2.2 核酸：遗传信息的编码与传递

2.2 核酸：遗传信息的编码与传递

本节摘要：核酸是储存和传递遗传信息的生物大分子，分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。DNA以双螺旋结构存储细胞的全部遗传信息，RNA则参与信息的读取、传递和执行。遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的流动构成了中心法则，这是细胞生物学最基本的原理之一。

两米长的 DNA 如何装进微米级的细胞核

人类的每个细胞核里装着约31亿个碱基对。把这么多DNA拉直，总长接近两米；而细胞核的直径只有约5微米。这个悬殊的比例说明一件事：遗传信息的储存不只是"序列怎么写"的问题，还有"空间怎么放"的问题。理解了压缩包装，你才能真正明白染色质、染色体和基因表达调控为什么长成今天的样子——包装不是被动地"塞进去"，而是主动参与基因的开与关。

学习目标

阅读完本节，你应当能够：

1. 画出DNA双螺旋的结构特征，标注碱基配对规则
2. 列举DNA和RNA在糖基、碱基和结构上的至少四个差异
3. 描述中心法则中转录和翻译的基本过程
4. 解释为什么DNA适合做遗传信息的长期储存分子

DNA：双螺旋里的信息编码

1953年，Watson和Crick提出了DNA的双螺旋模型——这是分子生物学史上最重要的一刻。这个模型基于两个关键实验数据：Chargaff发现的碱基比例规律（A=T，G=C）和Franklin拍摄的X射线衍射照片。

DNA分子由两条反向平行的多核苷酸链组成。每条链的骨架是交替的脱氧核糖和磷酸基团，四种含氮碱基（腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G、胞嘧啶C）从骨架上伸出。两条链通过碱基之间的氢键配对：A与T配对（两个氢键），G与C配对（三个氢键）。因为碱基配对有严格的对应关系，知道一条链的序列就能推断另一条——这叫做互补性。

两条链围绕同一个轴缠绕成右手螺旋，直径约2纳米，每圈螺旋约10个碱基对，相邻碱基对的间距为0.34纳米。

DNA为什么适合做遗传信息的储存分子？几个关键原因：

• 双链结构提供了冗余——如果一条链受损，互补链可以作为修复的模板
• 碱基配对保证了复制的忠实性——子链的序列完全由母链决定
• GC含量越高，双链越稳定——因为G-C对有三个氢键而A-T对只有两个
• 磷酸-糖骨架在化学上非常稳定——在正常生理条件下DNA不容易降解

人类基因组包含约31亿个碱基对。如果把这些DNA分子拉直，一个细胞核中的DNA总长约2米——而细胞核的直径只有约5微米。所以DNA必须被高度压缩包装：DNA缠绕在组蛋白上形成核小体，核小体进一步折叠成染色质纤维，最终形成在细胞分裂时可以看到的染色体。

RNA：多面手分子

RNA在化学结构上与DNA有三个关键差异：

RNA那个多出来的2'-OH基团不是小事。它使RNA在化学上比DNA活泼得多——更容易被水解。这意味着RNA不适合做长期的信息储存载体（DNA更适合），但更适合做短期功能分子。

细胞内有多种不同功能的RNA：

• 信使RNA（mRNA）——携带从DNA转录来的遗传信息，作为蛋白质合成的模板
• 转运RNA（tRNA）——在翻译过程中把正确的氨基酸运送到核糖体
• 核糖体RNA（rRNA）——核糖体的结构骨架和催化核心（核酶活性）
• 小核RNA（snRNA）——参与mRNA前体的剪接
• 微小RNA（miRNA）——调控基因表达，通过与mRNA结合抑制翻译
• 长非编码RNA（lncRNA）——多种调控功能，目前仍在研究中

中心法则说信息流向是DNA→RNA→蛋白质。但后来的发现让这个单向箭头变得更复杂：逆转录病毒（如HIV）可以用RNA做模板合成DNA（逆转录）；RNA病毒可以直接用RNA做遗传物质；有些RNA甚至具有催化功能（核酶）。所以中心法则更像一个有分支的网络，而不是一条直线。

图：中心法则的信息流向

碱基序列如何编码蛋白质

遗传信息的编码规则叫遗传密码。每三个相邻的核苷酸构成一个密码子，对应一个特定的氨基酸或终止信号。因为RNA有4种碱基，三个一组共有64种可能的密码子——其中61种编码氨基酸，3种是终止信号（UAA、UAG、UGA）。

密码子表是"冗余"的——多数氨基酸由不止一种密码子编码。比如亮氨酸有六种密码子，但色氨酸只有一种。这种冗余性不是浪费：它提供了一种缓冲机制——如果DNA突变改变了第三个碱基，编码的氨基酸可能不发生变化（同义突变），从而降低突变的有害效应。

核酸研究中的经典方法

要从分子层面研究核酸，科学家常用几种互补的技术：

• 凝胶电泳：DNA和RNA带负电荷，在电场中按分子大小迁移，小片段跑得快。结合染色（如溴化乙锭或SYBR染料）可以判断片段长度和纯度。
• Southern杂交：把电泳分离的DNA转移到膜上，用标记探针检测特定序列的存在，用于基因鉴定。
• 聚合酶链式反应（PCR）：在体外指数级扩增特定DNA片段，是后续测序、克隆和检测的基础。
• DNA测序：确定碱基的精确顺序。现代高通量测序一次可以读取数十亿碱基，让"读懂基因组"成为常规操作。

这些方法将在第12章详细展开。这里提前提到它们，是为了让你意识到：我们关于DNA结构、复制和表达的知识，几乎全部来自对核酸进行"看得见、分得开、测得准"的分子操作。学习本节时，把结构特征与这些检测手段对照起来，会更容易记住。

一个常见误区是以为"核酸=DNA"。实际上RNA同样是核酸，而且种类和功能远比DNA多样。判断一种分子是不是核酸，看它是否由核苷酸通过磷酸二酯键连接即可——不需要它一定是双链。

要点回顾

• DNA是双螺旋结构，碱基配对规则A-T和G-C，通过互补性保证复制忠实性
• RNA比DNA多一个2'-OH基团，化学上更活泼，适合做功能分子而非储存分子
• 中心法则：DNA→RNA→蛋白质，但逆转录和RNA复制使信息流向更复杂
• 遗传密码由三联体组成，64种密码子编码20种氨基酸+3个终止信号
• 密码子的冗余性（简并性）降低了突变对蛋白质序列的影响

图：DNA双螺旋结构示意