遺傳分子必須能夠攜帶製造新細胞的指令，並具有被複制的能力，每次複製時都完全相同，並且可以複製很多很多次。

DNA & RNA 結構

DNA（脫氧核糖核酸）和 RNA（核糖核酸）都是大分子。它們也是多核苷酸 - 由許多類似的稱為核苷酸的分子組成的聚合物。DNA 和 RNA 都可以簡單地稱為核酸。核苷酸透過縮合反應連線在一起。

核苷酸

核苷酸是有機化合物，由三個連線的結構組成：一個含氮鹼基、一個戊糖和一個磷酸基。DNA 僅包含四種核苷酸 - 腺嘌呤、胸腺嘧啶、鳥嘌呤和胞嘧啶。RNA 包含相同的四種，除了胸腺嘧啶被尿嘧啶取代。連線的糖是核糖或脫氧核糖，唯一的區別是脫氧核糖在其分子中少了一個氧原子。鹼基有兩種型別 - 嘌呤和嘧啶 - 你只需要知道腺嘌呤和鳥嘌呤是嘌呤鹼基，以及嘌呤鹼基更大即可。

多核苷酸

為了形成 DNA 和 RNA，這些核苷酸中的許多以多核苷酸鏈的形式連線在一起。這種多核苷酸鏈的結構見下圖：[1]。如你所見，它由交替的糖和磷酸鹽形成，含氮鹼基向側面突出。DNA 分子只是兩個這樣的鏈並排排列，以相反的方向執行，由氫鍵連線在一起。

在 DNA 分子中，兩個嘌呤鏈之間的空間不足以彼此相對，因此兩條鏈中只有一條可以是嘌呤鹼基。然而，這不是問題，因為鹼基是配對的 - **互補鹼基配對** - 腺嘌呤總是與胸腺嘧啶配對，胞嘧啶總是與鳥嘌呤配對（A-T，C-G，在 RNA 中，是 A-U，因為胸腺嘧啶不出現）。DNA 分子形成 3D 螺旋形狀，由氫鍵連線，而 RNA 保持單鏈多核苷酸形式。

右邊的圖相當複雜，但你只需要注意到鹼基之間的氫鍵、糖磷酸骨架和互補鹼基配對 - 對於 A-Level，不需要特定的結構。

DNA 複製

為了使 DNA 可行，它必須能夠被完美地複製很多次 - DNA 發現者沃森和克里克建議，DNA 的兩條多核苷酸鏈可以分開，新的核苷酸（正確的、互補的核苷酸）可以沿著每條鏈排列，形成新的 DNA 分子。然後，DNA 分子可以重新纏繞成雙螺旋。這個過程被稱為半保留複製，因為原分子的一半在每個新分子中都得到了保留。

實驗證據

氮是 DNA 的主要成分，有兩種不同的同位素 - 14N 和 15N。14N 是迄今為止最豐富的氮同位素，但含有較重 15N 同位素的 DNA 也能起作用。

由梅塞爾森和斯坦在 1958 年進行的實驗如下；

大腸桿菌，一種無害的細菌，生活在人體消化道中，在含有 15N 的培養基中生長了幾代。由此產生的細胞的 DNA 密度更高（它們更重）。之後，將僅在 DNA 中含有 15N 的大腸桿菌細胞放回 14N 培養基中，並允許一些細胞僅分裂一次，一些分裂兩次、三次或更多次。然後從每組細胞中提取 DNA，並將其放入氯化銫溶液中，然後在離心機中旋轉。DNA 越重，它最終停留的位置就越接近試管底部。僅在 15N 中生長的 DNA 停留在最靠近底部的位置，而那些在 14N 中分裂一次的組的 DNA 停留在純 14N 和純 15N 之間 - 一箇中間組，表明該 DNA 的氮有一半是 14N，一半是 15N。

DNA/RNA 合成

本節討論 DNA、RNA 和蛋白質的合成方式。

DNA 控制

所有細胞活動都是化學反應，所有化學反應都由酶控制 - 那麼什麼控制酶呢？DNA。DNA 為蛋白質編碼，控制製造哪些蛋白質以及製造多少蛋白質。蛋白質由氨基酸鏈組成，蛋白質的結構和功能取決於這些氨基酸的確切序列 - DNA 透過決定氨基酸連線在一起的確切順序來控制這種蛋白質結構。

三聯密碼

氨基酸序列由 DNA 分子中核苷酸序列編碼 - 三個鹼基形成一個三聯密碼。每個三聯密碼編碼一個氨基酸（例如，T-T-T，胸腺嘧啶-胸腺嘧啶-胸腺嘧啶代表氨基酸賴氨酸），並且總是以相同的方向讀取。

基因

基因是 DNA 分子的一部分，它僅編碼一個多肽，僅在人類中，估計有 140,000 個基因。基因組是單個細胞中的全部資訊，即該生物體的基因組。

蛋白質合成

轉移 RNA（tRNA，下圖）是細胞質中的遊離分子 - 在圖中標記為 'a' 的位置是反密碼子，三個未配對的鹼基，因此每個 tRNA 都會與特定的氨基酸結合。這些氨基酸也存在於細胞質中，並在酶的控制下在圖中 β 點處結合。

過程

1. 在細胞核內，DNA 雙螺旋解開以暴露一個含氮鹼基序列。

2. 轉錄 - 將該鏈的副本製成信使核糖核酸（mRNA），在轉錄後，該鏈透過核膜中的一個孔從細胞核中移出，進入細胞的主體，在那裡發生蛋白質合成。

3. mRNA 與核糖體的小亞基結合。轉移 RNA（tRNA）將遊離氨基酸帶到核糖體。

4. tRNA 上的反密碼子識別 mRNA 鏈上的密碼子（從細胞核中的 DNA 鏈複製而來），核糖體將氨基酸新增到正在生長的多肽鏈中，將其從 tRNA 中切斷。這個過程被稱為翻譯。

5. 隨著多肽鏈的生長，它會摺疊形成蛋白質。

參見圖片：[2]

基因工程

自1950年我們首次確定蛋白質合成和半保留複製以來，我們已經發展到可以改變和插入細胞DNA的水平。工業生產胰島素就是一個很好的例子。

胰島素

糖尿病最常見的原因是患者的胰腺無法產生胰島素，I型糖尿病患者（胰島素依賴型糖尿病）需要定期注射胰島素才能生存。這種胰島素以前來自動物的胰腺，例如牛或豬 - 這種方法昂貴，風險更大，因為胰島素不是人胰島素，而且人們有倫理上的反對。因此必須做些什麼 - 科學來拯救。胰島素基因被提取出來，插入細菌載體中，複製並提取，詳情如下。

胰島素基因

為了使用胰島素基因（一個相對較小的基因），它首先必須被分離 - 而且無法直接進行，所以提取了攜帶胰島素編碼的mRNA。然後將這種mRNA鏈與一種叫做逆轉錄酶的酶一起孵育 - 一種逆轉轉錄的酶，從RNA製造DNA，製造兩條鏈，創造一個編碼胰島素的DNA雙螺旋基因。為了使這些胰島素基因能夠粘附到其他DNA上，它們被賦予了粘性末端 - 在多核苷酸鏈的每一端有一小段鳥嘌呤。

載體

為了讓大腸桿菌複製胰島素基因，因為它來自人類，必須使用載體，在這種情況下，載體被稱為質粒。質粒是存在於原核細胞中的環狀DNA，可以將人類DNA新增到其中。質粒透過用酶溶解其細胞壁，然後離心分離從細菌中提取 - 將較小的質粒留在頂部。這些質粒被提取出來，用限制性內切酶切割並新增粘性末端 - 這次是胞嘧啶末端，以便可以使用一種叫做DNA連線酶的酶將DNA鏈的鳥嘌呤末端連線起來。產物被稱為重組DNA。

細菌

然後將質粒與大腸桿菌混合 - 並非所有細菌都能攝取質粒，而那些沒有攝取質粒的細菌會被抗生素殺死。那些攝取質粒的細菌也獲得了抗生素抗性，因此只有那些帶有質粒的細菌才能存活下來。這些基因修飾的細菌被大規模培養，分泌胰島素，胰島素被提取和純化，然後可以被糖尿病患者使用。

其他基因工程

基因工程還有許多其他用途 - 我們已經學會將基因插入任何生物體，我們甚至在基因治療領域取得了成功 - 用好的基因替換有缺陷的基因，這可以用來治療遺傳性疾病。

然而，患有血友病的人們從一種叫做人凝血因子VIII的蛋白質中獲得了巨大的幫助，這種蛋白質由幾家公司透過基因修飾的倉鼠細胞生產。血友病是一種血液無法凝固的疾病，這種蛋白質使血液凝固 - 這些患者確實需要定期注射人凝血因子VIII。它被認為比來自捐獻血液的重組DNA更好，因為後者存在感染風險。