生物化學/DNA 和 RNA
脫氧核糖核酸 (DNA) 和 核糖核酸 (RNA) 是資訊儲存分子和蛋白質構建的工作模板。每個活細胞和病毒都使用 DNA 或 RNA 編碼其遺傳資訊。令人驚歎的是，人類所需的龐大資訊量可以容納在細胞內。
弗里德里希·米歇爾於 1869 年首次從用過的外科繃帶中分離出 DNA 和 RNA。奧斯瓦爾德·埃弗裡、柯林·麥克勞德和麥克林·麥卡錫在 1944 年進行的一系列實驗確定 DNA 為遺傳資訊。他們將有毒的莢膜細菌注射到小鼠體內。結果，小鼠死亡。相反，無毒的無莢膜細菌沒有殺死小鼠。同樣，加熱有毒的莢膜細菌並注射也不能殺死小鼠。令人驚訝的是，將加熱殺死的有毒莢膜細菌與無毒的無莢膜細菌混合起來竟然殺死了小鼠。埃弗裡小組不斷分離因素，直到他們發現殺死小鼠的東西，即 DNA。總之，非致病性細菌透過來自致病性菌株的 DNA 轉移而變得致病。A.D. 赫爾希和瑪莎·蔡斯在 1952 年的工作再次證實 DNA 是遺傳資訊的載體。赫爾希和蔡斯小組進行了一項涉及兩種噬菌體的實驗。其中一種噬菌體用放射性重磷標記以突出顯示 DNA，用重硫標記以突出顯示蛋白質。這兩種噬菌體將它們的“遺傳物質”插入細菌細胞。之後，這些細胞被“混合”以去除噬菌體頭部。結果發現放射性標記的重磷在細胞中。這個實驗表明，只有 DNA 就足以製造新的病毒，因此被定義為遺傳資訊。羅莎琳德·富蘭克林、查伽夫和其他化學家提供了導致發現 DNA 的資訊。富蘭克林提供了暗示螺旋結構的晶體學資料。查伽夫法則指出腺嘌呤含量等於胸腺嘧啶含量，胞嘧啶含量等於鳥嘌呤含量。此外，富電子嘌呤和嘧啶環的芳香性允許酮式和烯醇式之間的互變異構體轉變。酮式互變異構體 (內醯胺) 在生理 pH 值下占主導地位。詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克收集了所有這些資訊，於 1953 年發現了 DNA 的結構（雙螺旋）。
DNA 是核苷酸的聚合物。核苷酸由戊糖（DNA 為 2-脫氧核糖，RNA 為核糖）、磷酸基團 () 和含氮鹼基組成。有五種含氮鹼基——腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和尿嘧啶。單個核苷酸透過磷酸二酯鍵連線形成多核苷酸。
DNA 存在為兩 (2) 條多核苷酸鏈的雙螺旋。根據互補原理，A (腺嘌呤) 鹼基透過氫鍵與另一條鏈上的 T (胸腺嘧啶) 或 U (RNA 中的尿嘧啶) 結合，類似地，C (胞嘧啶) 與 G (鳥嘌呤) 結合。該原理允許 DNA 和 RNA 複製，並在其中一條鏈損壞時修復遺傳資訊，從而提供有限的可能性。
DNA 是永久的遺傳資訊儲存介質，存在於大多數生物體大多數細胞的細胞核中。RNA 在真核生物的情況下，是將遺傳資訊從細胞核轉移到細胞質的介質，在那裡合成蛋白質。DNA 分子和 RNA 分子之間最基本的結構差異在於 DNA 在其 2' 碳處缺乏羥基，而 RNA 在其 2' 碳處具有羥基。
有三種主要的 RNA 型別
- 信使 RNA (mRNA) - 暫時產生的 RNA，用於將資訊從細胞核中的 DNA 轉移到細胞質中的核糖體，在那裡它被“讀取”或翻譯，並且合成蛋白質。每個基因在細胞需要特定蛋白質時產生一個單獨的 mRNA 分子。此外，mRNA 的大小取決於該特定基因中的核苷酸數量。
- 轉移 RNA (tRNA) - 是 RNA 分子中最小的，它與核糖體相關聯，並將氨基酸傳遞到正在生長的蛋白質上。只有 tRNA 可以將遺傳資訊翻譯成蛋白質的氨基酸。
每個 tRNA 都包含一個“反密碼子”，它是一系列 3 個鹼基，與 mRNA 上的 3 個鹼基互補。
- 核糖體 RNA (rRNA) - 核糖體的主要成分，具有結構和催化特性。
此外，到 2005 年，已經表徵了其他型別的 RNA，例如 siRNA（小干擾 RNA）和 miRNA。
DNA 結構通常是雙鏈分子，具有長的核苷酸鏈，而 RNA 是單鏈分子“在大多數生物學作用中”，並且具有更短的核苷酸鏈。DNA 中的脫氧核糖糖由於碳-氫鍵的存在而反應性較低。DNA 具有小的凹槽以防止酶攻擊 DNA。另一方面，RNA 包含核糖糖，由於碳-羥基鍵的存在而反應性更高。RNA 在鹼性條件下不穩定。RNA 比 DNA 具有更大的凹槽，這使得 RNA 更容易被酶攻擊。DNA 由於其 B 型螺旋幾何形狀而具有獨特的特徵。DNA 受身體的完全保護，身體會破壞任何切割 DNA 的酶。相反，RNA 的螺旋幾何形狀是 A 型；RNA 可以被分解並重復使用。RNA 比 DNA 更耐受紫外線輻射的損傷，而 DNA 如果暴露在紫外線輻射下則會被損傷。DNA 可以在細胞核中找到，而 RNA 可以在細胞核和細胞質中找到。DNA 的鹼基是 A、T、C 和 G，DNA 是具有磷酸和脫氧核糖骨架的長聚合物。相反，RNA 鹼基是 A、U、C 和 G，RNA 骨架包含核糖和磷酸。DNA 在細胞中的作用是儲存和傳遞遺傳資訊。RNA 的作用是將蛋白質合成所需的遺傳密碼從細胞核轉移到核糖體，這個過程可以防止 DNA 離開細胞核，因此 DNA 保持安全。
質粒是小的環狀 DNA 分子，它們與更大的細菌染色體分開復制，可以在實驗室中用於操縱基因。質粒可以攜帶幾乎任何基因，並且可以將其傳遞給細菌的下一代，因此質粒是“基因克隆”的關鍵工具，即生產攜帶 DNA 片段的基因的多個相同複製。
在 DNA 複製過程中，細胞分裂時必須產生 DNA 複製，以便傳遞遺傳資訊。在 DNA 複製中，原始 DNA 中的鏈會分離，然後每條母鏈透過合成互補鏈來製作複製。被稱為解旋酶的酶會透過催化雙螺旋蛋白質的解旋來啟動複製過程。這種酶可以斷裂互補鹼基之間的氫鍵。這些單鏈現在作為合成新的互補鏈的模板。當核苷三磷酸與糖（在生長鏈的末端）鍵合時，可以提供反應所需的能量，並且會裂解兩個磷酸基團。然後，模板中的 T 與 ATP 中的 A 形成氫鍵，而模板中的 G 與 CTP 中的 C 形成氫鍵。在複製完整個母體 DNA 的雙螺旋之後，新的 DNA 分子將形成。新的 DNA 分子由來自母體（原始）DNA 的一條鏈和來自子鏈（新合成的鏈）的一條鏈組成。這個過程被稱為“半保留複製”。
重組是指 DNA 修飾導致不同的基因表達和功能的方式。刪除、插入和替換是合成新基因最有效的改變。重組技術和重組 DNA 技術使修改和建立用於特定目的的新基因成為可能。這些技術有助於克隆、擴增和將新的 DNA 匯入合適的細胞進行復制。限制性內切酶和 DNA 連線酶在重組 DNA 的生產中起著至關重要的作用。載體對克隆很有用。用於將 DNA 序列匯入細胞的質粒或病毒 DNA（λ噬菌體）被稱為載體。
半保留假說由馬修·梅塞爾森和弗蘭克林·斯塔爾在 1958 年證實。母體 DNA 用“重氮”標記，即十五的放射性同位素。這種放射性氮是透過在含有氯化銨（也含有“重氮”）的環境中培養大腸桿菌而製成的。在母體 DNA 鏈用“重氮”標記後，將其轉移到只含有普通氮（十四的同位素）的培養基中。提出的問題是“經過連續幾輪複製後，DNA 分子中兩種氮的分佈情況如何？”使用密度梯度平衡沉降，這個問題得到了解答。在這種離心過程中，相似密度的物質在試管中聚集在一起。然後，用紫外光照射以確定溶液中所有不同型別 DNA 的密度帶。經過一代，顯示出一個獨特的單一密度帶。它既不是重氮的帶也不是普通氮的帶，而是在兩者之間。這證明了 DNA 不是保守的，而是半保留的，因為存在這種氮雜交體。再經過一代，出現了兩個氮-14 分子和兩個雜交氮分子。第二代的機率和統計資料再次證實了半保留假說。
由於 DNA 鏈可以結合形成分子，因此也可以融化，導致分離或變性。重要的是要注意，熔化過程中的熱量不會破壞 DNA 結構，而是 DNA 解旋酶從熱量中獲取能量，使 DNA 鏈分離。變性過程在大約 94 華氏度發生，雙鏈轉化為單鏈。進行吸光度讀數以再次確認變性過程。當 DNA 分子處於雙鏈形式時，它吸收的紫外光較少。在單鏈形式下，它吸收的紫外光較多，因為單鏈比雙鏈對應物更暴露。這被稱為減色效應。在 PCR（聚合酶鏈反應）中，它在第一步利用了這種變效能力。然後，在 50 到 60 華氏度進行退火。在這一步中，引物與其相應的側翼 DNA 鹼基序列結合。在最後一步，DNA 聚合需要一些成分：耐熱 DNA 聚合酶、鎂離子、緩衝液和相應的核苷酸。DNA 聚合酶需要耐熱性，因為整個過程都會經歷持續的溫度變化。鎂穩定磷酸骨架。緩衝液可防止 pH 值發生劇烈變化，因為如果 pH 值接近尺度上的極端值，它可能會使 DNA 發生如此劇烈的變性，以至於它不會重新結合。DNA 聚合的最後一步發生在“熔點”處。熔點是指一半 DNA 為單鏈而另一半為雙鏈的溫度。在這個 72 華氏度的最佳溫度下，DNA 會在其相應的引物下進行擴增，並以指數速度複製。
什麼是內切酶？--內切酶是可以識別雙螺旋 DNA 中特定鹼基序列並在特定位置切割該雙鏈的兩種鏈的酶。許多原核生物都含有限制性酶。從生物學角度來看，它們可以切割外源 DNA 分子。因為自身限制性酶識別的位點是甲基化的，所以細胞自身的 DNA 不會被切割。內切酶的一個顯著特性是它們透過“二元對稱”識別 DNA 切割位點。換句話說，在切割位點域（通常是 4 到 8 個鹼基對）記憶體在一箇中心，圍繞該中心，切割位點旋轉 180 度，整個切割位點將無法區分。以下圖形顯示了內切酶如何透過對稱性識別切割位點的示例。用幾種不同的內切酶切割後，DNA 樣品會被切割成許多不同的雙鏈片段，然後透過電泳分離。然後將限制性片段變性以形成單鏈 DNA，然後將其轉移到硝酸纖維素膜上，在那裡它們暴露於 32P 標記的單鏈 DNA 探針中。然後，單鏈 DNA 透過放射性互補鏈雜交。然後透過放射自顯影檢查這些雙鏈，這揭示了 DNA 的序列。這種技術被稱為 Southern 雜交，以發明這種技術的 Edwin South 命名。下圖顯示了建立 Southern 雜交的步驟。
DNA 亞基是 dGMP、dAMP、dCMP 和 dTMP。在 DNA 分子中，這些亞基以其 5' 碳上的磷酸與另一個亞基的 3' 碳上的羥基鍵合的方式連線在一起。如果 3' 碳上沒有羥基，那麼 DNA 聚合將終止。利用這個想法，發明了亞基類似物，ddGMP、ddAMP、ddCMP 和 ddTMP。這些類似物與母體分子具有相同的結構，只是它們在 3' 碳上具有氫而不是羥基。在實踐中，將目標 DNA 模板放入四種聚合環境中，分別為 dNTP+ddGMP 或 ddAMP 或 ddCMP 或 ddTMP。統計上，分別會在鹼基 G、A、C、T 處終止的不同長度的片段形成。然後，透過電泳分離這些片段，這將告知目標 DNA 的序列。
雖然自然界從 5' 碳合成 DNA 到 3' 碳，但人類從 3' 碳合成 DNA 到 5' 碳。以下單體可商購用於每個鹼基，並用作 DNA 合成的基本構建塊。它從第一個鹼基連線到樹脂的亞基開始，透過 3' 羥基連線。第二個單體，其 5' 羥基被 DMT（保護基團）保護，在其 3' 磷酸上被活化，該磷酸透過親核取代反應連線到 5' 羥基。然後用碘將亞磷酸酯氧化以生成磷酸酯。然後去除 DMT，使 5' 羥基可用於第三個單體的進入。以下圖形表示顯示了該過程。
它用於擴增 DNA。它包括三個階段：DNA 變性、寡核苷酸退火和 DNA 聚合。在每個迴圈中，首先使 DNA 雙鏈變性，然後兩條鏈的引物（正向和反向）結合到所需的位點，最後兩條鏈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、兩條鏈的引物、耐熱 DNA 聚合酶、dNTP 和不斷變化的溫度。下圖顯示了 PCR 中的詳細步驟。
腺苷脫氨酶 (ADAR) 是一種 mRNA 編輯酶，透過調整雙鏈 RNA 序列來進行編輯。在調整 mRNA 時，ADAR 會在它們想要改變的特定位置重新排列 mRNA 的核苷酸。由於 ADAR 可以改變 mRNA 的序列，因此它們可以建立或去除剪接位點，刪除或改變密碼子的意義，最終改變 RNA 的整個序列。ADAR 在編輯 mRNA 和調節 mRNA 翻譯活性方面起著至關重要的作用，主要存在於神經系統中，對調節神經系統很重要。缺乏 ADAR 基因對健康非常不利。
RNA 剪接和 RNA 編輯非常相似。RNA 剪接更像是一種剪下、複製和貼上過程，而 RNA 編輯則是對一個或多個核苷酸的改變。主要有兩種型別的 ADAR 會改變單個核苷酸的序列。第一種型別的 ADAR 將胞嘧啶核苷酸重新排列為尿嘧啶核苷酸，而第二種型別的 ADAR 將腺嘌呤重新排列為肌苷。
包含許多肌苷核苷酸的 mRNA 序列在細胞核中非常豐富，只有離開細胞核的 mRNA 才能被翻譯。在這種情況下，ADAR 正在調節 mRNA 的翻譯活性。在調節特定 mRNA 的翻譯活性時，它也在調節在編輯後的 mRNA 中表達的某些蛋白質的丰度。此外，增加肌苷可以穩定 mRNA 的結構。因此，ADAR 也能作為一種 mRNA 穩定劑。
ADAR 靶向編碼序列、內含子以及 5' 和 3' 非翻譯區 (UTR)。ADAR 透過改變核苷酸來靶向編碼序列，進而改變蛋白質的幾何形狀。蛋白質幾何形狀的改變可能導致更高的蛋白質-蛋白質親和力相互作用。這種高蛋白質-蛋白質親和力可以透過促進這些反應來改善生物反應。非編碼位點（如內含子、5' 和 3' UTR）的改變機制仍然未知。唯一已知的是，改變這些位點內的序列可以建立新的剪接位點。
Adar 主要存在於神經系統中，因為它在調節神經系統中起著非常重要的作用。Adar 的主要功能之一是調節神經系統。Adar 透過編輯穀氨酸受體 mRNA 來調節神經系統。這些穀氨酸受體構成了穀氨酸門控離子通道，這對神經元之間傳遞電訊號很重要。當 ADAR 編輯 gluR mRNA 時，它們會改變這些穀氨酸通道的鈣通透性。它們可以降低某些穀氨酸通道的鈣通透性，也可以提高其他穀氨酸通道的鈣通透性。調節鈣通透性對於神經元之間的正常神經傳遞很重要。
腺苷脫氨酶缺乏症 (ADD) 是由於缺乏 ADAR 基因引起的。因此，ADAR 的編輯對於生存至關重要，尤其是對人類而言。沒有 ADAR，人體無法分解脫氧腺苷毒素。這種毒素的積累會破壞免疫細胞，使其宿主容易受到細菌和病毒的感染。ADAR 也會導致癲癇。未編輯版本的 gluR mRNA 會強烈引起癲癇。當發生癲癇時，人體機制會提高 ADAR 活性水平以編輯 gluR mRNA，以防止未來發生癲癇。
人們提出了多種機制來解釋 DNA 複製起始過程中 DNA 鏈的熔解和隨後雙螺旋的解旋過程。
最近提出的兩個模型是 E1 和 LTag。這兩個模型由於其整體結構不同，在實現熔解 DNA 雙螺旋的相同總體目標方面發揮著不同的作用。
E1 模型：在 E1 六聚體中，蛋白質的中央通道中有六個 β 髮夾。它們以階梯狀結構排列。兩個相鄰的 E1 三聚體在起點處組裝以熔解雙鏈 DNA。然後在熔化的單鏈 DNA 周圍形成環狀 E1 六聚體，然後 DNA 透過環六聚體被泵入，形成一個叉，允許 DNA 複製。
Ltag：這些六聚體的通道直徑在 13-17 埃之間。負責熔解的六聚體在狹窄的通道中有一系列平面 β 髮夾。兩個這樣的六聚體圍繞雙鏈 DNA 的起點並擠壓該區域。這透過迫使鹼基配對斷裂來導致 dsDNA 的熔解。然後將兩條單鏈 DNA 鏈泵入更大的通道，最後透過兩個獨立的 Zn 域泵出。這允許 DNA 複製。
這裡的兩種機制完全基於參與該過程的蛋白質的結構知識，因此需要更多的實驗支援來證實。
解旋酶的數量並不多。目前，人們正在努力區分更簡單的解旋酶，並試圖找到它們可能具有的不同機制。雖然有一些相似之處，例如解旋酶似乎都具有六聚體結構，但它們在結構上也存在差異，這極大地導致了它們機制的差異。
- 本文提到了 2010 年 9 月 24 日發表在 Curr Opin Struct Biol 上的一篇最近發表的文章：“DNA 複製中的起點 DNA 熔解和解旋”作者：Gai 等。