DNA是编码生物信息的结构|在Scitable学习科学

这张示意图显示了白色背景下的三个双链DNA分子。在框架中间的分子的糖-磷酸主链被表示为一个分段的灰色圆柱盘绕成双螺旋形状。碱基对表示为连接两条链的扭曲矩形棱镜，类似于梯子上的梯级，每一半梯级是不同的颜色，要么是蓝橙色，要么是绿红色。不同的颜色代表组成每对碱基的不同核苷酸。左下方和右上方的DNA分子与中间显示的分子相似，但仅以灰度显示。

人、玫瑰和细菌有什么共同之处?这些东西中的每一种——以及地球上的每一种其他生物——都包含着生命的分子指令，叫做脱氧核糖核酸或DNA．在这个DNA中编码的是各种特征的方向，比如一个人眼睛的颜色，玫瑰的气味，以及细菌感染肺细胞的方式。

DNA几乎存在于所有的活细胞中。然而，它在细胞内的确切位置取决于细胞是否拥有一种被称为细胞核的特殊膜结合细胞器。由含有细胞核的细胞组成的生物被归类为真核生物，而由缺乏细胞核的细胞组成的生物则被归类为原核生物．在真核生物中，DNA被安置在细胞核中，但在原核生物中，DNA直接位于细胞质中，因为没有细胞核。

但DNA到底是什么?简而言之，DNA是一种复杂的分子，由许多成分组成，其中一部分在繁殖过程中从母体传给后代。虽然每个生物体的DNA都是独一无二的，但所有的DNA都是由相同的氮基分子组成的。那么不同生物的DNA有什么不同呢?只是这些小分子的排列顺序因人而异。反过来，这种排列模式最终决定了每个生物体的独特特征，这要归功于另一组“读取”这种模式并刺激它所要求的化学和物理过程的分子。

DNA由哪些成分组成?

有标记的示意图显示了单个核苷酸分子的两个基本组成部分。一个细长的，红色的，垂直的矩形被标记为含氮的碱。一个灰色矩形，大约一半长，但两倍宽，附着在红色矩形的底部，代表一个糖分子。糖分子的左下角标记为3 '端，右下角标记为5 '端，即磷酸盐端。

图1:单个核苷酸包含一个含氮碱基(红色)，一个脱氧核糖分子(灰色)，一个磷酸基附着在糖的5'侧(用浅灰色表示)。与糖分子的5'面相对的是3'面(深灰色)，它有一个游离的羟基附着(没有显示出来)。

在最基本的层面上，所有的DNA都是由一系列更小的分子组成的核苷酸．反过来，每个核苷酸本身由三个主要成分组成:一个被称为a的含氮区域含氮碱基，一种碳基糖分子叫做脱氧核糖以及一个被称为a的含磷区域磷酸基附着在糖分子上(图1)。有四种不同的DNA核苷酸，每一种由特定的含氮碱基定义:腺嘌呤(在科学写作中通常缩写为“A”)，胸腺嘧啶(缩写为“T”),鸟嘌呤(简称“G”)，以及胞嘧啶(缩写为“C”)(图2)。

图2:组成DNA核苷酸的四种含氮碱基以鲜艳的颜色显示:腺嘌呤(A，绿色)，胸腺嘧啶(T，红色)，胞嘧啶(C，橙色)和鸟嘌呤(G，蓝色)。

尽管核苷酸的名称来源于它们所含的氮基，但它们的结构和成键能力在很大程度上要归功于它们的脱氧核糖分子。这个分子的中心部分包含5个环状的碳原子，环中的每个碳都由一个数字后面跟着质数符号(')表示。在这些碳原子中，5'碳原子尤其引人注目，因为它是磷酸基与核苷酸相连的位置。这个碳原子周围的区域被称为5 '端核苷酸的。5'碳的对面，在脱氧核糖环的另一边，是3'碳，它不连着磷酸基。核苷酸的这一部分通常被称为核苷酸3 '末端(图1)。当核苷酸串联在一起时，它们形成一种称为核苷酸的结构多核苷酸．在一个多核苷酸的每个连接点上，一个核苷酸的5'端通过一个称为a的连接连接到相邻核苷酸的3'端磷酸二酯键(图3)。正是这种糖-磷酸交替排列形成了DNA分子的“主干”。

图3:所有的多核苷酸都含有糖-磷酸交替的主链。当一个核苷酸的3'端(深灰色)通过磷酸二酯键连接到相邻核苷酸的5'磷酸端(浅灰色)时，就形成了这个主链。

DNA链是如何组织的?

虽然DNA通常被发现为单链多核苷酸，但它在双链时具有最稳定的形式。双链DNA由两个多核苷酸组成，其中一个多核苷酸内的氮基通过特殊的化学键与另一个多核苷酸内的氮基相连氢键．这种碱基到碱基的结合不是随机的;相反，一条链上的每个A总是与另一条链上的T配对，每个C总是与g配对。由这种结合模式产生的双链DNA看起来很像一个有糖-磷酸盐侧支撑和碱基对梯级的梯子。

请注意，由于组成双链DNA的两个多核苷酸相对于彼此是“颠倒的”，它们的糖-磷酸末端是颠倒的反向，或以相反的方向排列。这意味着一条链的糖-磷酸链在5'到3'方向上运行，而另一条链在3'到5'方向上运行(图4)。理解生物体DNA中A、T、C和G核苷酸的特定序列对个体来说是唯一的也是至关重要的，正是这个序列不仅控制着特定细胞内的操作，而且控制着整个生物体。

一个示意图显示了24个核苷酸排列形成一个双链DNA片段，使用灰色水平圆柱体作为糖分子，彩色垂直矩形作为氮基。

图4:双链DNA由两条多核苷酸链组成，其氮基由氢键连接。在这种排列中，由于糖-磷酸盐骨架的反平行取向，以及a - t和C-G碱基配对的互补性质，每条链都反映了另一条链。

细节图

罗莎琳德·富兰克林利用x射线衍射获得了这张DNA的图像。像这样的图像可以精确计算双螺旋结构内的分子距离。

图5:罗莎琳德·富兰克林的DNA x射线衍射图像。像这样的图像可以精确计算双螺旋结构内的分子距离。

除了上面描述的梯子状结构，双链DNA的另一个关键特征是它独特的三维形状。1952年，科学家罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)用x射线衍射技术捕捉到了DNA分子的图像(图5)。尽管这些照片中的黑线看起来相对稀疏，但富兰克林博士将它们解释为核苷酸之间的距离，这些黑线被排列成一个名为a的螺旋形螺旋．

大约在同一时间，研究人员詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)正在研究细胞核内DNA稳定结构的确定模型。沃森和克里克最终使用了富兰克林的图像，以及他们自己的DNA双链性质的证据，来证明DNA实际上是以a的形式存在的双螺旋结构(图6)。Franklin, Watson和Crick都在同一期的杂志上发表了文章，描述他们的相关发现自然在1953年。

图6:双螺旋结构看起来像一个扭曲的梯子。

DNA是如何在细胞内包装的?

图7:为了更好地适应细胞，长段双链DNA紧密地排列在称为染色体的结构中。

大多数细胞都非常小。例如，一个人就有大约100万亿个细胞。然而，如果其中一个细胞内的所有DNA都被排列成一个笔直的片段，那么这个DNA将有近两米长!那么，这么多的DNA是如何在细胞内形成的呢?这个问题的答案就在这个过程中DNA包装，这是一种将DNA拟合成致密致密形式的现象(图7)。

染色质

在DNA包装过程中，长段双链DNA被紧紧地环绕、盘绕和折叠，这样它们就可以很容易地融入细胞中。真核生物通过将DNA包裹在一种叫做组蛋白(图8)。真核DNA和将其盘绕在一起的组蛋白一起被称为真核DNA染色质．

一张示意图显示了缠绕在数百个核小体周围的DNA线圈。DNA看起来像灰色的线与核小体接壤，核小体看起来像红色的圆盘。

图8:在真核生物染色质中，双链DNA(灰色)包裹在组蛋白(红色)周围。

DNA可以通过一种叫做成为超螺旋(图9)大多数原核生物缺乏组蛋白，但它们确实有由特殊蛋白质连接在一起的超盘状DNA。在真核生物和原核生物中，这种高度紧密的DNA被排列成称为染色体．染色体在不同类型的生物体中具有不同的形状。例如，大多数原核生物有一个圆形染色体，而大多数真核生物有一个或多个线性染色体，通常呈x形结构。在细胞生命周期的不同时期，构成细胞染色体的DNA可以紧密地压缩成显微镜下可见的结构，也可以分布得更松散，像一堆绳子。

图9:超盘绕的真核生物DNA。

科学家如何将DNA形象化?

图10:该核型描述了人类细胞中的所有23对染色体，包括决定性别的X染色体和Y染色体，它们共同组成了第23组染色体(右下)。

研究人员不可能用肉眼看到双链DNA——除非他们有大量的双链DNA。现代实验室技术使科学家能够从组织样本中提取DNA，从而将数千个单个细胞中的微量DNA汇集在一起。当这种DNA被收集和纯化后，结果是一种略带半透明的白色粘性物质。

为了真实地看到DNA的双螺旋结构，研究人员需要特殊的成像技术，比如罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)使用的x射线衍射。然而，只要染色体是最浓缩的形式，用标准光学显微镜就可以看到染色体。为了以这种方式观察染色体，科学家们必须首先使用化学过程，将染色体附着在玻片上，并将其染色或“涂漆”。染色使染色体在显微镜下更容易看到。此外，染色过程中出现在单个染色体上的条带模式对于每对染色体都是唯一的，因此它们允许研究人员区分不同的染色体。然后，在科学家将细胞内的所有染色体可视化并捕捉到它们的图像后，他或她可以将这些图像排列成一幅合成图，称为染色体组型(图10)。