[科普中國]-DNA分子

DNA即脫氧核糖核酸（英文Deoxyribonucleic acid的縮寫）,是染色體主要組成成分，同時也是主要遺傳物質(zhì)。

簡介隨著分子生物技術(shù)的迅猛發(fā)展，DNA分子鑒定已廣泛應用于生命科學的各個領(lǐng)域。DNA分子鑒定技術(shù)已越來越多地應用于中藥的鑒別,它可以用于解決中藥,特別是動物類中藥鑒定的某些難題,有準確性高、重復性好的特點,由于該項技術(shù)是利用作為遺傳信息直接載體的DNA分子為鑒定依據(jù),因此對中藥品種的鑒定研究更深入和客觀。如對龜甲、鱉甲、蛇類、鹿類、蛤蚧等藥材進行的鑒定硏究,在一定程度上克服了僅依據(jù)形態(tài)、顯微特征及理化方法進行此類藥材鑒別的不足。蛇類藥材如烏梢蛇、蘄蛇等的DNA分子鑒定已收載于2015年版《中國藥典》中。

除DNA分子鑒定外,尚有應用生物免疫印記技術(shù)鑒別動物類中藥。主要是利用不同種動物都含有各自的特異性蛋白質(zhì),具有免疫特異性,可用于親緣關(guān)系比較接近的動物藥之間的鑒別與分析。采用對流免疫電泳法及瓊脂免疫擴散法能準確地檢岀虎、豹、猞猁、貓、牛、豬等骨骼,已達到鑒別偽品的目的1。

簡史20世紀四五十年代,科學家已經(jīng)知道DNA分子是由4種脫氧核苷酸組成的一種高分子化合物。但是,對于只由4種脫氧核苷酸組成的DNA分子為什么能夠成為遺傳物質(zhì),仍然感到困惑不解。為此,許多科學家都投入到對DNA分子結(jié)構(gòu)的研究中。1953年, Watson和 Crick在前人工作的基礎上,提出了著名的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,奠定了基因復雜功能的結(jié)構(gòu)基礎,遺傳學的研究取得了突飛猛進的發(fā)展。

DNA是一種雙螺旋結(jié)構(gòu)的生物大分子,其基本組成單位是脫氧核糖核苷酸( deoxy-nucleotide),每個單核苷酸又由3種比較簡單的化合物即磷酸、脫氧核糖和堿基各一分子組成。堿基有嘌呤和嘧啶兩大類,嘌呤中主要有腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G),嘧啶中主要有胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，這些嘌呤和嘧啶均為含氮的雜環(huán)化合物,稱為含氮堿基2。

DNA概述有時被稱為“遺傳微粒”，因為在繁殖過程中，父代把它們自己DNA的一半復制傳遞到子代中，從而完成性狀的傳播。原核細胞的染色體是一個長DNA分子。真核細胞核中有不止一個染色體，每個染色單體也只含一個DNA分子。不過它們一般都比原核細胞中的DNA分子大而且和蛋白質(zhì)結(jié)合在一起。DNA分子的功能是貯存決定物種性狀的幾乎所有蛋白質(zhì)和RNA分子的全部遺傳信息;編碼和設計生物有機體在一定的時空中有序地轉(zhuǎn)錄基因和表達蛋白完成定向發(fā)育的所有程序;初步確定了生物獨有的性狀和個性以及和環(huán)境相互作用時所有的應激反應.除染色體DNA外，有極少量結(jié)構(gòu)不同的DNA存在于真核細胞的線粒體和葉綠體中。DNA病毒的遺傳物質(zhì)也是DNA,極少數(shù)為RNA.

DNA的組成元素

碳（ C）、氫（H）、氧（O）、氮(N)、磷(P）

DNA分子特性

穩(wěn)定性 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)是相對穩(wěn)定的。這是因為在DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè),通過氫鍵形成的堿基對,使兩條脫氧核苷酸長鏈穩(wěn)固地并聯(lián)起來。另外,堿基對之間縱向的相互作用力也進一步加固了DNA分子的穩(wěn)定性。各個堿基對之間的這種縱向的相互作用力叫做堿基堆集力,它是芳香族堿基π電子間的相互作用引起的。普遍認為堿基堆集力是穩(wěn)定DNA結(jié)構(gòu)的最重要的因素。再有,雙螺旋外側(cè)負電荷的磷酸基團同帶正電荷的陽離子之間形成的離子鍵,可以減少雙鏈間的靜電斥力,因而對DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)也有一定的穩(wěn)定作用。

多樣性 DNA分子由于堿基對的數(shù)量不同,堿基對的排列順序千變?nèi)f化,因而構(gòu)成了DNA分子的多樣性。例如,一個具有4 000個堿基對的DNA分子所攜帶的遺傳信息是4種,即10種。

特異性 不同的DNA分子由于堿基對的排列順序存在著差異,因此,每一個DNA分子的堿基對都有其特定的排列順序,這種特定的排列順序包含著特定的遺傳信息,從而使DNA分子具有特異性。

發(fā)現(xiàn)，發(fā)展DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是科學史上最具傳奇性的“章節(jié)”之一。發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)是劃時代的成就，但發(fā)現(xiàn)它的方法是模型建構(gòu)法，模型建構(gòu)法就像小孩子拼圖游戲一樣的“拼湊”法。而在這場“拼湊”中表現(xiàn)最出色的是沃森和克里克。

1928年4月6日，沃森出生于美國芝加哥。16歲就在芝加哥大學畢業(yè)，獲得動物學學士學位，在生物學方面開始顯露才華。22歲時取得博士學位，隨后沃森來到英國劍橋大學的卡文迪什實驗室，結(jié)識了早先已在這里工作的克里克，從此開始了兩人傳奇般的合作生涯?？死锟擞?916年6月8日生于英格蘭的北安普敦，21歲在倫敦大學畢業(yè)。二戰(zhàn)結(jié)束后，來到劍橋的卡文迪什實驗室，克里克和沃森一樣，對DNA有著濃厚的興趣，從物理學轉(zhuǎn)向研究生物學。

當時人們已經(jīng)知道，DNA是一種細長的高分子化合物，由一系列脫氧核苷酸鏈構(gòu)成，脫氧核苷酸又是由脫氧核糖、磷酸和含氮堿基組成，堿基有4種,分別是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。在1951年，很多科學家對DNA的結(jié)構(gòu)研究展開了一場競賽。當時有兩個著名的DNA分子研究小組，一個是以著名的物理學家威爾金斯和化學家富蘭克林為首的英國皇家學院研究小組，他們主要用X射線衍射來研究DNA結(jié)構(gòu)。一個是以著名化學家鮑林為首的美國加州理工大學研究小組，他們主要用模型建構(gòu)法研究DNA結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)用該方法發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)a螺旋。

1951年2月，威爾金斯將富蘭克林拍的一張非常精美的DNA的X光衍射照片在意大利舉行的生物大分子結(jié)構(gòu)會議上展示，一直對DNA有濃厚興趣的沃森看到這張圖時，激動得話也說不出來，他的心怦怦直跳，根據(jù)此圖他斷定DNA的結(jié)構(gòu)是一個螺旋體。他打定主意要制作一個DNA模型。他把這種想法告訴了他的合作者克里克，得到了克里克的認可。

沃森和克里克構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型的工作始于1951年秋。他們用模型構(gòu)建法，仿照著名化學家鮑林構(gòu)建蛋白質(zhì)α螺旋模型的方法，根據(jù)結(jié)晶學的數(shù)據(jù)，用紙和鐵絲搭配脫氧核苷酸。

他們構(gòu)建了一個又一個模型，都被否定了。但沃森堅持認為，DNA分子可能是一種雙鏈結(jié)構(gòu)。因為自然界中的事物，很多是成雙成對的，細胞中的染色體也是成對的。之后他們分別完成了以脫氧核糖和磷酸交替排列為基本骨架，堿基排在外面的雙螺旋結(jié)構(gòu)，和以脫氧核糖和磷酸交替排列為基本骨架，堿基排在內(nèi)部，且同型堿基配對的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

1952年，生物化學家查伽夫訪問劍橋大學時向報道了他對人、豬、牛、羊、細菌和酵母等不同生物DNA進行分析的結(jié)果。查伽夫的結(jié)果表明，雖然在不同生物的DNA之間，4種脫氧核苷酸的數(shù)量和相對比例很不相同，但無論哪種物質(zhì)的DNA中，都有A=T和G=C，這被稱為DNA化學組成的“查伽夫法則”。1952年7月，查伽夫訪問卡文迪什實驗室時，向克里克詳細解釋了A:T=G:C=1:1的法則。之后，克里克的朋友，理論化學家格里菲斯通過計算表明，DNA的4種脫氧核苷酸中，A必須與T成鍵，G必須與C成鍵。這與查伽夫法則完成一致。隨后，鮑林以前的同事多諾告訴沃森，A-T和G-C配對是靠氫鍵維系的。以上這些工作，就成了沃森和克里克DNA分子模型中A—T配對、G=C配對結(jié)構(gòu)的基礎。

至此，DNA模型已經(jīng)浮現(xiàn)。2月28日，沃森用紙板做成4種堿基的模型，將紙板粘到骨架上朝向中心配對，克里克馬上指出，只有兩條單鏈的走向相反才能使堿基完善配對，這正好與X光衍射資料一致。完整的DNA分子結(jié)構(gòu)模型完成于1953年3月7日。根據(jù)這個模型，DNA分子是一個雙螺旋結(jié)構(gòu)，每一個螺旋單位包含10對堿基，長度為34埃（1埃=10-10米）。螺旋直徑為20埃。4月15日，沃森和克里克關(guān)于該模型的第一篇論文在《自然》（Nature）雜志上發(fā)表。

DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的發(fā)現(xiàn)，是生物學史上的一座里程碑，它為DNA復制提供了構(gòu)型上的解釋，使人們對DNA作為基因的物質(zhì)基礎不再懷疑，并且奠定了分子遺傳學的基礎。DNA雙螺旋模型在科學上的影響是深遠的。

DNA分子結(jié)構(gòu)

DNA分子是以4種脫氧核苷酸為單位連接而成的長鏈，這4種脫氧核苷酸分別含有A,T,C,G四種堿基。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

江松敏 - 副教授 - 復旦大學