DNA是什么？

DNA（脱氧核糖核酸）是所有细胞生物的遗传物质。DNA结构的发现是20世纪最重要的分子大发现。

DNA都由哪些分子组成？

DNA的全称是脱氧核糖核酸，“核”意指DNA处于真核细胞的核中。事实上，DNA是核苷酸的聚合物（长链）。核苷酸由3部分组成：1个磷酸基、1个戊糖（脱氧核糖），以及1个含氮碱基。如果把DNA想象成一个梯子，那么梯子的两边就是由磷酸盐和脱氧核糖分子组成的，而梯蹬就是由两种不同的含氮碱基所构成。含氮碱基对基因而言，是分子极为重要的一部分。含氮碱基以特定的顺序进行排列，就能形成基因。

DNA分子是怎样联结在一起的？

虽然DNA（脱氧核糖核酸）是由好几种不同的化学反应连在一起的，但这种分子并不牢固。组成“梯蹬”的含氮碱基由氢键连在一起。梯子的“两边”（磷酸盐和脱氧核糖分子）是由一种名为“磷酸二酯键”的共价键连在一起的。DNA分子的有些部分具有极性（梯子外部），但梯蹬（含氮碱基）并无极性，因此DNA和水中的氢原子、氧原子间会发生静力反应。DNA的内部具有疏水性，而DNA外部的糖—磷酸分子却有亲水性，这样就形成了一种分子压力，将螺旋结构粘连在一起。

脱氧核糖核酸的含氮碱基是什么？

含氮碱基有一个由氮原子和碳原子构成的环，周围附着许多功能各异的官能团。含氮碱基分为两种类型。这两种类型结构不同：胸腺嘧啶和胞嘧啶是单环结构，而腺嘌呤和鸟嘌呤是双环结构。詹姆斯·沃森（James Watson，1928—）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick，1916—2004）对碱基是如何连在一起的问题进行了推测，他们认为只有当分子的直径一致时才有可能配对。因此显而易见的是，双环碱基的互补链中必须配有单环碱基。

碱基互补配对原则指什么？

碱基互补配对原则指的是以特定方式为含氮碱基配对的原则，也就是嘌呤配嘧啶。确切地说，腺嘌呤必须与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤必须与胞嘧啶配对。这一原则以埃德温·查加夫（Edwin Chargaff，1905—2002）所收集的数据为依据，因此名为查加夫法则。

如何分开DNA的双链？

DNA（脱氧核糖核酸）的双链会在复制阶段分开；其间，双螺旋的双链分开，母链会形成新的互补链。同时，DNA转录期间，DNA双链中的模板链转录（复制）成RNA链。要使DNA的双链分开，碱基对间的氢键就必须断开；能断开氢键的物质是DNA解旋酶。然而，这种酶并不能真的把DNA双链分开；真正分开DNA双链的是特殊的蛋白质。这种特殊蛋白质名为起始子蛋白，它能在染色体上的特定地点断开DNA双链。

DNA的复制都需要些什么？

DNA（脱氧核糖核酸）的复制过程较为复杂，其间需要的酶、核苷酸和能量的种类超过了12种。真核细胞有许多复制起点。复制起点处，酶会断开双键间的含氮碱基，从而分开螺旋结构。一旦DNA分子双链分开，DNA稳定蛋白就会阻止已经分开的双链再次相连。DNA聚合酶分子会读取和复制目标链中的序列，加快互补碱基对形成新链的速度。

DNA的复制每次都一样吗？

人体内的细胞数量庞大，DNA（脱氧核糖核酸）的复制也极为频繁；鉴于此，DNA的复制还是相当精确的。DNA的自发损害较少，比方说细菌，每100亿细胞中发生突变的只有1～100个。真核基因的突变率更高，每100万配子中，发生突变的有1～10个。不同生物体、不同基因的突变率各不相同。

突变是什么？

突变指的是基因中DNA（脱氧核糖核酸）序列的异变。突变是种群进化的原因，但突变也有不良影响，比如致病、导致机能紊乱等。镰状细胞病就是突变引起的一种疾病。血红蛋白（运氧蛋白）由4条多肽链组成，而镰状细胞病会使其中2条多肽链的氨基酸序列（缬氨酸代替了谷氨酸）发生异变。

DNA的复制有多快？

在原核生物中，每秒复制的核苷酸大约有1000个，所以4.7兆节的大肠埃希氏菌只需40分钟就能复制完毕。相较原核基因组来说，真核基因组体积巨大；因此人们就会误以为真核细胞的DNA复制过程极长。实际上，真核生物中，每条染色体的DNA复制区域都不止一个。真核细胞的复制速度可达500～5000碱基对／分，而复制整个基因组所需的实际时间则取决于基因组的大小。

聚合酶链式反应是什么？

聚合酶链式反应，简称PCR，是一种不利用细胞就能扩增或复制任何DNA片段的实验技术。人们向试管中放入一种特殊的DNA聚合酶、核苷酸和一小片人工合成的单链DNA，作为DNA合成的引子，以此来培育DNA。使用自动化技术，聚合酶链式反应能在数小时内复制出数十亿特定的DNA片段。每轮聚合酶链式反应消耗的时间只有5分钟左右。5分钟后，就算DNA片段中的碱基对数量上百，也能复制完毕。聚合酶链式反应器会不断重复这一过程。通过重组质粒，让质粒在细菌内进行复制的方法来克隆DNA片段，往往要花上好几天的时间；比较之下，聚合酶链式反应要快得多。

聚合酶链式反应是生物化学家凯利·穆利斯（Kary Mullis，1944—）在1983年研发出来的，当时他供职加利福尼亚州的一家生物技术公司——鑫堡公司。1993年，穆利斯因研发出聚合酶链式反应而荣获诺贝尔化学奖。

细胞核中的DNA是怎样排列的？

细胞核中，DNA（脱氧核糖核酸）与组蛋白结合在一起，形成一种纤维状物质——染色质。当细胞要分裂或繁殖的时候，细染色质纤维就会凝结在一起，变粗，成为独立的结构——染色体。

只有细胞核中有DNA吗？

除真核细胞的核DNA以外，线粒体（动植物细胞的细胞器）和叶绿体（植物和藻类细胞）中也有DNA（脱氧核糖核酸）。线粒体DNA中的某些基因对细胞代谢至关重要。叶绿体DNA中的某些遗传信息对光合作用极为重要。

普通人体内有多少DNA？

如果将人体1个细胞内的DNA抻开并首尾相连，这条DNA大约长6.5英尺（2米）。人体内有上万亿的细胞，如果将这些细胞中的DNA抻开、头尾相连的话，全长平均能达到100～200亿英里（160～320亿千米）。如果把人体内所有DNA的双链解开的话，这条DNA就能在太阳和地球之间往返500多个来回。

DNA和RNA有什么不同？

DNA（脱氧核糖核酸）是一种核酸，由许多核苷酸堆积而成。核苷酸含有磷酸基团（PO4）、糖（脱氧核糖）和碱基；这个碱基如果不是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T），或鸟嘌呤（G），就是胞嘧啶（C）。这个基本结构在双螺旋结构（2条核苷酸链以碱基相连，组成双螺旋结构）中反复出现。碱基对间的连接只有腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T），与鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）两种情况存在；碱基的结构不允许其他连接形式。双螺旋结构极为著名，它就像是一个拧来拧去的梯子。1962年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给了詹姆斯·杜威·沃森（James Watson）、弗朗西斯·克里克（Francis Crick）和莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins，1916—2004）三人，以嘉奖他们明确了DNA的分子结构。

RNA（核糖核酸）也是一种核酸，但这种核酸只有一条单链；而且糖是核糖，不是脱氧核糖。除胸腺嘧啶（T）外，RNA的所有碱基都与DNA的碱基相同。RNA中代替胸腺嘧啶的碱基是尿嘧啶（U），尿嘧啶（U）只与腺嘌呤（A）相连。

人们是什么时候发现RNA的？

20世纪40年代前，人们就知道除了DNA（脱氧核糖核酸）之外，还有另一种核酸——核糖核酸（RNA）。俄裔化学家菲巴斯·利文（Phoebus Levene，1869—1940）进一步完善了阿尔布雷克特·科赛尔（Albrecht Kossel，1853—1927）的研究。

科赛尔因确定核质的成分而荣获1910年的诺贝尔生理学或医学奖。科赛尔进行研究的时候，人们并不知道DNA和RNA是两种不同的物质。1909年，利文从酵母菌的核酸中分离出了核糖，并将其视为戊糖。1929年，他成功地从动物胸腺细胞的核酸中分离出糖。这种糖也是戊糖，但与核糖相比，少了1个氧原子。利文称这种新物质为脱氧核糖。这些研究通过DNA和RNA的糖分子确定了它们之间的化学差异。

RNA是在哪里形成的？

所有的RNA（核糖核酸）都是在细胞核（真核细胞）或拟核区（原核细胞）形成的。RNA聚合酶是负责RNA合成的主要酶。

真核细胞中有多少种RNA？

真核细胞中主要有5种RNA（核糖核酸）：1）不均一核RNA（hnRNA）；2）信使RNA（mRNA）；3）转运RNA（tRNA）；4）核糖体RNA（rRNA）；5）小核RNA。信使RNA、转运RNA和核糖体RNA是主要的RNA。信使RNA是从DNA链中复制出的一条单链，将DNA中的遗传密码带至核糖体中蛋白质的合成场所。核糖体RNA的数量最多，它参与核糖体中蛋白质的合成过程。转运RNA（tRNA）执行翻译任务。所有转运RNA都拥有特定的反密码子、携带特定的氨基酸，根据信使RNA上特定的密码子挑选适合的氨基酸。

染色体是怎样组成的？

染色体是在蛋白支架（组蛋白）上组合而成的，组蛋白可以使脱氧核糖核酸（DNA）更为紧实。组蛋白主要分为五类，都带有正电荷。组蛋白的正电荷吸引DNA磷酸分子上的负电荷，使DNA与组蛋白结合在一起。这些DNA和蛋白质组成的链较粗，名为染色质。而后，染色质经挤压形成类似染色体的结构。在有丝分裂中，染色体的形状独特，人们可以清晰地辨别、计数。

人们最早是在什么时候观察到染色体的？

早在1872年，人们就观察到了染色体。那时，埃德蒙德·拉索（Edmund Russow，1841—1897）在细胞分裂的过程中观察到了类似小棍的物质。他将这种物质称为“小棍”（Stäbchen）。1875年，埃杜亚德·冯·贝内登（Edouard van Beneden，1846—1910）用“小棒”（bâtonnet）一词代指核复制。1876年，埃杜亚德·巴尔比阿尼（Edouard Balbiani，1825—1899）声称，细胞核在细胞分裂时会溶解，变成许多“又窄又短的小棍”（bâtonnetsétroits）。沃特尔·弗莱明（Walther Flemming，1843—1905）发现染色体的“线”或“螺纹”（Fäden）会在有丝分裂的过程中纵向分裂。

哪种生物的染色体最多？

心叶瓶尔小草是蕨类植物的一种，它的染色体数量超过1260条（630对），是染色体数量最多的生物。

人类的体细胞中有多少染色体？

不算生殖细胞的话，人体内通常有46条染色体（23对）。1对染色体由2条染色体组成，1条来自母亲的卵子，1条来自父亲的精子。卵子受精时，就会形成一个单独细胞（受精卵），这个细胞有46条染色体。细胞开始分裂时，会对46条染色体进行复制；这一过程会重复无数次，而且每个细胞中的染色体都一模一样。只有配子（生殖细胞）的染色体不同。配子（生殖细胞）分裂时，每对染色体中的单个染色体都会分开，进入不同的细胞。每个配子只有23条染色体。

基因的组成成分有哪些？

“基因”指的是可作为模板，制造出RNA（核糖核酸）链或蛋白质链的DNA（脱氧核糖核酸）片段。除此之外，每个基因都有启动子和终止子。启动子标明基因编码信息的起始地点，而终止子标明了基因的终止点。

基因的平均大小有多大？

脊椎动物基因平均含有3万个碱基对。细菌的序列只含有编码物质，因此体积较小，只含有大约1000个碱基对。人类基因的碱基对数量在2万～5万之间，尽管有的基因的碱基对数量超过10万。

基因和染色体有什么不同？

人类基因组有24个独一无二的独立单元——染色体。沿染色体分布着呈线性排列的成千上万个基因。“基因”指的是DNA分子中的特定部分，受核苷酸的特定序列影响。基因的遗传密码正是由含氮碱基的特定序列所赋予的。人类基因组含有大约30亿个碱基对，而且这些基因有长有短，差别较大。

基因是如何受到调控的？

基因会受到调控机制的控制，而且原核生物与真核生物的调控机制不同。DNA（脱氧核糖核酸）结合蛋白可以对细菌（原核生物）基因进行调控，影响转录率；全局调控机制（生物体对特定环境刺激物的应激作用，例如热冲击）也能对其加以调控。这在细菌中尤为重要。真核生物中的基因调控取决于一系列复杂的调控因素，这些因素会在特定时间“打开”或“关闭”基因。这些调控因素有：DNA结合蛋白，以及控制DNA结合蛋白运动的蛋白质。

什么是“一个基因一个酶假说”？

20世纪30年代期间，乔治·比德尔（George Beadle，1903—1989）和伯利斯·伊弗鲁西（Boris Ephrussi，1901—1979）提出：果蝇的各种基因突变可能是由于控制每种酶形成的相关个体基因的突变导致的。后来，比德尔和爱德华·塔特姆（Edward Tatum，1909—1975）用链孢霉进行了一系列实验。链孢霉指明了真菌生成特定营养物——精氨酸——所需的酶促途径。研究人员因此培育了一系列突变物，每种突变物的酶促途径中缺少的酶都各不相同。这样的话，这些突变物就能组合出产生精氨酸所需的序列，从而展示突变物的位置所在。比德尔与塔特姆的研究为“一个基因一个酶假说”提供了重要的支持。“一个基因一个酶假说”认为，基因的作用就是生产特定的酶。比德尔和塔特姆因这项研究荣获了1958年的诺贝尔生理学或医学奖。

谁发现了跳跃基因？

20世纪50年代期间，芭芭拉·麦克林托克（Barbara McClintock，1902—1992）正在纽约州的冷泉港实验室研究玉米的细胞遗传问题，她发现当玉米粒处于发育阶段时，有些易突变的基因会在不同的细胞之间转移。麦克林托克做出这一推断的依据是，她观察到经历多代人工杂交的玉米粒的颜色变化有其模式。她因这项研究荣获了1983年的诺贝尔生理学或医学奖。

DNA指纹的生物学依据是什么？

英国遗传学家埃里克·杰弗瑞（Alec Jeffreys，1950—）发明了DNA指纹分析（又名“DNA分型”或“基因鉴定”）。这项技术的依据是每个人的基因都独一无二。人类大部分的DNA序列都一模一样，但通常情况下，100对（DNA）碱基对会有1对不同。而人体内DNA的碱基对高达30亿对，因此人与人之间的DNA差异数量会达到300万个碱基对。要想检查一个人的DNA指纹，就需要用限制性内切酶切下一块DNA样本，而后用凝胶电泳将DNA碎片分离出来，并将其转移到尼龙滤膜上。在膜上用含有与特定多态序列互补的放射性DNA探针的溶液来培育DNA碎片。

整个基因组是如何“装进”细胞核里的？

普通细胞核的直径不到5微米，真核生物的DNA的长度在1～2微米之间。为了使DNA能够“装进”细胞核中，DNA和蛋白质紧紧地挤压在一起，形成线状物质——染色质。这些线极粗，用光学显微镜就能进行观测。

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