DNA

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DNA, 即脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid)是一種分子,核酸的一類,因分子中含有脫氧核糖而得名。DNA是染色體的主要化學成分。DNA可組成遺傳指令,以引導生物發育與生命機能運作。主要功能是長期性的資訊儲存,可比喻為生物發育和運作的「藍圖」。帶有遺傳訊息的DNA片段稱為基因,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。

細胞內,DNA能組織成染色體結構,整組染色體則統稱為基因組。染色體在細胞分裂之前會先行複製,此過程稱為DNA複製。在分裂過程中,父代把它們自己DNA的一部分(通常一半,即DNA雙鏈中的一條)複製傳遞到子代中,從而完成性狀的傳播。

DNA存在於細胞核粒線體葉綠體中,也可以以游離狀態存在於某些細胞的細胞質中。大多數已知噬菌體、部分動物病毒和少數植物病毒中也含有DNA。

真核生物,如動物、植物及真菌而言,染色體是存放於細胞核內;對於原核生物而言,如細菌,則是存放在細胞質中的類核里。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

目錄

歷史

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,發現一些只有顯微鏡可觀察的物質。

1953年,詹姆斯·沃森弗朗西斯·克里克描述了DNA的結構:由一對多核苷酸鏈相互盤繞組成雙螺旋。他們因此與倫敦國家工學院的物理學家弗雷德里克·威爾金斯共享了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎

DNA結構和遺傳信息

DNA片段結構動畫,各種鹼基水平排列於兩條螺旋長鏈之間。

DNA是一種長鏈聚合物,由核苷酸重複排列組成,分子極為龐大(分子量一般至少在百萬以上)。DNA寬度約22到24埃(2.2到2.4奈米),每一個核苷酸單位則大約長3.3埃(0.33奈米)。

組成DNA的核苷酸分四種, 分別是腺嘌呤(縮寫A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。通常在生物體內,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旋結構的分子。每個核苷酸分子的其中一部分會相互連結,組成長鏈骨架;另一部分稱為鹼基,可使成對的兩條DNA相互結合。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。

這些鹼基沿著DNA長鏈所排列而成的序列,可組成遺傳密碼,而一個DNA上的鹼基多達幾百萬,所以每個DNA就是一個大大的遺傳密碼本,裡面所藏的遺傳信息多得數不清,這種DNA分子就存在於細胞核中的染色體上。它們會隨著細胞分裂傳遞遺傳密碼。人的遺傳性狀由密碼來傳遞。人大概有2.5萬個基因,而每個基因是由密碼來決定的。人的基因中既有相同的部分,又有不同的部分。不同的部分決定人與人的區別,即人的多樣性。人的DNA共有30億個遺傳密碼,排列組成約2.5萬個基因。讀取密碼的過程稱為轉錄,是根據DNA序列複製出一段稱為RNA的核酸分子。

除了RNA(核糖核酸)和噬菌體外,DNA是所有生物的遺傳物質基礎。生物體親子之間的相似性和繼承性即所謂遺傳信息,都貯存在DNA分子中。

DNA溶液為高分子溶液,具有很高的粘度。DNA對紫外線有吸收作用,當核酸變性時,吸光值升高;當變性核酸可復性時,吸光值又會恢復到原來水平。溫度、有機溶劑酸鹼度尿素醯胺等試劑都可以引起DNA分子變性,即使得DNA雙鍵間的氫鍵斷裂,雙螺旋結構解開。

DNA複製

DNA複製示意圖

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:

  1. 起始階段:解旋酶在局部展開雙螺旋結構的DNA分子為單鏈,引子酶辨認起始位點,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引子
  2. DNA片段的生成:在引子提供了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)。
  3. RNA引子的水解:當DNA合成一定長度後,DNA聚合酶水解RNA引子,補填缺口。
  4. DNA連接酶將DNA片段的磷酸二酯鍵連接起來,形成完整的DNA分子。
  5. 最後DNA新合成的片段在旋轉酶的幫助下重新形成螺旋狀。

  

生物機能

DNA是遺傳信息的載體,故親代DNA必須以自身分子為模板準確的複製成兩個拷貝,並分配到兩個子細胞中去,完成其遺傳信息載體的使命。而DNA的雙鏈結構對於維持這類遺傳物質的穩定性和複製的準確性都是極為重要的。

在繁殖過程中,父代把它們自己DNA的一部分(通常一半,即DNA雙鏈中的一條)複製傳遞到子代中,從而完成性狀的傳播。

DNA於真核生物細胞內,通常是以長條狀染色體形式存在;在原核生物細胞內則是環狀染色體。細胞內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所攜帶的訊息,是以序列形式,保存於一些稱為基因的片段中。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,複製出一段與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,細胞也可以在稱為DNA複製的過程中,單純地複製其自身的遺傳訊息。

DNA損害

有許多不同種類的突變原可對DNA造成損害,其中包括氧化劑烷化劑,以及高能電磁輻射,如紫外線X射線。不同的突變原對DNA造成不同類型的損害,舉例而言,紫外線會造成胸腺嘧啶二聚體的形成,並與相鄰的鹼基產生交叉,進而使DNA發生損害。另一方面,氧化劑如自由基或過氧化氫,可造成多種不同形態的損害,尤其可對鳥苷進行鹼基修飾,並且使雙股分解。根據估計,在一個人類細胞中,每天大約有500個鹼基遭受氧化損害。在各種氧化損害當中,以雙股分解最為危險,此種損害難以修復,且可造成DNA序列的點突變、插入與刪除,以及染色體易位。

許多突變原可嵌入相鄰的兩個鹼基對之間,這些嵌入劑大多是芳香性分子及平面分子,包括乙錠道諾黴素阿黴素沙利竇邁。必須先使鹼基之間的空隙變大,才能使嵌入劑置入鹼基對之間,整體而言,DNA會因為雙螺旋解開而扭曲變形。結構改變會使轉錄作用與DNA複製過程受到抑制,進而導致毒害與突變。因此DNA嵌入劑通常也是致癌物,常見的例子有二醇環氧苯並芘吖啶黃麴毒素溴化乙錠等。但是這些物質也因為能夠抑制DNA的轉錄與複製,而可應用於化學治療中,用以抑制癌症細胞的快速生長。

DNA修復

DNA修復(DNA repairing)是細胞對DNA受損傷後的一種反應,這種反應可能使DNA結構恢復原樣,重新能執行它原來的功能;但有時並非能完全消除DNA的損傷,只是使細胞能夠耐受這DNA的損傷而能繼續生存。也許這未能完全修復而存留下來的損傷會在適合的條件下顯示出來(如細胞的癌變等),但如果細胞不具備這修復功能,就無法對付經常在發生的DNA損傷事件,就不能生存。所以研究DNA修復也是探索生命的一個重要方面,而且與軍事醫學腫瘤學等密切相關。對不同的DNA損傷,細胞可以有不同的修復反應。

DNA技術發展

20世紀50年代,DNA雙螺旋結構被闡明,揭開了生命科學的新篇章,開創了科學技術的新時代。隨後,遺傳的分子機理――DNA複製、遺傳密碼、遺傳信息傳遞的中心法則、作為遺傳的基本單位和細胞工程藍圖的基因以及基因表達的調控相繼被認識。至此,人們已完全認識到掌握所有生物命運的東西就是DNA和它所包含的基因,生物的進化過程和生命過程的不同,就是因為DNA和基因運作軌跡不同所致。知道DNA的重大作用和價值後,生命科學家首先想到能否在某些與人類利益密切相關的方面打破自然遺傳的鐵律,讓患病者的基因改邪歸正以達治病目的,把不同來源的基因片段進行「嫁接」以產生新品種和新品質。

不過,雖然基因技術向人類展示了它奇妙的「魔術師」般的魅力,但也有大量的科學家對這種技術的發展予以人類倫理和生態演化的自然法則的衝擊表示出極大的擔憂。從理論上來講,這種技術發展的一個極致就是使人類擁有了創造任何生命形態或從未有過的生物的能力。

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