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DNA（脫氧核糖核酸）雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的概述
最近更新時(shí)間：2016-8-24
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DNA(Deoxyribonucleic acid)即脫氧核糖核酸，是組成基因的材料，也是染色體的主要組成成分之一。發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)是科學(xué)史劃時(shí)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)法正如小朋友拼圖游戲一樣的“拼湊”法。通過氫鍵形成的堿基對(duì)和基對(duì)之間的相互作用力保證了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)是相對(duì)穩(wěn)定的。
DNA結(jié)構(gòu) — 概述
DNA由兩個(gè)鏈狀分子(多聚核苷酸)圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，形成了典型的雙螺旋結(jié)構(gòu)。細(xì)胞通過把四種核苷酸連接在一起形成多聚核苷酸鏈。用來構(gòu)建DNA鏈的核苷酸有腺嘌呤(A)，鳥嘌呤(G)的胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。DNA儲(chǔ)存用來制造細(xì)胞使用的多肽的信息。DNA鏈上核苷酸的順序(稱為基因)說明了多肽鏈上的氨基酸的序列。
顯然DNA的四種核苷酸和用于合成多肽的二十種氨基酸不能存在一對(duì)一的關(guān)系。因此，細(xì)胞用三組核苷酸(稱為‘密碼子')來20種不同的氨基酸。每一個(gè)密碼子一個(gè)氨基酸。
由于某些密碼子是多余的，一個(gè)特定的多肽鏈的氨基酸序列可以由幾個(gè)不同的核苷酸序列來確定。事實(shí)上，研究已證實(shí)，細(xì)胞并不隨意使用多余的密碼子來多肽鏈中的某一特定的氨基酸。相反，似乎在基因密碼子的使用背后有一個(gè)微妙的原因。
DNA的結(jié)構(gòu) — 精細(xì)調(diào)整和優(yōu)化
高度重復(fù)的核苷酸序列缺乏穩(wěn)定性而且易于發(fā)生變異。然而，加利福尼亞大學(xué)一項(xiàng)生物基因組不同的基因密碼子的研究表明，基因中的密碼子事實(shí)上是設(shè)計(jì)好的，目的是為了避免導(dǎo)致不穩(wěn)定序列的重復(fù)!進(jìn)一步的研究顯示，基因密碼子的使用也是為了使核糖體合成的蛋白質(zhì)的準(zhǔn)確性zui大化。
此外，基于功能的強(qiáng)化，核苷酸的組成成分似乎也經(jīng)過精心挑選。構(gòu)成DNA鏈的核苷酸有復(fù)雜的分子，它由一個(gè)磷酸基團(tuán)和加入五碳糖(脫氧核糖)的一個(gè)堿基(腺嘌呤，鳥嘌呤，胞嘧啶和胸腺嘧啶)組成的復(fù)雜分子。在核糖核酸中，五碳糖核糖取代了脫氧核糖。
一個(gè)核苷酸的磷酸基團(tuán)與另一個(gè)單位的脫氧核糖相連形成DNA鏈的主鏈。當(dāng)兩條鏈排列纏繞形成經(jīng)典的雙螺旋結(jié)構(gòu)時(shí)，堿基是中間的‘梯子橫檔'。
科學(xué)家們?cè)缇椭溃罅康奶呛驮S多其他堿基可以成為細(xì)胞的信息存儲(chǔ)介質(zhì)(DNA)的一部分。 但為什么DNA和RNA的核苷酸亞基由特定的成分組成?磷酸鹽可形成同時(shí)具有兩個(gè)糖的鍵(稱為磷酸二酯鍵)，連接兩個(gè)核苷酸，同時(shí)保留一個(gè)負(fù)電荷。這使得這個(gè)化學(xué)組合*適合形成穩(wěn)定的DNA分子的主鏈。其他化合物可以在兩個(gè)糖中間形成鍵，但不能保留一個(gè)負(fù)電荷。磷酸基團(tuán)的負(fù)電荷賦予DNA主鏈穩(wěn)定性，從而保護(hù)它不受水分子反應(yīng)的裂解。此外，磷酸二酯鍵的性質(zhì)也是經(jīng)過精心調(diào)整的。例如，連接RNA核糖的磷酸二酯裝置可能需要一個(gè)相鄰核糖分子 2’ OH 或 3’ OH羥基的核糖分子的 5’ OH羥基。核糖核酸*利用了5'到3'端的連結(jié)。事實(shí)證明，5'到3'端的連結(jié)比5'到2'賦予RNA分子更大的穩(wěn)定性。
為什么脫氧核糖和核糖分別是DNA和RNA主鏈的組成成分?兩者都是形成五元環(huán)的五碳糖。使用多種不同的含有四個(gè)，五個(gè)，六個(gè)碳的，能形成五和六元環(huán)的糖來制造DNA類似物是有可能的。但是這些DNA變種與DNA和RNA相比，具有不良性質(zhì)。例如，一些DNA類似物不形成雙螺旋。那些形成雙螺旋的，核苷酸鏈纏繞得不是太緊，就是太松，或者顯示出結(jié)合中不適當(dāng)?shù)倪x擇性。此外，從形成六元環(huán)的糖生成的DNA類似物，形成六元環(huán)繼承了太多的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。在這種情況下，它使得細(xì)胞正確執(zhí)行DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄變得異常困難。其他研究表明，只有脫氧核糖在DNA雙螺旋主鏈區(qū)域提供必要的空間來容納大型核酸堿基。沒有其他的糖滿足這一要求。
DNA結(jié)構(gòu) — 結(jié)論
DNA的分子成分似乎已經(jīng)優(yōu)化了化學(xué)性質(zhì)，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的螺旋狀結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)細(xì)胞活動(dòng)所需的信息。目前還沒有詳細(xì)的解釋來說明這樣一個(gè)為細(xì)胞存儲(chǔ)zui重要信息的途徑的優(yōu)化結(jié)構(gòu)是如何自然產(chǎn)生的。認(rèn)為如此意義深遠(yuǎn)的優(yōu)化的形成純屬偶然是很多人不愿意接受的信仰的一個(gè)大的飛躍。
模型建構(gòu)法“拼湊”中表現(xiàn)zui出色的是沃森和克里克，1952年4月15日，沃森和克里克關(guān)于該DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的*篇論文在《自然》(Nature)雜志上發(fā)表。