遗传信息载体—DNA

生物可以繁殖,能够复制出新的一代,通过繁殖后代使物种得以遗传和延续。生物的复制由基因所决定,复制是生命的基本特征,但不是生命的全部特征。计算机程序可以自动复制大量的拷贝,但是这些程序不是活动的生命,活动的生命是不断变化的。绝大多数生命体可以从周围的环境中摄取物质,获取能量,并将所摄取的物质转换为其自身的一部分。计算机程序虽然可以拷贝,但是这种拷贝往往是绝对真实的拷贝,毫厘不差。而生物体在繁殖和遗传的过程中并非一成不变,后代与亲代存在着差异。正因为有遗传差异的存在,才有生物的进化。对于任何两个生物体,不论它们是否是相同的种类,还是不同的种类,它们具有共同的祖先。各种生物体通过自然选择,进化发展成为目前各自的状态。在进化过程中,子代会继承亲代的特征,但是子代并非完全与亲代一样,相对于亲代,子代会发生变化。子代的发展必然受到大自然的选择,在一定的环境之下,有的容易生存和发展,有的发展则比较困难。

核酸是遗传物质。核酸分为脱氧核糖核酸(DNA,deoxyribonucleic acid )和核糖核酸(RNA,Ribonucleic Acid),这两类核酸分布于生物体的细胞之中。其中,DNA是主要的遗传物质。1953年,Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型,由此揭开了分子生物学研究的序幕。

核苷酸

核酸经核酸酶水解可生成核苷酸(nucleotide)。核苷酸还可以进一步分解成核苷(nucleoside)和磷酸,核苷进一步水解生成碱基(base)和戊糖。所以,核酸的基本结构单位是核苷酸,其组成方式为碱基-戊糖-磷酸。

遗传信息载体—DNA

1、碱基 

碱基包括嘌呤碱和嘧啶碱两类。DNA中的嘧啶为胞嘧啶(cytosine,简写作C)和胸腺嘧啶(thymine,简写作T),嘌呤为腺嘌呤(adenine,简写作A)和鸟嘌呤(guanine,简写作G)。尿嘧啶(Uracil,简写作U)也是一种常见的嘧啶,仅存在于RNA 中。

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常见碱基的结构及国际统一的标号:

遗传信息载体—DNA

遗传信息载体—DNA

2、核苷

核酸中的戊糖有两类,即D-核糖或D-2-脱氧核糖,前者存在于RNA 中,后者存在于DNA中。核苷由戊糖和碱基缩合而成,二者通过糖苷键相连。由D-2-脱氧核糖生成的核苷称为脱氧核糖核苷,是DNA 的组成成分。

3、核苷酸

核苷中的戊糖羟基与一分子磷酸缩合形成的酯式化合物称为核苷酸。由脱氧核苷酯化所得的是脱氧核糖核苷酸,它是DNA的基本组成单位。最常见的酯化位置是与五碳糖上C-5相连接的羧基,这样一种化合物称为核苷5-磷酸或称为5'-核苷酸。右上角带撇的数码代表五碳糖原子,而不带撇的数码代表嘌呤或嘧啶环上的原子。

DNA的结构

1、DNA的一级结构

核苷酸相互连接形成长的多核苷酸链。两个核苷酸之间的连接通常是通过磷酸二酯键(phosphodiester bond),该键将一个核苷酸的磷酸基团与另一个核苷酸的脱氧核糖连接。由四种脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接而成的长链高分子多聚体为DNA分子的一级结构。DNA分子中第一个核苷酸的3'-羟基与第二个核苷酸的5'-磷酸基脱水形成3',5'-磷酸二酯键,第二个核苷酸的3'-羟基又与第三个核苷酸的磷酸基脱水形成3',5'-磷酸二酯键,依此类推,形成线性多聚体。DNA分子中第一个核苷酸的5'-磷酸与最末一个核苷酸的3'-羟基都未参与形成3',5'-磷酸二酯键,故分别称为5'-磷酸端(或5'-端)和3'羟基端(或3'-端)。

生物的绝大部分遗传信息储存于DNA序列中,核苷酸的不同排列顺序决定了生物的多样化。研究DNA的一级结构有助于了解DNA的生物学功能。

2、DNA的空间结构

由Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型(下图)有以下特征:

遗传信息载体—DNA

(1)DNA分子是由两条反向平行的核苷酸链绕着同一中心轴缠绕而成,并形成右手螺旋,其中,磷酸与核糖位于双螺旋外侧,彼此以3',5'-磷酸二酯键相连,构成双螺旋的骨架,碱基位于螺旋内侧。

(2)两条多核苷酸链靠碱基间的氢键相连。配对碱基又称互补碱基,形成碱基对(base pair),A、T配对形成二个氢键,G、C配对形成三个氢键,碱基之间的相互作用足以将两条互补的链结合在一起。两条多核苷酸链彼此称为互补链;

(3)双螺旋平均直径为20 Å,两个平行碱基对之间的距离为3.4 Å,每10个核苷酸沿中心轴旋转一周。

虽然DNA分子的两条链互补,但方向不同,是互为反向平行(antiparallel)的,一条链的5'-端与互补链的3'-端相对应,反之亦然。所以,若一条链的碱基序列是5'-ATGCGCTGA-3’,则另一条链将是3'-TACGCGACT-5’。细胞内大多数涉及DNA的反应过程都沿5'-端到3'-端进行的,所以依照惯例,另一条链通常表示为5'-TCAGCGCAT-3’。严格地讲,双链DNA分子的两条链之间是反向互补的。位于某个参考点的5'-端的序列通常称为该点的“上游”,而在3'-端的序列称为“下游”。

DNA的三级结构是指DNA双螺旋的扭曲,或称为超螺旋(superhelix)。通常,线性DNA形成螺线管式超螺旋。

3、DNA中核苷酸组成规律

根据DNA互补的双链结构以及两条链上核苷酸(或碱基)含量相近的事实,可以推导DNA中的核苷酸组成有以下规律:

(1) DNA分子中腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔含量相等(A=T),鸟嘌呤与胞嘧啶的摩尔含量相等(G=C);

(2) 嘌呤与嘧啶的总含量相等(A+G=C+T);

4、RNA和核糖体

RNA和DNA不同,RNA是单链分子。RNA主要有三种,即信使RNA(mRNA)、核糖体RNA(rRNA)及转运RNA(tRNA)。mRNA携带由基因转录过来的遗传信息,它指导蛋白质的合成。原核生物的mRNA是多顺反子,含有几个蛋白质的编码序列(Coding sequences),在各顺反子之间,常有一段不编码的间隔区。真核细胞mRNA一般为单顺反子,即只包含一个蛋白质的信息。真核细胞mRNA有两个特点:(1)3’ -端有150~200个腺苷酸(A)的序列,即多聚A,它的作用可能是使mRNA分子穿过核膜进入细胞质;(2)5’ -端是一个甲基化的鸟苷酸,即G帽,它的作用除保护mRNA外,还能使mRNA分子识别核糖体,与核糖体结合,进行蛋白质合成。mRNA的数量占细胞内RNA总量的5%~10%。

遗传信息载体—DNA

核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体主要由蛋白质分子和rRNA分子组成,蛋白质和rRNA相互作用,以维持核糖体的三维结构和生物学功能,并作为mRNA的支架,使mRNA分子在其上展开,实现蛋白质的合成。核糖体rRNA在三类RNA中相对分子量最大,同时也是最多的一类RNA,占整个RNA的82%左右。

tRNA是单链小分子,无论是在原核细胞中,还是在真核细胞中,tRNA都只含有80个左右的核苷酸。tRNA分子上有特异的反密码子,与mRNA上的密码子碱基有互补关系。tRNA负责将所需要的氨基酸逐个携带进入核糖体,合成肽链。在进行肽链合成时,tRNA 依据mRNA上的指令,依次取氨基酸,将它们携带到核糖体上,这些氨基酸被连接起来,从而形成长链的多肽分子。tRNA既是蛋白质合成的运载工具,也是识别mRNA的解读工具,因此,tRNA至少有两个功能:一是专一性地识别氨基酸,二是识别密码子。每个细胞有20种以上的tRNA,用来与不同的氨基酸结合。tRNA的数量占细胞内RNA总量的5%~10%。

 

 

 

 

 

 

 

 

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