生物化学/DNA 和 RNA
脱氧核糖核酸 (DNA) 和 核糖核酸 (RNA) 是信息存储分子和蛋白质构建的工作模板。每个活细胞和病毒都使用 DNA 或 RNA 编码其遗传信息。令人惊叹的是，人类所需的庞大信息量可以容纳在细胞内。
弗里德里希·米歇尔于 1869 年首次从用过的外科绷带中分离出 DNA 和 RNA。奥斯瓦尔德·埃弗里、柯林·麦克劳德和麦克林·麦卡锡在 1944 年进行的一系列实验确定 DNA 为遗传信息。他们将有毒的荚膜细菌注射到小鼠体内。结果，小鼠死亡。相反，无毒的无荚膜细菌没有杀死小鼠。同样，加热有毒的荚膜细菌并注射也不能杀死小鼠。令人惊讶的是，将加热杀死的有毒荚膜细菌与无毒的无荚膜细菌混合起来竟然杀死了小鼠。埃弗里小组不断分离因素，直到他们发现杀死小鼠的东西，即 DNA。总之，非致病性细菌通过来自致病性菌株的 DNA 转移而变得致病。A.D. 赫尔希和玛莎·蔡斯在 1952 年的工作再次证实 DNA 是遗传信息的载体。赫尔希和蔡斯小组进行了一项涉及两种噬菌体的实验。其中一种噬菌体用放射性重磷标记以突出显示 DNA，用重硫标记以突出显示蛋白质。这两种噬菌体将它们的“遗传物质”插入细菌细胞。之后，这些细胞被“混合”以去除噬菌体头部。结果发现放射性标记的重磷在细胞中。这个实验表明，只有 DNA 就足以制造新的病毒，因此被定义为遗传信息。罗莎琳德·富兰克林、查伽夫和其他化学家提供了导致发现 DNA 的信息。富兰克林提供了暗示螺旋结构的晶体学数据。查伽夫法则指出腺嘌呤含量等于胸腺嘧啶含量，胞嘧啶含量等于鸟嘌呤含量。此外，富电子嘌呤和嘧啶环的芳香性允许酮式和烯醇式之间的互变异构体转变。酮式互变异构体 (内酰胺) 在生理 pH 值下占主导地位。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克收集了所有这些信息，于 1953 年发现了 DNA 的结构（双螺旋）。
DNA 是核苷酸的聚合物。核苷酸由戊糖（DNA 为 2-脱氧核糖，RNA 为核糖）、磷酸基团 () 和含氮碱基组成。有五种含氮碱基——腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶。单个核苷酸通过磷酸二酯键连接形成多核苷酸。
DNA 存在为两 (2) 条多核苷酸链的双螺旋。根据互补原理，A (腺嘌呤) 碱基通过氢键与另一条链上的 T (胸腺嘧啶) 或 U (RNA 中的尿嘧啶) 结合，类似地，C (胞嘧啶) 与 G (鸟嘌呤) 结合。该原理允许 DNA 和 RNA 复制，并在其中一条链损坏时修复遗传信息，从而提供有限的可能性。
DNA 是永久的遗传信息存储介质，存在于大多数生物体大多数细胞的细胞核中。RNA 在真核生物的情况下，是将遗传信息从细胞核转移到细胞质的介质，在那里合成蛋白质。DNA 分子和 RNA 分子之间最基本的结构差异在于 DNA 在其 2' 碳处缺乏羟基，而 RNA 在其 2' 碳处具有羟基。
有三种主要的 RNA 类型
- 信使 RNA (mRNA) - 暂时产生的 RNA，用于将信息从细胞核中的 DNA 转移到细胞质中的核糖体，在那里它被“读取”或翻译，并且合成蛋白质。每个基因在细胞需要特定蛋白质时产生一个单独的 mRNA 分子。此外，mRNA 的大小取决于该特定基因中的核苷酸数量。
- 转移 RNA (tRNA) - 是 RNA 分子中最小的，它与核糖体相关联，并将氨基酸传递到正在生长的蛋白质上。只有 tRNA 可以将遗传信息翻译成蛋白质的氨基酸。
每个 tRNA 都包含一个“反密码子”，它是一系列 3 个碱基，与 mRNA 上的 3 个碱基互补。
- 核糖体 RNA (rRNA) - 核糖体的主要成分，具有结构和催化特性。
此外，到 2005 年，已经表征了其他类型的 RNA，例如 siRNA（小干扰 RNA）和 miRNA。
DNA 结构通常是双链分子，具有长的核苷酸链，而 RNA 是单链分子“在大多数生物学作用中”，并且具有更短的核苷酸链。DNA 中的脱氧核糖糖由于碳-氢键的存在而反应性较低。DNA 具有小的凹槽以防止酶攻击 DNA。另一方面，RNA 包含核糖糖，由于碳-羟基键的存在而反应性更高。RNA 在碱性条件下不稳定。RNA 比 DNA 具有更大的凹槽，这使得 RNA 更容易被酶攻击。DNA 由于其 B 型螺旋几何形状而具有独特的特征。DNA 受身体的完全保护，身体会破坏任何切割 DNA 的酶。相反，RNA 的螺旋几何形状是 A 型；RNA 可以被分解并重复使用。RNA 比 DNA 更耐受紫外线辐射的损伤，而 DNA 如果暴露在紫外线辐射下则会被损伤。DNA 可以在细胞核中找到，而 RNA 可以在细胞核和细胞质中找到。DNA 的碱基是 A、T、C 和 G，DNA 是具有磷酸和脱氧核糖骨架的长聚合物。相反，RNA 碱基是 A、U、C 和 G，RNA 骨架包含核糖和磷酸。DNA 在细胞中的作用是存储和传递遗传信息。RNA 的作用是将蛋白质合成所需的遗传密码从细胞核转移到核糖体，这个过程可以防止 DNA 离开细胞核，因此 DNA 保持安全。
质粒是小的环状 DNA 分子，它们与更大的细菌染色体分开复制，可以在实验室中用于操纵基因。质粒可以携带几乎任何基因，并且可以将其传递给细菌的下一代，因此质粒是“基因克隆”的关键工具，即生产携带 DNA 片段的基因的多个相同拷贝。
在 DNA 复制过程中，细胞分裂时必须产生 DNA 拷贝，以便传递遗传信息。在 DNA 复制中，原始 DNA 中的链会分离，然后每条母链通过合成互补链来制作拷贝。被称为解旋酶的酶会通过催化双螺旋蛋白质的解旋来启动复制过程。这种酶可以断裂互补碱基之间的氢键。这些单链现在作为合成新的互补链的模板。当核苷三磷酸与糖（在生长链的末端）键合时，可以提供反应所需的能量，并且会裂解两个磷酸基团。然后，模板中的 T 与 ATP 中的 A 形成氢键，而模板中的 G 与 CTP 中的 C 形成氢键。在复制完整个母体 DNA 的双螺旋之后，新的 DNA 分子将形成。新的 DNA 分子由来自母体（原始）DNA 的一条链和来自子链（新合成的链）的一条链组成。这个过程被称为“半保留复制”。
重组是指 DNA 修饰导致不同的基因表达和功能的方式。删除、插入和替换是合成新基因最有效的改变。重组技术和重组 DNA 技术使修改和创建用于特定目的的新基因成为可能。这些技术有助于克隆、扩增和将新的 DNA 导入合适的细胞进行复制。限制性内切酶和 DNA 连接酶在重组 DNA 的生产中起着至关重要的作用。载体对克隆很有用。用于将 DNA 序列导入细胞的质粒或病毒 DNA（λ噬菌体）被称为载体。
半保留假说由马修·梅塞尔森和弗兰克林·斯塔尔在 1958 年证实。母体 DNA 用“重氮”标记，即十五的放射性同位素。这种放射性氮是通过在含有氯化铵（也含有“重氮”）的环境中培养大肠杆菌而制成的。在母体 DNA 链用“重氮”标记后，将其转移到只含有普通氮（十四的同位素）的培养基中。提出的问题是“经过连续几轮复制后，DNA 分子中两种氮的分布情况如何？”使用密度梯度平衡沉降，这个问题得到了解答。在这种离心过程中，相似密度的物质在试管中聚集在一起。然后，用紫外光照射以确定溶液中所有不同类型 DNA 的密度带。经过一代，显示出一个独特的单一密度带。它既不是重氮的带也不是普通氮的带，而是在两者之间。这证明了 DNA 不是保守的，而是半保留的，因为存在这种氮杂交体。再经过一代，出现了两个氮-14 分子和两个杂交氮分子。第二代的概率和统计数据再次证实了半保留假说。
由于 DNA 链可以结合形成分子，因此也可以融化，导致分离或变性。重要的是要注意，熔化过程中的热量不会破坏 DNA 结构，而是 DNA 解旋酶从热量中获取能量，使 DNA 链分离。变性过程在大约 94 华氏度发生，双链转化为单链。进行吸光度读数以再次确认变性过程。当 DNA 分子处于双链形式时，它吸收的紫外光较少。在单链形式下，它吸收的紫外光较多，因为单链比双链对应物更暴露。这被称为减色效应。在 PCR（聚合酶链反应）中，它在第一步利用了这种变性能力。然后，在 50 到 60 华氏度进行退火。在这一步中，引物与其相应的侧翼 DNA 碱基序列结合。在最后一步，DNA 聚合需要一些成分：耐热 DNA 聚合酶、镁离子、缓冲液和相应的核苷酸。DNA 聚合酶需要耐热性，因为整个过程都会经历持续的温度变化。镁稳定磷酸骨架。缓冲液可防止 pH 值发生剧烈变化，因为如果 pH 值接近尺度上的极端值，它可能会使 DNA 发生如此剧烈的变性，以至于它不会重新结合。DNA 聚合的最后一步发生在“熔点”处。熔点是指一半 DNA 为单链而另一半为双链的温度。在这个 72 华氏度的最佳温度下，DNA 会在其相应的引物下进行扩增，并以指数速度复制。
什么是内切酶？--内切酶是可以识别双螺旋 DNA 中特定碱基序列并在特定位置切割该双链的两种链的酶。许多原核生物都含有限制性酶。从生物学角度来看，它们可以切割外源 DNA 分子。因为自身限制性酶识别的位点是甲基化的，所以细胞自身的 DNA 不会被切割。内切酶的一个显著特性是它们通过“二元对称”识别 DNA 切割位点。换句话说，在切割位点域（通常是 4 到 8 个碱基对）内存在一个中心，围绕该中心，切割位点旋转 180 度，整个切割位点将无法区分。以下图形显示了内切酶如何通过对称性识别切割位点的示例。用几种不同的内切酶切割后，DNA 样品会被切割成许多不同的双链片段，然后通过电泳分离。然后将限制性片段变性以形成单链 DNA，然后将其转移到硝酸纤维素膜上，在那里它们暴露于 32P 标记的单链 DNA 探针中。然后，单链 DNA 通过放射性互补链杂交。然后通过放射自显影检查这些双链，这揭示了 DNA 的序列。这种技术被称为 Southern 杂交，以发明这种技术的 Edwin South 命名。下图显示了创建 Southern 杂交的步骤。
DNA 亚基是 dGMP、dAMP、dCMP 和 dTMP。在 DNA 分子中，这些亚基以其 5' 碳上的磷酸与另一个亚基的 3' 碳上的羟基键合的方式连接在一起。如果 3' 碳上没有羟基，那么 DNA 聚合将终止。利用这个想法，发明了亚基类似物，ddGMP、ddAMP、ddCMP 和 ddTMP。这些类似物与母体分子具有相同的结构，只是它们在 3' 碳上具有氢而不是羟基。在实践中，将目标 DNA 模板放入四种聚合环境中，分别为 dNTP+ddGMP 或 ddAMP 或 ddCMP 或 ddTMP。统计上，分别会在碱基 G、A、C、T 处终止的不同长度的片段形成。然后，通过电泳分离这些片段，这将告知目标 DNA 的序列。
虽然自然界从 5' 碳合成 DNA 到 3' 碳，但人类从 3' 碳合成 DNA 到 5' 碳。以下单体可商购用于每个碱基，并用作 DNA 合成的基本构建块。它从第一个碱基连接到树脂的亚基开始，通过 3' 羟基连接。第二个单体，其 5' 羟基被 DMT（保护基团）保护，在其 3' 磷酸上被活化，该磷酸通过亲核取代反应连接到 5' 羟基。然后用碘将亚磷酸酯氧化以生成磷酸酯。然后去除 DMT，使 5' 羟基可用于第三个单体的进入。以下图形表示显示了该过程。
它用于扩增 DNA。它包括三个阶段：DNA 变性、寡核苷酸退火和 DNA 聚合。在每个循环中，首先使 DNA 双链变性，然后两条链的引物（正向和反向）结合到所需的位点，最后两条链都聚合以形成所需的序列。PCR 中需要的是包含所需序列的 DNA、两条链的引物、耐热 DNA 聚合酶、dNTP 和不断变化的温度。下图显示了 PCR 中的详细步骤。
腺苷脱氨酶 (ADAR) 是一种 mRNA 编辑酶，通过调整双链 RNA 序列来进行编辑。在调整 mRNA 时，ADAR 会在它们想要改变的特定位置重新排列 mRNA 的核苷酸。由于 ADAR 可以改变 mRNA 的序列，因此它们可以创建或去除剪接位点，删除或改变密码子的意义，最终改变 RNA 的整个序列。ADAR 在编辑 mRNA 和调节 mRNA 翻译活性方面起着至关重要的作用，主要存在于神经系统中，对调节神经系统很重要。缺乏 ADAR 基因对健康非常不利。
RNA 剪接和 RNA 编辑非常相似。RNA 剪接更像是一种剪切、复制和粘贴过程，而 RNA 编辑则是对一个或多个核苷酸的改变。主要有两种类型的 ADAR 会改变单个核苷酸的序列。第一种类型的 ADAR 将胞嘧啶核苷酸重新排列为尿嘧啶核苷酸，而第二种类型的 ADAR 将腺嘌呤重新排列为肌苷。
包含许多肌苷核苷酸的 mRNA 序列在细胞核中非常丰富，只有离开细胞核的 mRNA 才能被翻译。在这种情况下，ADAR 正在调节 mRNA 的翻译活性。在调节特定 mRNA 的翻译活性时，它也在调节在编辑后的 mRNA 中表达的某些蛋白质的丰度。此外，增加肌苷可以稳定 mRNA 的结构。因此，ADAR 也能作为一种 mRNA 稳定剂。
ADAR 靶向编码序列、内含子以及 5' 和 3' 非翻译区 (UTR)。ADAR 通过改变核苷酸来靶向编码序列，进而改变蛋白质的几何形状。蛋白质几何形状的改变可能导致更高的蛋白质-蛋白质亲和力相互作用。这种高蛋白质-蛋白质亲和力可以通过促进这些反应来改善生物反应。非编码位点（如内含子、5' 和 3' UTR）的改变机制仍然未知。唯一已知的是，改变这些位点内的序列可以创建新的剪接位点。
Adar 主要存在于神经系统中，因为它在调节神经系统中起着非常重要的作用。Adar 的主要功能之一是调节神经系统。Adar 通过编辑谷氨酸受体 mRNA 来调节神经系统。这些谷氨酸受体构成了谷氨酸门控离子通道，这对神经元之间传递电信号很重要。当 ADAR 编辑 gluR mRNA 时，它们会改变这些谷氨酸通道的钙通透性。它们可以降低某些谷氨酸通道的钙通透性，也可以提高其他谷氨酸通道的钙通透性。调节钙通透性对于神经元之间的正常神经传递很重要。
腺苷脱氨酶缺乏症 (ADD) 是由于缺乏 ADAR 基因引起的。因此，ADAR 的编辑对于生存至关重要，尤其是对人类而言。没有 ADAR，人体无法分解脱氧腺苷毒素。这种毒素的积累会破坏免疫细胞，使其宿主容易受到细菌和病毒的感染。ADAR 也会导致癫痫。未编辑版本的 gluR mRNA 会强烈引起癫痫。当发生癫痫时，人体机制会提高 ADAR 活性水平以编辑 gluR mRNA，以防止未来发生癫痫。
人们提出了多种机制来解释 DNA 复制起始过程中 DNA 链的熔解和随后双螺旋的解旋过程。
最近提出的两个模型是 E1 和 LTag。这两个模型由于其整体结构不同，在实现熔解 DNA 双螺旋的相同总体目标方面发挥着不同的作用。
E1 模型：在 E1 六聚体中，蛋白质的中央通道中有六个 β 发夹。它们以阶梯状结构排列。两个相邻的 E1 三聚体在起点处组装以熔解双链 DNA。然后在熔化的单链 DNA 周围形成环状 E1 六聚体，然后 DNA 通过环六聚体被泵入，形成一个叉，允许 DNA 复制。
Ltag：这些六聚体的通道直径在 13-17 埃之间。负责熔解的六聚体在狭窄的通道中有一系列平面 β 发夹。两个这样的六聚体围绕双链 DNA 的起点并挤压该区域。这通过迫使碱基配对断裂来导致 dsDNA 的熔解。然后将两条单链 DNA 链泵入更大的通道，最后通过两个独立的 Zn 域泵出。这允许 DNA 复制。
这里的两种机制完全基于参与该过程的蛋白质的结构知识，因此需要更多的实验支持来证实。
解旋酶的数量并不多。目前，人们正在努力区分更简单的解旋酶，并试图找到它们可能具有的不同机制。虽然有一些相似之处，例如解旋酶似乎都具有六聚体结构，但它们在结构上也存在差异，这极大地导致了它们机制的差异。
- 本文提到了 2010 年 9 月 24 日发表在 Curr Opin Struct Biol 上的一篇最近发表的文章：“DNA 复制中的起点 DNA 熔解和解旋”作者：Gai 等。