【Bio】基础生物学 - 基因 gene

1. DNA 脱氧核糖核酸、RNA 核糖核酸

1.1 核苷酸

$\text{核苷酸 (Nucleotide)}$ 是一类由 1. 嘌呤碱或嘧啶碱、2. 核糖或脱氧核糖、以及 3. 磷酸三种物质组成的化合物。

核苷酸是核糖核酸及脱氧核糖核酸的基本组成单位。

DNA是一种长链聚合物，组成单位称为核苷酸，而糖类与磷酸借由酯键相连，组成其长链骨架。

每个糖单位都与四种碱基里的其中一种相接，这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列，可组成遗传密码，是蛋白质氨基酸序列合成的依据。

读取密码的过程称为转录，是根据DNA序列复制出一段称为RNA的核酸分子。多数RNA带有合成蛋白质的信息，另有一些本身就拥有特殊功能，例如核糖体RNA、小核RNA与小干扰RNA。

1.2 脱氧核糖核酸

$\text{脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA)}$ 又称去氧核糖核酸，是一种生物大分子，可组成遗传指令，引导生物发育与生命机能运作。

主要功能是信息储存，可比喻为“蓝图”或“配方”。其中包含的指令，是建构细胞内其他的化合物，如蛋白质与核糖核酸所需。带有蛋白质编码的DNA片段称为基因。其他的DNA序列，有些直接以本身构造发挥作用，有些则参与调控遗传信息的表现。

在细胞内，DNA能组织成染色体结构，整组染色体则统称为基因组。

染色体在细胞分裂之前会先行复制，此过程称为DNA复制。

对真核生物，如动物、植物及真菌而言，染色体是存放于细胞核内；对于原核生物而言，如细菌，则是存放在细胞质中的拟核里。染色体上的染色质蛋白，如组蛋白 (histone)，能够将DNA组织并压缩，以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用，进而调节基因的转录。

由于氢键比共价键更容易断裂，这使双股脱氧核糖核酸可能会因为机械力或高温作用，而有如拉链一般地解开，这种现象被称为DNA变性。

组成脱氧核糖核酸的碱基，分别是腺嘌呤（adenine，缩写A）、胞嘧啶（cytosine，C）、鸟嘌呤（guanine，G）与胸腺嘧啶（thymine，T）

1.3 核糖核酸

$\text{核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)}$，是一类由核糖核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键聚合而成的线性大分子。

自然界中的RNA通常是单链的，且RNA中最基本的四种碱基为腺嘌呤 (A)、尿嘧啶 (U)、鸟嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)，相对的，与RNA同为核酸的DNA通常是双链分子，且其含有的含氮碱基中将RNA的尿嘧啶 (U) 替换为胸腺嘧啶 (T)。

RNA有着多种多样的功能，可在遗传编码、翻译、调控、基因表达等过程中发挥作用。按RNA的功能，可将RNA分为多种类型。比如，在细胞生物中，mRNA（传讯RNA）为遗传讯息的传递者，它能够指导蛋白质的合成。因为mRNA有编码蛋白质的能力，它又被称为编码RNA。而其他没有编码蛋白质能力的RNA则被称为非编码RNA（ncRNA）。它们经由催化生化反应，或透过调控或参与基因表达过程发挥相应的生理功能。比如，tRNA（转运RNA）在翻译过程中起转运RNA的作用，rRNA（核糖体RNA）于翻译过程中起催化肽链形成的作用，sRNA（小RNA）起到调控基因表达的作用。此外，RNA病毒甚至以RNA作为它们的遗传物质。

RNA通常由DNA经由转录生成。RNA在细胞中广泛分布，真核生物的细胞核、细胞质、线粒体中都有RNA。

---

DNA用甲基绿染色，RNA用吡罗红染色。甲基绿对DNA亲和力强,使DNA显现出绿色,而吡罗红对RNA的亲和力强,使RNA呈现出红色.用甲基绿、吡罗红的混合染色剂将细胞染色,可同时显示DNA和RNA在细胞中的分布。

2. 基因

$\text{基因 (gene)}$ 是一段连续的核苷酸序列，在生物学中是指“携带遗传信息的基本物质单位”（基本遗传单位）。而自从确定遗传信息的分子载体为核酸后，基因即指能够遗传且具功能性的一段DNA或RNA序列，详细来说，其为DNA或RNA大分子内一段编码基因产物（RNA或蛋白质）的合成的核苷酸序列。

弄清基因序列本身的过程叫基因测序。

基因的结构由增强子、启动子及蛋白编码序列等组成，即基因产物可以是蛋白质（蛋白质编码基因）及RNA，从而控制生物个体的性状（差异）表现。

2.1 基因组

在一个个体当中所有的基因总和叫 $\text{基因组 (genome)}$。在一个物种中所有等位基因的总合叫基因库。在大多数真核生物中，基因分为细胞核基因及线粒体基因，绿色植物的叶绿体也含有独立于细胞核的叶绿体基因组。

人类约有两万至两万五千个基因。

$\text{人类基因组计划 (human genome project, HGP)}$ 是一项规模宏大，跨国跨学科的生物信息学项目。其宗旨在于测定组成人类染色体（指单倍体）的30亿个碱基对形成的核苷酸序列，从而绘制人类基因组图谱，并且识别其载有的基因，达到破译人类遗传信息的最终目的。该计划起始于公元1990年，并于公元2000年完成。

2.2 染色体

$\text{染色体 (chromosome)}$ 是真核生物特有的构造，主要由双股螺旋的去氧核糖核酸和5种被称为组蛋白的蛋白质构成，是基因的主要载体。

在真核生物中，染色体在体细胞中是成对存在的。每条染色体上都带有一定数量的基因。一个基因在细胞有丝分裂时有两个对列的位点，称为等位基因，分别来自父与母。依所携带性状的表现，又可分为显性基因和隐性基因。

染色体是细胞内具有遗传性质的遗传物质深度压缩形成的聚合体，易被碱性染料染成深色，所以叫染色体（由染色质组成）。

染色质和染色体是同一物质在细胞分裂间期和分裂期的不同形态表现。染色体出现于分裂期。染色质出现于间期，呈丝状。其本质都是脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质的组合（即核蛋白组成），不均匀地分布于细胞核中 ，是遗传信息（基因）的主要载体，但不是唯一载体（如细胞质内的腺粒体）。

染色体在细胞分裂（cell division）之前才形成。在细胞的代谢期或间期，染色体分散成一级结构或伸展开的脱氧核糖核酸分子，组成细胞核内的染色质（chromatin）或核质（nucleoplasm or karyoplasm）。

2.3 基因与脱氧核苷酸的牵连

1. 基因的基本组成单位是脱氧核苷酸。
2. 基因中脱氧核苷酸的排列顺序称为遗传信息。
3. 基因中脱氧核苷酸的排列顺序的多样性决定了基因的多样性。

2.4 基因与DNA的牵连

1. 基因是有遗传效应的DNA片段，每个DNA分子有许多个基因。一个DNA分子上的碱基总数大于该DNA分子上所有基因上的碱基数之和。
2. 基因具有遗传效应是指其能控制生物的性状。基因是控制生物性状的结构和功能的基本单位，特定的基因控制特定的性状。

2.5 基因与染色体的牵连

1. 基因在染色体上呈线性排列。
2. 染色体是基因的主要载体，但不是唯一载体，如线粒体，叶绿体中也有少量的DNA，也是基因的载体。

Ref

1. 从DNA到蛋白质
2. 从DNA到蛋白质 EN
3. 脱氧核糖核酸 - wikipedia
4. 核糖核酸 - wikipedia
5. 染色体 - wikipedia