DNA是遗传物质
格里菲思（1928年），转化实验：把无害的活R型肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）和加热杀死的致命S型菌混合，小鼠死亡了，并且能找到活的S型细菌。死S型细胞里的某种东西把R型“转化”成了S型。
埃弗里、麦克劳德和麦卡蒂（1944年）：他们把S型提取物的成分一个一个地破坏。蛋白酶和RNA酶不能阻止转化，DNA酶可以。所以起转化作用的物质是DNA。
赫尔希和蔡斯（1952年）：他们用放射性³²P（进入DNA）或³⁵S（进入蛋白质）标记噬菌体。感染并搅拌后，细菌里有³²P而没有³⁵S。所以进入细胞并携带指令的是DNA，不是蛋白质。
好的遗传物质要具备什么？
- 能够自我复制。
- 化学结构稳定。
- 能缓慢发生变化（突变），这样生物才能进化。
- 能表达出孟德尔所说的性状。
RNA不太稳定（它的2′-OH很活泼），所以DNA更适合储存信息，RNA更适合做快速的工作。RNA很可能是最早的遗传物质（RNA世界）。
DNA和RNA的结构
核苷酸 = 含氮碱基 + 五碳糖 + 磷酸。碱基 + 糖 = 核苷。嘌呤：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）。嘧啶：胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T，只在DNA中）、尿嘧啶（U，只在RNA中）。DNA的糖是脱氧核糖，RNA的糖是核糖。
核苷酸之间通过3′–5′磷酸二酯键相连。沃森和克里克（1953年）利用罗莎琳德·富兰克林和威尔金斯的X射线照片，提出了双螺旋模型：
- 两条链反向平行（5′→3′ 和 3′→5′）。
- A=T（2个氢键），G≡C（3个氢键）。嘌呤总是对着嘧啶，所以宽度始终是2 nm。
- 右手螺旋，一圈 = 3.4 nm = 10个碱基对，相邻碱基对间距0.34 nm。
- 查加夫法则：A = T，G = C，所以 (A + G) = (C + T)。
RNA通常是单链。种类：mRNA（信使）、tRNA（转运“转换器”）、rRNA（核糖体的一部分）。
DNA的包装
DNA长度 = 碱基对数 × 0.34 nm。人的二倍体细胞：6.6 × 10⁹ bp × 0.34 × 10⁻⁹ m ≈ 2.2 m，却要装进宽约10⁻⁶ m的细胞核。
- 原核生物：没有细胞核。带负电的DNA被带正电的蛋白质固定，形成环状，位于叫拟核的区域。
- 真核生物：DNA（带负电）缠绕在组蛋白（带正电，富含赖氨酸和精氨酸）上。八个组蛋白组成一个组蛋白八聚体；约200 bp的DNA缠绕它一圈 = 一个核小体。一排核小体像“串珠”→ 染色质纤维 → 再盘绕 → 中期的染色体。非组蛋白染色体（NHC）蛋白帮助进一步包装。
常染色质：包装松散，染色浅，活跃。异染色质：包装紧密，染色深，不活跃。
DNA复制（半保留复制）
沃森和克里克预测每条链都能当模板。梅塞尔森和斯塔尔（1958年）证明了这一点：他们先让大肠杆菌在重氮¹⁵N中生长，再转到普通的¹⁴N中。第1代后所有DNA都是杂种（¹⁵N–¹⁴N）；第2代后一半是杂种，一半是轻的。泰勒用放射性胸腺嘧啶核苷在蚕豆根尖中得到了同样的结果。
复制是怎么进行的
- 解旋酶在复制起点打开螺旋，形成Y形的复制叉。
- DNA依赖的DNA聚合酶只能沿5′→3′方向添加核苷酸，使用脱氧核苷三磷酸（它既是原料，也提供能量）。
- 在一条链上，新DNA连续生长（前导链）；在另一条链上，新DNA分成短片段合成（后随链，冈崎片段）。
- DNA连接酶把这些片段连起来。
复制又快又准（大肠杆菌约18分钟复制4.6 × 10⁶ bp，大约每秒2000 bp）。在真核生物中，复制发生在S期。
中心法则
弗朗西斯·克里克提出遗传信息的流向是DNA → RNA → 蛋白质。DNA → DNA 是复制，DNA → RNA 是转录，RNA → 蛋白质 是翻译。
逆转录（RNA → DNA）发生在HIV等一些病毒中，需要逆转录酶。所以信息流有时也可以反向（中心法则的补充）。
转录
只复制一条链。被读取的是模板链（3′→5′）；另一条是编码链（5′→3′），它的序列和RNA相同，只是RNA里的U在这里是T。
一个转录单位包括启动子（在上游，RNA聚合酶结合的地方）、结构基因和终止子。
在细菌中
一种RNA聚合酶合成所有的RNA。它借助σ（西格玛）因子起始（起始阶段），合成RNA链（延伸阶段），再借助ρ（罗）因子停止（终止阶段）。因为没有细胞核，转录和翻译可以同时进行。
在真核生物中
- RNA聚合酶I → rRNA（28S、18S、5.8S）；RNA聚合酶II → hnRNA（mRNA前体）；RNA聚合酶III → tRNA、5S rRNA、snRNA。
- 基因是断裂的：外显子（被表达）和内含子（中间插入的部分）。hnRNA要经过加工：剪接去掉内含子；加帽在5′端加上甲基鸟苷三磷酸；加尾在3′端加上200–300个腺嘌呤（poly-A尾）。
遗传密码
乔治·伽莫夫这样推理：4种碱基要决定20种氨基酸。4¹ = 4 和 4² = 16 都不够；4³ = 64 就够了。所以密码是三联体。尼伦伯格、霍拉纳和奥乔亚破译了这些密码子。
- 64个密码子：61个决定氨基酸，3个是终止密码子（UAA、UAG、UGA）。
- AUG = 甲硫氨酸，同时也是起始密码子（双重作用）。
- 明确而专一：一个密码子 → 一种氨基酸。
- 简并性：许多氨基酸不止一个密码子。
- 读取时没有逗号隔开，连续阅读。
- 几乎通用：UUU 在细菌和人类中都是苯丙氨酸（线粒体中有少数例外）。
突变与密码
点突变（一个碱基改变）可能改变一个氨基酸（镰状细胞贫血）。插入或缺失1个或2个碱基会使读码框移位（移码突变）；增加或减少3个碱基只会增加或减少一个氨基酸，读码框不变。tRNA是转换器：它的反密码子环读取密码子，它的3′端（CCA）携带氨基酸。它在二维图里像三叶草，在三维里像倒过来的L。
翻译
- tRNA的装载（氨酰化）：每个氨基酸借助ATP连到各自的tRNA上。
- 起始：核糖体小亚基在AUG处与mRNA相遇；大亚基随后加入。核糖体上有两个位点容纳tRNA。
- 延伸：tRNA逐个密码子地带来氨基酸；形成肽键（23S rRNA起酶的作用，所以叫核酶）。核糖体沿5′→3′方向移动。
- 终止：遇到终止密码子时，释放因子把多肽链释放出来。
mRNA在AUG之前和终止密码子之后还有非翻译区（UTR），它们帮助翻译高效进行。
基因表达的调控：乳糖操纵子
细胞只在需要时才打开基因。在细菌中，完成同一项工作的几个基因排在一起，共用一个启动子和一个操纵基因 = 一个操纵子。雅各布和莫诺描述了大肠杆菌的乳糖操纵子：
- i基因：合成阻遏蛋白（一直在表达）。
- z基因：β-半乳糖苷酶，把乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。
- y基因：透性酶，让乳糖进入细胞。
- a基因：转乙酰酶。
没有乳糖：阻遏蛋白结合在操纵基因上，挡住RNA聚合酶 → 基因关闭。
有乳糖：乳糖（诱导物）与阻遏蛋白结合，改变它的形状，使它从操纵基因上脱落 → RNA聚合酶转录z、y、a → 酶被合成。这是可诱导操纵子的负调控。乳糖用完后，阻遏蛋白又会重新结合。
人类基因组计划和水稻基因组
人类基因组计划（HGP）从1990年进行到2003年，目标是读出人类DNA全部约3 × 10⁹ bp。方法有：表达序列标签（找出被表达的基因）和序列注释（先全部读出，再找基因）。DNA被切成片段，克隆到BAC/YAC载体中，用自动化仪器（桑格法）测序，再由计算机利用重叠部分把它们拼接起来。
主要发现
- 共约3164.7百万bp；基因平均约3000个碱基；最大的基因是抗肌萎缩蛋白基因，有240万个碱基。
- 约有30,000个基因（比原先设想的少得多）；所有人有99.9%的碱基相同。
- 不到2%的基因组编码蛋白质；很大一部分是重复序列。
- 1号染色体基因最多（2968个）；Y染色体最少（231个）。
- 约有140万个单碱基差异位点（SNP）。
已测序的其他生物包括水稻、细菌、酵母、秀丽隐杆线虫、果蝇和拟南芥。水稻基因组有助于找到与产量、抗病和抗逆有关的基因。
DNA指纹技术
所有人有99.9%的DNA是相同的，所以我们比较不同的那0.1%，主要是重复DNA。DNA在密度梯度离心中，重复序列会形成小峰，叫做卫星DNA。它们不编码蛋白质，在不同人之间差别很大（多态性）。亚历克·杰弗里斯利用VNTR（可变数目串联重复序列）发明了这种方法。
- 提取DNA（血液、毛发根部、唾液、精液）。
- 用限制酶切开。
- 用凝胶电泳分离片段。
- 转移到尼龙膜或硝酸纤维素膜上（Southern印迹）。
- 加入带标记的VNTR探针，它会粘在匹配的片段上（杂交）。
- 在X光片上检测条带（放射自显影）。
孩子的条带一半来自母亲，一半来自父亲。用途：法医案件、亲子鉴定、种群和进化研究。可以先用PCR扩增极少量的样品。
重点公式和概念
- 碱基配对：A = T（2个氢键），G ≡ C（3个氢键）
- 查加夫法则：A = T，G = C，所以 A + G = C + T（嘌呤 = 嘧啶）
- DNA长度 = bp数 × 0.34 nm
- 螺旋一圈 = 10 bp = 3.4 nm
- 密码子 = 4³ = 64（61个有义密码子 + 3个终止密码子）
- 蛋白质中的氨基酸数 = （编码碱基数 ÷ 3）− 1个终止密码子
- 梅塞尔森—斯塔尔实验，在¹⁴N中n代后：杂种比例 = 2/2ⁿ，轻链比例 = 1 − 2/2ⁿ
例题讲解
1. 某DNA样品中腺嘌呤占20%。求T、G、C各占百分之几。
第1步：A = T，所以T = 20%。第2步：A + T = 40%，所以G + C = 60%。第3步：G = C = 各30%。
2. 一个DNA分子有1000个碱基对，其中300对是A–T对。两条链之间共有多少个氢键？
第1步：G–C对 = 1000 − 300 = 700。第2步：氢键数 = 300 × 2 + 700 × 3 = 600 + 2100。答案：2700个氢键。
3. 求有5386个碱基对的DNA分子的长度（φX174噬菌体的大小）。
第1步：长度 = bp × 0.34 nm。第2步：5386 × 0.34 = 1831.24 nm。答案：约1.83 µm。
4. 写出由模板链 3′-TACGCAATG-5′ 合成的mRNA。
第1步：逐个配对碱基：T→A，A→U，C→G，G→C。第2步：mRNA为 5′-AUGCGUUAC-3′。第3步：它与编码链 5′-ATGCGTTAC-3′ 相同，只是用U代替T。
5. 某mRNA序列为 5′-AUG UUU GGC AAA UGA-3′。蛋白质有几个氨基酸，分别是什么？
第1步：读出密码子：AUG（Met）、UUU（Phe）、GGC（Gly）、AAA（Lys）、UGA（终止）。第2步：终止密码子不增加氨基酸。答案：4个氨基酸：Met–Phe–Gly–Lys。
6. 一个蛋白质有300个氨基酸。它在mRNA上的编码部分（包括终止密码子）至少有多少个碱基？
第1步：300个氨基酸密码子 + 1个终止密码子 = 301个密码子。第2步：301 × 3 = 903个碱基。
7. 只含¹⁵N DNA的大肠杆菌被转到¹⁴N培养基中。3代之后，杂种DNA分子占多少？
第1步：3代后的分子数 = 2³ = 8（由1个分子而来）。第2步：只有2个保留了一条旧的¹⁵N链 → 是杂种。第3步：2/8 = 1/4是杂种，6/8 = 3/4是轻的。
8. 在mRNA AUG CCU AAA UGA 中，第4位的一个碱基（C）被缺失。会发生什么？
第1步：新序列为 AUG CUA AAU GA…… 第2步：缺失之后密码子都变了：Met–Leu–Asn…… 第3步：这是移码突变：之后所有的氨基酸都会改变，终止密码子也可能丢失。
常见错误
- 说转录时复制的是编码链。其实被读取的是模板链；RNA的序列与编码链相同（只是用U）。
- 把终止密码子算成氨基酸。终止密码子不增加任何氨基酸。
- 以为乳糖操纵子的阻遏蛋白只在没有乳糖时才合成。i基因一直在表达；乳糖只是让阻遏蛋白失去作用。
- 把查加夫法则用在单链DNA或RNA上。A = T 和 G = C 只适用于双链。