的胸腺嘧啶（UUU）編碼苯丙氨酸。使用三個字母，可以擁有多達64種不同的組合。由於有64種可能的三聯體和僅20種氨基酸，因此認為遺傳密碼是多餘的（或簡併的）：一些氨基酸確實可以由幾種不同的三聯體編碼。但每個三聯體將對應於單個氨基酸。最後，有三個三聯體不編碼任何氨基酸，它們代表停止（或無意義）密碼子，分別是UAA，UGA和UAG 。

DNA複製

DNA複製是指DNA雙鏈在細胞分裂以前進行的複製過程，複製的結果是一條雙鏈變成兩條一樣的雙鏈（如果複製過程正常的話），每條雙鏈都與原來的雙鏈一樣。這個過程是通過名為半保留複製的機制來得以順利完成的。複製可以分為以下幾個階段：

起始階段：解旋酶在局部展開雙螺旋結構的DNA分子為單鏈，引物酶辨認起始位點，以解開的一段DNA為模板，按照5'到3'方向合成RNA短鏈。形成RNA引物。

DNA片段的生成：在引物提供了3'-OH末端的基礎上，DNA聚合酶催化DNA的兩條鏈同時進行複製過程，由於複製過程只能由5'->3'方向合成，因此一條鏈能夠連續合成，另一條鏈分段合成，其中每一段短鏈成為岡崎片段（Okazaki fragments）。

RNA引物的水解：當DNA合成一定長度後，DNA聚合酶水解RNA引物，補填缺口。

DNA連接酶將DNA片段連接起來，形成完整的DNA分子。

最後DNA新合成的片段在旋轉酶的幫助下重新形成螺旋狀

應用領域

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法醫鑑定

通常從血液、皮膚、唾液、頭髮和其它組織和體液中分離DNA，以識別罪犯或犯罪行為。常用的遺傳指紋識別。該技術比較重複DNA的可變區段的長度，例如短串聯重複序列和小衛星，它們在個體之間有不同。因此，檢查中的兩個DNA樣品之間的比較不是基於對整個DNA序列的分析，而是僅基於這些重複序列部分。事實上，兩個沒有血緣關係的個體間99.9%的DNA序列是相同的。這種方法通常非常可靠，但犯罪現場被其他人的DNA污染時，對罪犯的識別會很複雜 [23] 。 這種方法由英國遺傳學家Sir Alec Jeffreys於1984年開發。遺傳指紋識別也可用於識別群體性事件的受害者。 未經同意採集DNA的行為稱為基因盜竊。

基因工程

現代生物學和生物化學大量使用DNA。術語重組DNA是指人工構建和組裝的DNA片段。它們可以以質粒的形式或通過其它類型的載體整合插入到生物體中。由此產生的生物被稱為轉基因生物。可用於生產重組蛋白，用於生物醫學研究 [24] 或農業栽培