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DNA的发现历程跨越了近一个世纪。1869年,瑞士生物学家米歇尔首次从白细胞核中分离出一种富含磷的物质,称为核素,这就是DNA的最初发现。1944年,艾弗里通过肺炎球菌转化实验证明DNA是遗传物质。1950年,查哥夫发现了著名的查哥夫定律,即DNA中腺嘌呤等于胸腺嘧啶,鸟嘌呤等于胞嘧啶。1951年,富兰克林拍摄的X射线衍射照片为DNA结构提供了关键证据。最终在1953年,沃森和克里克提出了DNA双螺旋结构模型,开启了分子生物学的新时代。
DNA的化学组成包括三个基本成分。首先是磷酸基团,它带负电荷,位于DNA分子的外侧骨架上。其次是五碳糖,即脱氧核糖,它与磷酸基团交替连接形成DNA的糖磷酸骨架。第三是四种含氮碱基:腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G和胞嘧啶C。这些碱基通过糖苷键与脱氧核糖相连。查哥夫通过化学分析发现,在任何生物的DNA中,腺嘌呤的含量总是等于胸腺嘧啶,鸟嘌呤的含量总是等于胞嘧啶,这就是著名的查哥夫定律,为后来DNA双螺旋结构的发现提供了重要线索。
DNA双螺旋结构是生物学史上最重要的发现之一。这个结构由两条反向平行的多核苷酸链组成,它们围绕共同的轴心呈右手螺旋缠绕。螺旋的直径约为2纳米,每完整一圈的螺距为3.4纳米,包含10个碱基对。两条链的方向相反,一条是5'到3'方向,另一条是3'到5'方向。碱基通过氢键配对连接,腺嘌呤与胸腺嘧啶形成两个氢键,鸟嘌呤与胞嘧啶形成三个氢键。螺旋结构形成了大沟和小沟,为蛋白质与DNA的相互作用提供了结合位点。这种精巧的结构不仅保证了遗传信息的稳定储存,也为DNA的复制和转录提供了结构基础。
DNA复制是一个精密而复杂的生物化学过程。首先,解旋酶打开DNA双螺旋结构,形成复制叉。由于DNA聚合酶只能在3'到5'方向合成新链,两条模板链的复制方式不同。前导链可以连续合成,而滞后链必须以不连续的方式合成,形成多个短片段,称为冈崎片段。引物酶首先合成RNA引物,为DNA聚合酶提供起始点。DNA聚合酶沿着模板链合成新的DNA链,严格遵循碱基配对原则。最后,连接酶将冈崎片段连接起来,形成完整的新链。整个过程确保了遗传信息的准确传递,体现了半保留复制的特点,即每个新DNA分子都包含一条原有链和一条新合成链。
DNA的功能体现了其作为遗传物质的核心地位。首先,DNA储存遗传信息,通过特定的碱基序列编码生物的所有遗传性状,遗传密码以三个碱基为一组,称为密码子,每个密码子对应一个氨基酸或终止信号。其次,DNA通过精确的复制过程传递遗传信息,确保遗传信息在细胞分裂和生殖过程中的准确传递。第三,DNA控制蛋白质合成,这是基因表达的核心过程。转录过程中,DNA的遗传信息转录到信使RNA上;翻译过程中,信使RNA在核糖体上指导蛋白质的合成。此外,细胞还具有完善的DNA修复机制,能够识别和修复DNA损伤,维持遗传信息的稳定性。这些功能的协调作用,使DNA成为生命活动的根本控制者,体现了结构决定功能的生物学基本原理。