DNA的结构和组成

核酸的显著特性，使这些物质成为遗传信息的载体，已经引起了许多研究者的注意。生物化学家的先驱们发现核酸是长链状分子，为其奠定了基础脊椎由重复的序列组成磷酸而且糖联系,核糖糖核糖核酸而且脱氧核糖DNA中的糖。在主链的糖链上有两种含氮分子基地：嘌呤年代和嘧啶s.嘌呤是腺嘌呤(一)和鸟嘌呤(G)在DNA和RNA中;嘧啶是胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)在DNA和胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)在RNA中。每个糖上都有一个嘌呤或嘧啶，整个磷酸-糖-基亚基被称为核苷酸．所提取的核酸不同物种动物和植物的四种核苷酸的比例不同。一些相对丰富的腺嘌呤和胸腺嘧啶，而另一些有更多的鸟嘌呤和胞嘧啶。然而，它是生物化学家发现的Erwin Chargaff认为A的量总是等于T, G的量总是等于C。

20世纪50年代初，随着DNA作为遗传的化学基础被普遍接受，许多科学家将注意力转向确定氮基是如何组合在一起组成线状的分子．DNA的结构是由美国遗传学家确定的詹姆斯沃森英国生物物理学家弗朗西斯·克里克在1953年。沃森和克里克的模型主要基于英国物理学家的研究罗莎琳德富兰克林而且莫里斯·威尔金斯，他分析了x射线衍射显示DNA是双螺旋结构。查加夫的发现向沃森和克里克表明，腺嘌呤以某种方式与胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤与胞嘧啶配对。

利用这些信息，沃森和克里克提出了他们现在著名的模型，该模型显示DNA是由两个分子组成的双螺旋结构交织在一起核苷酸链，其中一条链上的腺嘌呤与另一条链上的胸腺嘧啶相连，一条链上的鸟嘌呤与另一条链上的胞嘧啶相连。这个结构就像一个被扭曲成螺旋形的梯子:梯子的两边由糖和糖组成磷酸基团，梯级由成对的含氮碱基组成。通过制作结构的导线模型，很明显，只有这样模型才能符合分子的要求维A总是与T配对，G总是与C配对;事实上，a - t和G-C配对显示出令人满意的锁-钥匙匹配。尽管DNA中的大部分键都很牢固共价键， A-T键和G-C键是弱氢键。然而，沿着分子中心的多个氢键提供了足够的稳定性，使两条链结合在一起。

沃森和克里克的双螺旋结构的两条线是反平行的;也就是说，核苷酸以相反的方向排列。如果把核苷酸的L型想象成一只袜子，就可以看到这一点:袜子的脖子是氮基，脚趾是磷酸基，脚跟是糖基。核苷酸链就像一串袜子，从脚跟连接到脚趾，脖子指向DNA分子的中心。在一条链中糖-磷酸盐的排列骨干会是脚趾-脚跟-脚趾-脚跟等等，而在另一股在同一方向上的排列是脚跟-脚趾-脚跟-脚趾。化学上，它的后跟是3 ' -羟基末端，脚趾是5 ' -磷酸末端。(这些名称来源于形成糖-磷酸键的碳原子。)因此，一条DNA链从5 '→3 '(5 '到3 ')，而另一条DNA链从3 '→5 '。

沃森和克里克指出，他们提出的DNA结构满足遗传分子的两个必要特征。首先，遗传分子必须能够复制，这样信息才能传递给下一代;因此，沃森和克里克假设，如果双螺旋的两部分可以分开，它们就可以发挥作用模板为了合成两个相同的双螺旋。其次，遗传分子必须包含信息来指导发展完整的:完整的有机体的;因此，沃森和克里克推测核苷酸序列可能代表这类编码信息。随后的研究表明，他们对这两点的推测都是正确的。

DNA复制

沃森-克里克DNA结构模型提出了至少三种DNA自我复制的方式。的实验马修Meselson而且富兰克林·斯特尔关于细菌大肠杆菌1958年的研究表明，DNA的复制是半服务的。Meselson和Stahl培养了细菌细胞¹⁵N，的重同位素氮，使细胞的DNA包含¹⁵N.然后将这些细胞转移到含有正常氮同位素的介质中，¹⁴N，允许通过细胞分裂．研究人员能够证明，在子细胞的DNA分子中，只有一条链包含¹⁵N，和另一条包含的链¹⁴N.这正是半保留复制模式所期望的，在这种模式下，原始DNA分子应该分离成两个模板链包含¹⁵N，新排列的核苷酸应该都包含¹⁴N。

新合成链中自由核苷酸的钩在5 '→3 '方向上一次发生一个核苷酸。一个进入的自由核苷酸与模板链上的互补核苷酸配对，然后自由核苷酸的5 '端与已经就位的核苷酸的3 '端共价连接。然后重复这个过程。其结果是一个核苷酸链，化学上称为核苷酸聚合物或者多核苷酸。当然，聚合物不是随机的聚合物;它的核苷酸序列已经被模板链的核苷酸序列所引导。正是这个模板过程实现了遗传信息要精确地复制并代代相传。以一种非常真实的方式，人类的DNA已经从数亿年前进化的第一批脊椎动物的直系后裔中复制出来。

DNA复制开始于DNA上一个叫做复制的起源。在高等生物中，复制开始于多个复制起点，并沿着DNA从每个起点向外的两个方向移动，形成两个复制“分叉”。两个复制叉上的事件是相同的。然而，为了让DNA复制，双螺旋的两条链首先必须彼此解开。一类酶被称为DNA拓扑异构酶通过切断DNA链，然后重新封闭切口来去除螺旋扭曲。酶被称为解旋酶然后分离双螺旋的两条链，露出两个模板表面，以便自由核苷酸的排列。从复制的起点开始，一种叫做DNA聚合酶沿着DNA分子移动，使每个模板链上的核苷酸与自由互补的核苷酸配对。由于DNA链的反平行性质，每个模板上的新链合成是不同的。在3 '→5 '模板链上，聚合沿5 '→3 '方向进行，这条生长链称为前导链。然而，5 '→3 '模板链上的聚合必须以不同的方式进行，因为核苷酸不能在3 '→5 '方向上组装。在这里，短序列的RNA在模板上聚合。这些序列的作用引物DNA聚合酶可以在5 '→3 '方向上添加核苷酸，但在滞后链上进行合成的相反方向上。DNA聚合酶因此使被称为冈崎片段的DNA短片段朝着“错误的”方向。因此，在5 '→3 '模板链上合成的链称为滞后链。随后，去除RNA引物，连接冈崎片段。这种RNA引物系统不能用于合成3 '→5 '链的末端;一旦最后一个RNA引物被移除，合成就不能在剩余的间隙继续进行。为了克服这一障碍，端粒酶将一个核苷酸序列的多个副本添加到DNA链的末端，以完成复制。尽管滞后链上发生了特殊的事件，整个DNA链最终还是聚合了，因此产生的两个子DNA分子是完全相同的。