引入
人类基因组约有 30 亿个碱基对，如果用高通量测序技术存储，需要约 100-300 GB 空间。但在细胞核中，这些信息被压缩在直径仅约 10 微米的空间内。
DNA 如何编码遗传信息？它的结构如何保证信息的准确复制和传递？理解 DNA 的双螺旋结构，是理解遗传、复制、转录等一切分子生物学过程的起点。
正文
定义
DNA（脱氧核糖核酸，deoxyribonucleic acid）是由两条反向平行的脱氧核苷酸链盘旋形成的双螺旋结构，是生物体内主要的遗传物质。
元素组成
DNA 由五种元素组成：、、、、
基本单位：脱氧核苷酸
每个脱氧核苷酸由三部分组成：
- 脱氧核糖（五碳糖）
- 磷酸基团
- 含氮碱基（4 种）
四种碱基：
- 嘌呤碱：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）
- 嘧啶碱：胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）
核苷酸之间通过磷酸二酯键连接，形成糖-磷酸骨架。
双螺旋结构（Watson-Crick 模型）
1953 年，沃森（Watson）和克里克（Crick）基于富兰克林（Franklin）的 X 射线衍射数据提出 DNA 双螺旋模型。
结构特点：
- 两条链反向平行（一条 5’→3’，另一条 3’→5’）
- 糖-磷酸骨架在外侧，碱基在内侧
- 右手螺旋，直径约 2 nm
- 每旋转一圈 3.4 nm，包含约 10 个碱基对
- 形成大沟和小沟，便于蛋白质识别
碱基配对规则（Chargaff 规则）
互补配对原则：
- A 与 T 配对，形成 2 个氢键
- G 与 C 配对，形成 3 个氢键
配对方式：
为什么碱基对之间是 2 个或 3 个氢键？
- 结构互补性：嘌呤（双环）与嘧啶（单环）配对，保证双螺旋宽度恒定
- 氢键数量的化学基础：
- A-T：腺嘌呤和胸腺嘧啶只有 2 个位点可以形成氢键
- G-C：鸟嘌呤和胞嘧啶有 3 个位点可以形成氢键
- 稳定性平衡：G-C 含量越高，DNA 越稳定（熔解温度 越高），但过于稳定会影响解旋和复制
DNA 的层次结构
| 层次 | 结构 | 说明 |
|---|---|---|
| 一级结构 | 核苷酸序列 | 遗传信息的本质，决定基因功能 |
| 二级结构 | 双螺旋 | Watson-Crick 模型，互补配对 |
| 三级结构 | 超螺旋 | DNA 缠绕在组蛋白上形成核小体 |
| 四级结构 | 染色质/染色体 | 高度压缩，适应细胞核空间 |
DNA 的性质
稳定性：
- 双链结构提供保护，单链损伤可以用互补链为模板修复
- 氢键虽然单个较弱，但大量氢键协同作用稳定结构
变性与复性：
- 变性：高温、强酸、强碱破坏氢键，双链解开
- 复性：条件恢复后，互补链可重新配对（分子杂交的基础）
特异性：
- 碱基序列决定遗传信息的特异性
- 不同物种、不同个体的 DNA 序列不同
引出
DNA 的双螺旋结构不仅美丽，更重要的是它揭示了遗传信息如何存储和复制：互补配对保证了复制的准确性，碱基序列承载了生命的密码。
后续问题：
- DNA 如何复制？半保留复制的机制是什么？
- DNA 在细胞核中如何压缩？核小体、染色质、染色体的组装过程是怎样的？
- DNA 序列如何决定性状？从 DNA → RNA → 蛋白质的中心法则如何实现？
- 为什么真核生物的 DNA 有大量非编码区？这些区域有什么功能？
- DNA 损伤如何修复？细胞有哪些修复机制保证遗传信息的稳定性？