细胞在分裂时,如何才能保证遗传信息较为稳定地传递给每一个子代细胞?这是生物学中的一个重要问题。关键不仅在于 DNA 分子能够高效储存遗传信息,还在于它具有便于进行准确复制的特殊结构。DNA 双螺旋中的两条链相互为模板,当分子解开时,每一条原有的链都能作为蓝图来合成新的链。本章将围绕 DNA 的组成单位、空间结构和复制过程,依次搭建证明其可稳定传递信息的证据链。
学习这一部分内容时,要特别关注“结构决定过程”的主线思维:分子的结构决定其功能,进而影响其在生命活动中的表现。只有深入理解 DNA 的结构特点,才能真正明白遗传信息得以稳定传递的分子基础。
学完本章,你应能:
DNA 的中文全称是脱氧核糖核酸。组成 DNA 的基本单位是脱氧核苷酸。每个脱氧核苷酸都由三部分构成:
DNA 中的碱基有四种:腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)。四种脱氧核苷酸的区别在于碱基不同;脱氧核糖和磷酸部分相同。不要把“核苷酸”误解为“碱基”:碱基只是核苷酸的一个组成部分。

在一条 DNA 单链中,相邻脱氧核苷酸之间通过脱氧核糖和磷酸相连,形成相对稳定的“脱氧核糖—磷酸”骨架。碱基连在脱氧核糖上,依次排列在骨架的一侧。碱基的排列顺序可以有多种不同组合,这正是 DNA 储存大量遗传信息的基础。
DNA 分子通常由两条多脱氧核苷酸链构成。两条链围绕同一轴盘旋,形成规则的双螺旋结构。可以把它想成一架扭转的梯子:两侧的“扶手”是脱氧核糖和磷酸交替形成的骨架,位于外侧;中间的“横档”由碱基对构成。

两条链并不是同向排列,而是方向相反。这个特点在观察结构图时很重要:若沿一条链从上到下读,另一条链的对应方向应从下到上读。高中阶段不必把 DNA 看成一根没有变化的“绳子”;它的空间结构既有稳定性,也能在复制等生命活动中局部打开。
双螺旋的结构使 DNA 具备两层意义:外侧骨架保证分子的基本连续性,内侧碱基对则保留了可被读取和复制的信息。比较不同 DNA 分子时,骨架的组成形式相似,而碱基对的数目和排列顺序可以不同。
学习任务:在互动中点击“磷酸—脱氧核糖骨架”“碱基对”“两条链方向”等结构,判断它们所在的位置、作用和常见误解。
DNA 双链中,碱基之间的配对有严格规律:A 总是与 T 配对,G 总是与 C 配对。这称为碱基互补配对。A 与 T 之间形成两条氢键,G 与 C 之间形成三条氢键;这些氢键使两条链能够结合,又使它们在适当条件下可以分开。
因此,在一个双链 DNA 分子中,A 的数目等于 T 的数目,G 的数目等于 C 的数目。进一步说,嘌呤碱基 A 和 G 的总数等于嘧啶碱基 T 和 C 的总数。这些数量关系只适用于完整的双链 DNA 分子;若题目只给出其中一条单链,不能直接把单链中的 A 与 T 数量设为相等。
碱基互补配对不是“碱基相同就相连”,而是特定碱基之间的配对。比如一条链某处出现 A,另一条链的相应位置必定是 T;一条链出现 G,另一条链的相应位置必定是 C。互补关系只告诉我们对应位置怎样配对,DNA 中携带的遗传信息仍取决于碱基的排列顺序。
例题:某双链 DNA 分子共有 1 000 个碱基对,其中一条链中 A 有 200 个。该 DNA 分子中 A、T、G、C 分别有多少个?四种碱基总数是多少?
细胞分裂前,DNA 会进行复制。复制不是把原来的 DNA 整体“压印”出一份,而是以原有的两条链分别作为模板,按照碱基互补配对原则合成新链。概括来说,可以分为三个相互衔接的环节:

这种方式叫作半保留复制。这里“半保留”指的是:每个子代 DNA 分子都会保留亲代 DNA 的一条链,另一条链则是新合成的。注意,这里的“半保留”不是说 DNA 分子只复制了一半,而是两条链中一条为“旧链”、一条为“新链”。
DNA 复制过程中,常见的特征和所需条件可以梳理如下:
这样,半保留复制确保了遗传信息既能准确传递,又能为新生命提供必要的结构基础。
DNA 的双螺旋结构为复制提供了模板基础,碱基互补配对保证了新链能按规则形成。正常情况下,复制过程使遗传信息较准确地传递;但“较准确”不等于绝对不会出错,少数复制错误若未被纠正,也可能成为遗传变异的来源。
学习任务:依次切换“解旋、互补合成、半保留结果”三个步骤,观察旧链、新链和游离脱氧核苷酸分别在何时出现,再比较两个子代 DNA 分子的链来源。
例题:一个双链 DNA 分子在适宜条件下连续复制 3 次。复制完成后共有多少个 DNA 分子?其中含有最初亲代链的 DNA 分子有几个?完全由新合成链构成的 DNA 分子有几个?
DNA 是主要的遗传物质。DNA 分子上有许多具有遗传效应的片段,叫作基因。可以把基因理解为 DNA 分子中承担特定遗传信息的一段,但不能把基因、整条 DNA 分子和染色体当成同义词。
同一 DNA 分子可以包含多个基因,也可以存在不属于基因的 DNA 片段。因而,“所有 DNA 片段都是基因”的说法不正确;“基因是 DNA 的片段”也应补上“具有遗传效应”这一关键限制。在下一章中,我们将继续讨论基因中的信息怎样通过转录和翻译影响性状。
在真核细胞中,DNA 不是随意散放在细胞核内的。DNA 分子与蛋白质结合形成染色质;当细胞进行分裂时,染色质会高度螺旋化、缩短变粗,成为在显微镜下较容易观察到的染色体。这个过程体现的是同一遗传物质在不同状态下的组织程度变化。

判断 DNA 与染色体的数量关系时,必须先问“细胞处于什么时期”。一条未复制的染色体通常含有一个 DNA 分子。DNA 复制后,一条染色体由两条姐妹染色单体组成,通常含有两个 DNA 分子;此时姐妹染色单体仍由同一个着丝粒相连,通常仍计作一条染色体。姐妹染色单体分开后,才分别成为两条染色体。
这一层级关系能帮助我们避免两类混淆:一是把染色质和染色体当成两种不同遗传物质;二是在不说明细胞时期的情况下,机械地说“一条染色体一定只含一个 DNA 分子”。数量判断离不开细胞周期背景。
学习任务:在互动中选择“未复制”“已复制、姐妹染色单体相连”“姐妹染色单体分开”三种状态,比较染色体数、染色单体数和 DNA 分子数的变化。
DNA 的结构与复制可以连成一条完整的逻辑链:
这条链也提示我们,生物学概念常有适用条件。例如,A 与 T 数量相等针对完整双链 DNA;复制次数导致的数量变化,默认每次复制都完成且不考虑细胞分裂后的分配;染色体数和 DNA 分子数的关系,则必须结合细胞所处时期判断。
脱氧核苷酸是 DNA 的基本单位,碱基的排列顺序承载遗传信息。DNA 由两条方向相反的多脱氧核苷酸链构成双螺旋,碱基遵循 A—T、G—C 的互补配对规则。复制时,DNA 先局部解旋,两条母链分别作为模板合成子链,形成两个半保留复制的子代 DNA 分子。
基因是 DNA 上具有遗传效应的片段。DNA 与蛋白质共同形成染色质,在细胞分裂时高度凝缩为染色体。把这些概念放回具体的细胞状态中理解,才能准确分析遗传信息如何储存、复制和分配。