去氧核糖核酸

去氧核糖核酸

去氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid，簡稱DNA）是一種生物大分子，負責儲存和傳遞遺傳信息。DNA是構成基因的主要化學物質，被稱為"生命的藍圖"。它存在於所有已知生物體（包括病毒）的細胞中，在細胞核、線粒體和葉綠體等細胞器中均有分布。

DNA由以下基本成分構成：

• 去氧核糖：五碳糖，與核糖相比缺少一個羥基

• 磷酸基團：提供DNA分子的酸性特徵

• 含氮鹼基：分為兩類

  • 嘌呤類：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）

  • 嘧啶類：胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）

這些組分通過特定方式連接形成核苷酸，進而構成DNA長鏈。

DNA具有獨特的雙螺旋結構，這一發現被譽為20世紀最重要的科學發現之一：

雙螺旋模型

• 由兩條反向平行的多核苷酸鏈組成

• 鹼基配對規則：A與T配對（形成兩個氫鍵），G與C配對（形成三個氫鍵）

• 螺旋直徑約2納米，每圈螺旋包含約10個鹼基對

• 大溝和小溝的結構為蛋白質-DNA相互作用提供特異性結合位點

結構穩定性

• 氫鍵維持鹼基配對特異性

• 鹼基堆積力提供主要穩定作用

• 磷酸骨架的負電荷需要陽離子（如Mg²⁺）中和

DNA在生物體中發揮以下關鍵作用：

遺傳信息儲存

• 通過鹼基序列編碼遺傳信息

• 每三個鹼基組成一個密碼子，對應特定氨基酸

遺傳信息傳遞

• 通過複製過程精確傳遞給子代細胞

• 轉錄生成RNA，進而指導蛋白質合成

突變與進化

• 自發或誘導的DNA變化為進化提供原材料

• 修復機制維持遺傳穩定性

DNA複製是細胞分裂前的關鍵過程，具有以下特點：

半保留複製

• 親代DNA的兩條鏈分別作為模板合成新鏈

• 子代DNA分子各含一條親代鏈和一條新合成鏈

複製過程

1. 解旋酶解開雙螺旋

2. 引物酶合成RNA引物

3. DNA聚合酶沿5'→3'方向延伸新鏈

4. 岡崎片段合成後隨鏈

5. 連接酶連接片段，完成複製

保真性機制

• 鹼基選擇性

• 校讀功能

• 錯配修復系統

細胞擁有多種DNA修復機制：

修復類型

• 直接修復：如光復活酶修復胸腺嘧啶二聚體

• 切除修復：包括鹼基切除修復和核苷酸切除修復

• 錯配修復：糾正複製錯誤

• 重組修復：處理雙鏈斷裂

修復重要性

• 維持基因組穩定性

• 防止癌症發生

• 延緩衰老過程

DNA研究經歷了幾個重要階段：

關鍵發現

• 1869年：米歇爾首次從膿細胞中分離出"核素"

• 1944年：艾弗裡證明DNA是遺傳物質

• 1953年：沃森和克里克提出DNA雙螺旋模型

• 1977年：桑格發明DNA測序方法

現代發展

• 人類基因組計劃完成

• CRISPR基因編輯技術興起

• 表觀遺傳學研究深入

DNA技術已廣泛應用於多個領域：

醫學應用

• 基因診斷

• 基因治療

• 個性化醫療

法醫學

• DNA指紋鑑定

• 親子鑑定

• 犯罪現場分析

農業生物技術

• 轉基因作物

• 分子標記輔助育種

• 品種鑑定

工業應用

• 重組蛋白生產

• 生物合成

• 環境生物修復

現代DNA研究依賴多種先進技術：

分子生物學技術

• PCR擴增

• 電泳分離

• 分子克隆

測序技術

• 桑格測序

• 高通量測序

• 單分子測序

基因操作

• 限制酶切割

• 基因敲除

• CRISPR-Cas9編輯

DNA研究仍在快速發展，不斷為生命科學和醫學帶來革命性突破。