DNA

DNA，即脱氧核糖核酸，是细胞生物的主要遗传物质。它将生物信息储存在其化学组成单元的排列顺序中，并通过生殖和细胞分裂传递这些信息。DNA中的特定区域，包括基因，提供合成功能性RNA分子和蛋白质的指令。DNA通常由两条互补链组成，呈双螺旋结构；两条链之间的互补配对使每条链都能作为复制另一条链的模板。(genome.gov)

化学结构

DNA属于一类称为核酸的生物大分子。它是由核苷酸组成的长链，每个核苷酸都含有一个脱氧核糖、一个磷酸基团和一个含氮碱基。四种主要碱基分别是腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶，通常缩写为A、T、G和C。磷酸二酯键通过磷酸基团连接相邻的糖，形成糖—磷酸骨架。与信使RNA不同，DNA含有的是脱氧核糖而非核糖，而且通常使用胸腺嘧啶而不是尿嘧啶。(ncbi.nlm.nih.gov)

两条链的走向相反，称为反向平行：一条链从5′端延伸至3′端，另一条链则沿相反方向延伸。在标准的互补配对中，A与T配对，G与C配对。配对碱基之间的氢键与堆叠碱基之间的相互作用共同维持螺旋结构的稳定。糖—磷酸骨架位于螺旋外侧，碱基则朝向内侧。这种排列形成了大沟和小沟，蛋白质可通过这些沟槽识别DNA并与之相互作用。(ncbi.nlm.nih.gov)

细胞内的组织形式

DNA组织成染色体。在真核生物中，大部分DNA位于细胞核内，并与蛋白质结合形成染色质。DNA缠绕在组蛋白复合物上，形成核小体，使长链分子得以包装在狭小的空间中。这种包装是动态的，也影响特定DNA区域能否被复制或参与基因活动。细胞分裂期间，染色体会变得尤为凝缩。(genome.gov)

DNA也存在于细胞核之外。线粒体含有自身的遗传物质，植物和藻类中的叶绿体也是如此。大多数细菌具有一条或少数几条环状染色体，而不是真核生物所特有的多条线性核染色体。一个生物体的全套遗传物质称为其基因组。不同生物的基因组大小和染色体数目差异很大，两者都不能直接衡量生物的复杂程度。(ncbi.nlm.nih.gov)

遗传信息与表达

DNA所携带的信息主要取决于碱基的排列顺序，而非重复的骨架结构。在转录（生物学）过程中，RNA聚合酶以一条DNA链为模板，合成与之互补的RNA分子。对于蛋白质编码基因，产生的信使RNA将信息传递至核糖体。在翻译（生物学）过程中，遗传密码将连续的三碱基单元（称为密码子）与氨基酸或终止蛋白质合成的信号对应起来。(genome.gov)

并非所有DNA都编码蛋白质。有些基因产生具有功能的非编码RNA，另一些序列则参与调控或染色体的组织。因此，基因表达并不只取决于蛋白质编码序列，还涉及调控性DNA、与之相互作用的蛋白质以及细胞内的条件。不同类型的细胞可以利用基本相同的基因组中的不同部分。DNA甲基化等化学修饰能够在不改变碱基序列的情况下改变DNA的利用方式，这些修饰构成了表观遗传学所研究机制的一部分。(genome.gov)

复制、损伤与变异

细胞分裂之前，其DNA通常必须通过DNA复制进行拷贝。DNA复制是半保留复制：产生的每个双链分子都含有一条亲代链和一条新合成的链。酶将两条链分开，DNA聚合酶通过添加互补的核苷酸来延长新链。合成沿5′至3′方向进行。由于模板链反向平行，一条新链在复制叉处连续合成，另一条则由多个短片段合成后再连接而成。(ncbi.nlm.nih.gov)

DNA的化学性质足够稳定，能够保存信息，但它并非不会受到损伤。辐射、反应活性较高的化学物质以及自发的化学变化都可能改变碱基或使DNA链断裂。聚合酶的校对功能和DNA修复系统能够纠正许多错误和损伤。序列中持续存在的改变称为突变。突变可能产生有害、有益或微乎其微的影响，具体取决于其发生位置和生物学背景。可遗传的序列变化为进化过程提供了变异；仅发生于某些体细胞中的变化则不一定传递给后代。(ncbi.nlm.nih.gov)

发现历程与实验意义

1869年，弗里德里希·米歇尔首次分离出一种物质，并将其称为“核素”。1944年，奥斯瓦尔德·艾弗里、科林·麦克劳德和麦克林·麦卡蒂确定，DNA是引起细菌转化的物质。1952年，阿尔弗雷德·赫尔希和玛莎·蔡斯通过噬菌体实验，为DNA的遗传作用提供了进一步证据。1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克依据化学证据及X射线衍射研究，包括罗莎琳德·富兰克林和莫里斯·威尔金斯的工作，提出了双螺旋模型。这一结构提示了通过互补复制实现准确遗传的机制。(nlm.nih.gov)

DNA既是研究对象，也是实验材料。DNA测序能够确定碱基的排列顺序，使研究人员得以定位基因、研究调控区域并比较基因组。聚合酶链式反应可扩增选定的DNA片段以供分析。测序和扩增技术使人们能够在从单个区域到整个基因组的不同尺度上研究遗传信息，为生物发育、变异以及生物之间亲缘关系的研究提供支持。(genome.gov)