脱氧核糖核酸(DNA)是生物细胞内携带有合成RNA和蛋白质所必需的遗传信息的一种核酸,是生物体发育和正常运作必不可少的生物大分子。
DNA中的核苷酸中碱基的排列顺序构成了遗传信息。该遗传信息可以通过转录过程形成RNA,然后其中的mRNA通过翻译产生多肽,形成蛋白质。
在细胞分裂之前,DNA复制过程复制了遗传信息,这避免了在不同细胞世代之间的转变中遗传信息的丢失。在真核生物中,DNA存在于细胞核内称为染色体的结构中。在没有细胞核的其它生物中,DNA要么存在于染色体中要么存在于其它组织(细菌有单环双链DNA分子,而病毒有DNA或RNA基因组)。
在染色体中,染色质蛋白如组蛋白、共存蛋白和凝聚蛋白将DNA在一个有序的结构中。这些结构指导遗传密码和负责转录的蛋白质之间的相互作用,有助于控制基因的转录。
基因组结构
真核生物基因组DNA位于细胞核内,线粒体和叶绿体内也有DNA。原核生物DNA被包裹在细胞质中不含细胞膜的不规则细胞器类核中。遗传信息包含在基因中,基因是能够影响生物体表型的遗传单位。每个基因含有开放阅读框(能够转录成RNA的区域)和由启动子和增强子组成的调节区。
在许多物种中,只有一小部分基因组序列可以被转录和翻译。例如,人类基因组中只有1.5%序列含有编码蛋白质的外显子,超过50%的人类基因组由重复的非编码DNA序列组成。在任何情况下,不编码蛋白质的DNA序列也可以转录成非编码RNA,参与基因表达的调控。 一些非编码序列是对染色体的结构组成部分。端粒和着丝粒区域通常含有非常少的基因,但对于染色体的功能和稳定性是必需的。
转录和翻译
基因是含有能够影响生物体表型特征的遗传信息的DNA序列。基因内的DNA碱基序列作为模板可以合成RNA分子,在大多数情况下,RNA分子被翻译成多肽,最终称为蛋白质。将基因的核苷酸序列复制到RNA链中的过程称为转录,由RNA聚合酶催化发生。
RNA链有不同的命运:一些RNA分子实际上具有结构(例如在核糖体内发现的那些rRNA)或催化(如核酶)功能;绝大多数RNA经历成熟过程产生mRNA,被翻译成蛋白质。翻译过程发生在细胞质中,其中mRNA与核糖体结合,并由遗传密码介导。核糖体允许顺序读取mRNA密码子,有利于它们识别和与特定tRNA相互作用,这些tRNA携带对应于每个单个密码子的氨基酸分子。
遗传密码
遗传密码是一组规则,将DNA或RNA序列以三个核苷酸为一组的密码子转译为蛋白质的氨基酸序列,以用于蛋白质合成。密码子由mRNA上的三个核苷酸(例如ACU,CAG,UUU)的序列组成,每三个核苷酸与特定氨基酸相关。例如,三个重复的胸腺嘧啶(UUU)编码苯丙氨酸。使用三个字母,可以拥有多达64种不同的组合。
由于有64种可能的三联体和仅20种氨基酸,因此认为遗传密码是多余的(或简并的):一些氨基酸确实可以由几种不同的三联体编码。但每个三联体将对应于单个氨基酸。最后,有三个三联体不编码任何氨基酸,它们代表停止(或无意义)密码子,分别是UAA,UGA和UAG。
DNA是高分子聚合物,其溶液为高分子溶液,具有很高的粘度,可被甲基绿染成绿色。DNA对紫外线(260nm)有吸收作用,利用这一特性,可以对DNA进行含量测定。当核酸变性时,吸光度升高,称为增色效应;当变性核酸重新复性时,吸光度又会恢复到原来的水平。较高温度、有机溶剂、酸碱试剂、尿素、酰胺等都可以引起DNA分子变性,即DNA双链碱基间的氢键断裂,双螺旋结构解开—也称为DNA的解螺旋。