DNA的结构、特性及复制
一、DNA的双螺旋结构
1. 基本组成与空间结构
- 组成单位：脱氧核苷酸（含脱氧核糖、磷酸基团、含氮碱基：A腺嘌呤、T胸腺嘧啶、G鸟嘌呤、C胞嘧啶）。
- 双螺旋结构特点：
1. 双链反向平行：两条脱氧核苷酸链按 5'→3' 反向平行盘旋，形成右手双螺旋（直径2nm，螺距3.4nm，每圈10个碱基对）。
2. 外侧骨架：脱氧核糖与磷酸基团通过 磷酸二酯键 交替连接，构成稳定的基本骨架。
3. 内侧碱基对：两条链的碱基通过 氢键 互补配对，遵循 碱基互补配对原则：
- A（腺嘌呤）与T（胸腺嘧啶）配对，形成 2个氢键；
- G（鸟嘌呤）与C（胞嘧啶）配对，形成 3个氢键（G-C对更稳定）。
- 氢键的特性：
- 可通过 解旋酶 或高温（>90℃）断裂，用于DNA复制或PCR解旋；
- 氢键仅存在于DNA和RNA中（蛋白质中为肽键、二硫键等）。
二、DNA的特性
1. 稳定性
- 骨架结构稳定：磷酸与脱氧核糖的排列顺序永不改变；
- 碱基配对严格：遵循A-T、G-C配对原则，保证遗传信息准确传递；
- 双螺旋结构：碱基堆积力和氢键共同维持空间结构稳定。
2. 多样性
- 本质原因：不同DNA分子中 脱氧核苷酸的数目和排列顺序不同。
- 数学模型：若某DNA片段含 n个碱基对，则可能的碱基排列方式有 4ⁿ种（每个位置有4种碱基可能）。
3. 特异性
- 每个DNA分子都有 独特的碱基排列顺序，决定了遗传信息的唯一性。
- 应用：DNA指纹技术（通过特异性序列鉴定个体）。
三、DNA复制的过程
1. 基本概念
- 定义：以亲代DNA为模板，合成子代DNA的过程，确保遗传信息的传递。
- 时间：
- 真核生物：有丝分裂间期 和 减数第一次分裂前的间期（伴随染色体复制）；
- 原核生物：拟核区复制（无明显细胞周期，多为二分裂前）。
- 场所：
- 真核生物：主要在 细胞核，其次在 线粒体、叶绿体（半自主性细胞器）；
- 原核生物：拟核区 和 质粒（细胞质中环状DNA）。
2. 复制过程（边解旋边复制）
1. 解旋阶段：
- 解旋酶 催化氢键断裂，DNA双螺旋解开，形成 复制叉（需ATP供能）；
- 单链结合蛋白（SSB）结合单链DNA，防止重新配对。
2. 合成子链：
- 引物作用：先由RNA聚合酶合成短链RNA引物（提供3'-OH末端），DNA聚合酶仅能从引物的3'端延伸子链；
- 方向限制：DNA聚合酶只能催化核苷酸从 5'→3'方向 连接，因此两条模板链合成方式不同：
- 前导链（连续合成）：沿解旋方向直接合成，5'→3'连续延伸；
- 滞后链（不连续合成）：分段合成短片段（冈崎片段，约100-2000个核苷酸），再由 DNA连接酶 连接成完整链。
3. 形成子代DNA：
- 每个子代DNA含一条亲代链（旧链）和一条新合成链（新链），即 半保留复制。
3. 复制条件与特点
条件 具体内容
模板 亲代DNA的两条单链（解旋后的母链）。
原料 四种游离的脱氧核苷酸（dNTP，即dATP、dTTP、dGTP、dCTP，含高能磷酸键）。
酶 解旋酶（解旋）、DNA聚合酶（催化子链合成）、DNA连接酶（连接冈崎片段）、引物酶（合成RNA引物）。
能量 ATP（供能解旋、酶促反应等）。
引物 自然复制中为RNA引物，PCR技术中常用人工合成的DNA引物（耐高温）。
- 核心原则：
- 半保留复制：保证子代DNA保留亲代一半遗传信息，是遗传稳定性的基础；
- 碱基互补配对：确保复制精确性（误差率约10⁻⁹，依赖DNA聚合酶的校对功能）。
- 高效机制：
- 多起点复制：真核生物DNA含多个复制原点，同时启动复制（如人类DNA有3万个复制起点）；
- 双向复制：从复制原点向两侧同时延伸，缩短复制时间；
- 半不连续复制：适应DNA聚合酶的方向性限制，协调前导链与滞后链的合成。
4. 生物学意义
- 遗传信息传递：将亲代DNA的遗传信息准确传递给子代，保持亲子代间的连续性；
- 细胞分裂基础：为有丝分裂和减数分裂提供遗传物质，确保子细胞遗传物质完整。
四、核心概念对比（补充拓展）
概念 定义/特点
半保留复制 子代DNA含一条亲代链和一条新链，由梅塞尔森-斯塔尔实验（¹⁵N同位素标记）证实。
冈崎片段 滞后链上合成的不连续DNA短片段，需DNA连接酶拼接，因日本科学家冈崎令治发现得名。
端粒复制 线性DNA末端（端粒）因引物切除无法完全复制，需 端粒酶（含RNA模板）延长，与细胞衰老相关。
总结
DNA的双螺旋结构为复制提供了精确模板，碱基互补配对原则保证了复制的准确性，而半保留复制和多起点双向复制机制则兼顾了遗传稳定性与效率。这些特性共同构成了生命遗传信息传递的分子基础，也是现代分子生物学技术（如PCR、基因克隆）的核心原理。
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