遗传分子必须能够携带制造新细胞的指令，并具有被复制的能力，每次复制时都完全相同，并且可以复制很多很多次。

DNA & RNA 结构

DNA（脱氧核糖核酸）和 RNA（核糖核酸）都是大分子。它们也是多核苷酸 - 由许多类似的称为核苷酸的分子组成的聚合物。DNA 和 RNA 都可以简单地称为核酸。核苷酸通过缩合反应连接在一起。

核苷酸

核苷酸是有机化合物，由三个连接的结构组成：一个含氮碱基、一个戊糖和一个磷酸基。DNA 仅包含四种核苷酸 - 腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶。RNA 包含相同的四种，除了胸腺嘧啶被尿嘧啶取代。连接的糖是核糖或脱氧核糖，唯一的区别是脱氧核糖在其分子中少了一个氧原子。碱基有两种类型 - 嘌呤和嘧啶 - 你只需要知道腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤碱基，以及嘌呤碱基更大即可。

多核苷酸

为了形成 DNA 和 RNA，这些核苷酸中的许多以多核苷酸链的形式连接在一起。这种多核苷酸链的结构见下图：[1]。如你所见，它由交替的糖和磷酸盐形成，含氮碱基向侧面突出。DNA 分子只是两个这样的链并排排列，以相反的方向运行，由氢键连接在一起。

在 DNA 分子中，两个嘌呤链之间的空间不足以彼此相对，因此两条链中只有一条可以是嘌呤碱基。然而，这不是问题，因为碱基是配对的 - **互补碱基配对** - 腺嘌呤总是与胸腺嘧啶配对，胞嘧啶总是与鸟嘌呤配对（A-T，C-G，在 RNA 中，是 A-U，因为胸腺嘧啶不出现）。DNA 分子形成 3D 螺旋形状，由氢键连接，而 RNA 保持单链多核苷酸形式。

右边的图相当复杂，但你只需要注意到碱基之间的氢键、糖磷酸骨架和互补碱基配对 - 对于 A-Level，不需要特定的结构。

DNA 复制

为了使 DNA 可行，它必须能够被完美地复制很多次 - DNA 发现者沃森和克里克建议，DNA 的两条多核苷酸链可以分开，新的核苷酸（正确的、互补的核苷酸）可以沿着每条链排列，形成新的 DNA 分子。然后，DNA 分子可以重新缠绕成双螺旋。这个过程被称为半保留复制，因为原分子的一半在每个新分子中都得到了保留。

实验证据

氮是 DNA 的主要成分，有两种不同的同位素 - 14N 和 15N。14N 是迄今为止最丰富的氮同位素，但含有较重 15N 同位素的 DNA 也能起作用。

由梅塞尔森和斯坦在 1958 年进行的实验如下；

大肠杆菌，一种无害的细菌，生活在人体消化道中，在含有 15N 的培养基中生长了几代。由此产生的细胞的 DNA 密度更高（它们更重）。之后，将仅在 DNA 中含有 15N 的大肠杆菌细胞放回 14N 培养基中，并允许一些细胞仅分裂一次，一些分裂两次、三次或更多次。然后从每组细胞中提取 DNA，并将其放入氯化铯溶液中，然后在离心机中旋转。DNA 越重，它最终停留的位置就越接近试管底部。仅在 15N 中生长的 DNA 停留在最靠近底部的位置，而那些在 14N 中分裂一次的组的 DNA 停留在纯 14N 和纯 15N 之间 - 一个中间组，表明该 DNA 的氮有一半是 14N，一半是 15N。

DNA/RNA 合成

本节讨论 DNA、RNA 和蛋白质的合成方式。

DNA 控制

所有细胞活动都是化学反应，所有化学反应都由酶控制 - 那么什么控制酶呢？DNA。DNA 为蛋白质编码，控制制造哪些蛋白质以及制造多少蛋白质。蛋白质由氨基酸链组成，蛋白质的结构和功能取决于这些氨基酸的确切序列 - DNA 通过决定氨基酸连接在一起的确切顺序来控制这种蛋白质结构。

三联密码

氨基酸序列由 DNA 分子中核苷酸序列编码 - 三个碱基形成一个三联密码。每个三联密码编码一个氨基酸（例如，T-T-T，胸腺嘧啶-胸腺嘧啶-胸腺嘧啶代表氨基酸赖氨酸），并且总是以相同的方向读取。

基因

基因是 DNA 分子的一部分，它仅编码一个多肽，仅在人类中，估计有 140,000 个基因。基因组是单个细胞中的全部信息，即该生物体的基因组。

蛋白质合成

转移 RNA（tRNA，下图）是细胞质中的游离分子 - 在图中标记为 'a' 的位置是反密码子，三个未配对的碱基，因此每个 tRNA 都会与特定的氨基酸结合。这些氨基酸也存在于细胞质中，并在酶的控制下在图中 β 点处结合。

过程

1. 在细胞核内，DNA 双螺旋解开以暴露一个含氮碱基序列。

2. 转录 - 将该链的副本制成信使核糖核酸（mRNA），在转录后，该链通过核膜中的一个孔从细胞核中移出，进入细胞的主体，在那里发生蛋白质合成。

3. mRNA 与核糖体的小亚基结合。转移 RNA（tRNA）将游离氨基酸带到核糖体。

4. tRNA 上的反密码子识别 mRNA 链上的密码子（从细胞核中的 DNA 链复制而来），核糖体将氨基酸添加到正在生长的多肽链中，将其从 tRNA 中切断。这个过程被称为翻译。

5. 随着多肽链的生长，它会折叠形成蛋白质。

参见图片：[2]

基因工程

自1950年我们首次确定蛋白质合成和半保留复制以来，我们已经发展到可以改变和插入细胞DNA的水平。工业生产胰岛素就是一个很好的例子。

胰岛素

糖尿病最常见的原因是患者的胰腺无法产生胰岛素，I型糖尿病患者（胰岛素依赖型糖尿病）需要定期注射胰岛素才能生存。这种胰岛素以前来自动物的胰腺，例如牛或猪 - 这种方法昂贵，风险更大，因为胰岛素不是人胰岛素，而且人们有伦理上的反对。因此必须做些什么 - 科学来拯救。胰岛素基因被提取出来，插入细菌载体中，复制并提取，详情如下。

胰岛素基因

为了使用胰岛素基因（一个相对较小的基因），它首先必须被分离 - 而且无法直接进行，所以提取了携带胰岛素编码的mRNA。然后将这种mRNA链与一种叫做逆转录酶的酶一起孵育 - 一种逆转转录的酶，从RNA制造DNA，制造两条链，创造一个编码胰岛素的DNA双螺旋基因。为了使这些胰岛素基因能够粘附到其他DNA上，它们被赋予了粘性末端 - 在多核苷酸链的每一端有一小段鸟嘌呤。

载体

为了让大肠杆菌复制胰岛素基因，因为它来自人类，必须使用载体，在这种情况下，载体被称为质粒。质粒是存在于原核细胞中的环状DNA，可以将人类DNA添加到其中。质粒通过用酶溶解其细胞壁，然后离心分离从细菌中提取 - 将较小的质粒留在顶部。这些质粒被提取出来，用限制性内切酶切割并添加粘性末端 - 这次是胞嘧啶末端，以便可以使用一种叫做DNA连接酶的酶将DNA链的鸟嘌呤末端连接起来。产物被称为重组DNA。

细菌

然后将质粒与大肠杆菌混合 - 并非所有细菌都能摄取质粒，而那些没有摄取质粒的细菌会被抗生素杀死。那些摄取质粒的细菌也获得了抗生素抗性，因此只有那些带有质粒的细菌才能存活下来。这些基因修饰的细菌被大规模培养，分泌胰岛素，胰岛素被提取和纯化，然后可以被糖尿病患者使用。

其他基因工程

基因工程还有许多其他用途 - 我们已经学会将基因插入任何生物体，我们甚至在基因治疗领域取得了成功 - 用好的基因替换有缺陷的基因，这可以用来治疗遗传性疾病。

然而，患有血友病的人们从一种叫做人凝血因子VIII的蛋白质中获得了巨大的帮助，这种蛋白质由几家公司通过基因修饰的仓鼠细胞生产。血友病是一种血液无法凝固的疾病，这种蛋白质使血液凝固 - 这些患者确实需要定期注射人凝血因子VIII。它被认为比来自捐献血液的重组DNA更好，因为后者存在感染风险。