A信息大分子
　　A1信息加工与分子生物学
　　要点
　　中心法则　中心法则的最初观念是从DNA转录成RNA，再翻译成蛋白质，其中转录与翻译是分别进行的。虽然有很多例子与其有相矛盾的地方，但它基本上是正确的。反转录病毒能将RNA反转录为DNA，很多病毒能直接以RNA为模板复制RNA，而一些RNA在合成后能进一步被编辑，以致它们的最终序列不直接由DNA序列所决定。
　　重组DNA技术　对微生物、动物及植物的基因组进行测序和操作的能力大大提升了我们对细胞生物学的理解。在此基础上，导入外源DNA的转基因技术已广泛地应用在医药、农业和工业等领域。合成新型的基因组的能力必将促进这些领域的进步。
　　相关主题　核酸结构与功能（A2）
　　蛋白质结构与功能（A3）
　　原核生物的转录（F）真核生物的转录（H）
　　遗传密码与tRNA（K）
　　蛋白质合成（L）
　　中心法则
　　分子生物学是研究行使生物学功能的分子反应和相互作用的学科，在很大程度上与生物化学及遗传学相重叠。分子生物学常被视为主要研究细胞中信息加工的结构基础和调控，当然也包括探查这些的技术和方法。虽然在20世纪40年代和50年代，Avery、MacLeod和McCarty及Hershey和Chase的开拓性实验就已经表明，一个细胞的遗传指令存在于细胞核内的长化学聚合物—脱氧核糖核酸（DNA）的碱基序列中。接着在1953年，Crick和Watson提出了著名的DNA双螺旋结构，精确地揭示了遗传信息是如何被储存并传递给下一代的。为了解释细胞如何利用基因组DNA中的这些遗传指令，Crick提出了遗传信息利用一个中介核酸分子—核糖核酸（RNA）从DNA到蛋白质的单向传递路径，即从DNA转录成RNA，RNA翻译成蛋白质，这就是分子生物学中著名的中心法则，在当时还没有足够的证据来证明其中的每一步。现在我们知道中心法则的基本框架是正确的，并已经对原有框架做了一些修正。这一信息流的图形表述如图A1.1所示，基本的路线仍然是从DNA到RNA再到蛋白质。现在已经明白这一信息流也存在于小的、独立的线粒体和叶绿体基因组的DNA中。在所有细胞中，DNA在概念上会被划分为具体的编码单元（基因），即含有编码单个蛋白质信息的一段DNA序列。这些DNA被转录（参见F和H）产生RNA分子［信使RNA（mRNA）］。信使RNA包含与DNA相同的序列信息（其中U代替了T），可作为DNA蓝图中主基因的工作副本行使功能。然后这些mRNA按遗传密码（参见K1）翻译（参见L）成蛋白质的氨基酸序列。我们把从DNA编码信息到产生功能分子所需的所有过程组合在一起称为基因表达。在图A1.1中还包括了DNA复制（参见D），通过对亲本DNA分子的复制形成两个子代DNA分子，结果是遗传信息在上下代中得到传递与保存。
　　图A1.1遗传信息的传递
　　但是，也确实存在一些例外。许多RNA分子并不翻译成蛋白质，而是用它们自身的方式以RNA行使功能（参见I2、L4和J）。它们的基因称为RNA基因。一些病毒不含有DNA，只含有由一个或多个RNA分子构成的基因组（参见M4）。在反转录病毒中，包括人类免疫缺陷病毒（HIV），即获得性免疫缺陷综合征（AIDS）的病原，病毒的单链RNA分子转换为双链DNA拷贝，随后插入宿主细胞的基因组中，该过程称为反转录。也有一些病毒的RNA基因组直接被复制为RNA，而不以DNA作为中介分子（RNA复制）（参见M4），其包括流感病毒和丙型肝炎病毒。到目前为止，还没有发现蛋白质能被“反翻译”形成特定的RNA或DNA序列的例子，因此中心法则的翻译过程的确是单向的。另外，该中心法则的一个例外是RNA编辑（参见J4）。这主要存在于真核生物中，DNA转录出的RNA的碱基序列被改变了，结果编辑后的RNA序列或由此产生的蛋白质产物不再与DNA编码序列完全一致（参见J4）。
　　重组DNA技术
　　在20世纪70年代末，重组DNA技术（遗传工程）的进步使得分子生物学取得重大进展成为可能。这项技术使得基因可以被分离、测序、修改，以及从一个生物体转移到另一个生物体，对于加深我们对细胞是如何运作的理解至关重要。特别是以这种方法产生的转基因微生物已被用于日常大规模的药物生产，而转基因动植物在提高有用产物的种类方面具有巨大的潜力，可以有助于改良生长、提高抗病性、建立人类疾病模型等（参见S5）。通过基因治疗来永久地治愈遗传疾病现在也已触手可及。近些年来，DNA测序技术发展迅速，而且价格飞速下降，使得检测个人的全基因组进而推测潜在的疾病易感基因变得很容易，已成为常规医疗检测项目中的一部分。现在甚至可以用化学的方法来合成新基因，进而组装成完整的基因组。在2010年，J.Craig　Venter及其同事合成了支原体的完整染色体DNA，并装到一个“空”的细菌细胞中（去除了本身染色体DNA的细菌细胞），产生出由化学合成基因组控制的活的生物体（参见S7）。除去其本身的功能外，这样的DNA分子也被赋予了一些新的希望—为实现用人工合成基因组设计生命体，即真正的合成生命开辟了道路，为实现在自然界看不到的新生化功能，即以产生新药、新能源及其他新产物为目标提供了可能。因此，分子生物学及其技术的进步在发展人畜医药、农业及生物技术产业方面发挥了巨大作用，而在当下也能应对在21世纪人类所面临的人类健康、环境变化及食品安全的挑战。
　　A信息大分子
　　A2核酸结构与功能
　　要点
　　碱基　DNA含有4种杂环碱基：嘌呤类有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），嘧啶类有胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）；而在RNA中尿嘧啶（U）替代了结构非常相似的胸腺嘧啶。
　　核苷　核苷由碱基共价结合于戊糖分子的1′位而构成。RNA中的戊糖为核糖（ribose），构成核糖核苷（ribonucleotide，简称核苷）；而在DNA中戊糖为2′-脱氧核糖（2′-deoxyribose），形成2′-脱氧核糖核苷（2′-deoxyribonucleotide，简称脱氧核苷）。碱基+糖分子=核苷。
　　核苷酸　核苷酸由一个或多个磷酸基团共价结合在核苷的3′位、5′位或2′位（在核糖核苷中）而形成，即碱基+糖分子+磷酸分子=核苷酸。RNA和DNA分别由相应的5′-三磷酸核苷，即5′-三磷酸核糖核苷（NTP）或5′-三磷酸脱氧核糖核苷（dNTP）构成。
　　磷酸二酯键　核酸链中，核糖或脱氧核糖的5′位与相邻的另一个戊糖的3′位间由磷酸介导形成3′，5′-磷酸二酯键。因此，核酸由具有方向性的戊糖-磷酸骨架及与戊糖分子1′位相连的碱基构成，其重复单位是单个核苷酸。由于磷酸分子带负电荷，核酸成为具有强负电性的多聚大分子。
　　DNA/RNA序列　核酸序列通常在DNA中是指碱基A、C、G、T的排列顺序，而在RNA链中则是指A、U、C、G的排列顺序。习惯上从分子游离的5′端写至3′端，如5′-ATAAGCTC-3′（DNA）或5′-AUAGCUUGA-3′（RNA）。
　　DNA双螺旋　DNA分子通常以双螺旋形式存在。两条独立的反向平行的单链DNA分子以右手螺旋方式相互缠绕，戊糖-磷酸骨架在外，碱基在内。碱基靠氢键相互配对并堆积在一起。腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，而鸟嘌呤（G）则与胞嘧啶（C）配对。两条链是互补的，一条链可特异地决定另一条链的序列。
　　A型、B型及Z型螺旋　虽然沃森与克里克所发现的标准的DNA双螺旋（即B型）被认为是细胞中占优势的DNA结构，但核酸也可以形成右手A型螺旋，体内的RNA链可采用这一形式；而左旋Z型螺旋只在特殊碱基序列处形成，这在细胞中也许并不是一个重要的构象。
　　RNA二级结构　大部分RNA分子以单链形式存在，可折叠成各种复杂构象，包括局部分子内碱基配对，以及由其他氢键相互作用而维系的构象。这样的复杂性正反映出RNA在细胞中要承担多种作用。
　　核酸的修饰　核酸的共价修饰在细胞中具有特定作用。对DNA而言，修饰通常仅局限于腺嘌呤和胞嘧啶的甲基化（methylation），而对RNA而言，其修饰范围要大得多。
　　核酸的功能　DNA只是可以表达出来的遗传信息的载体，而构象多变的RNA在遗传信息的储存、传递及加工的调控和机制方面发挥着各种各样的结构与功能作用。
　　相关主题　核酸的理化特性（B1）
　　核酸的光谱学和热力学特性（B2）DNA超螺旋（B3）
　　原核与真核生物的染色体结构（C）
　　碱基
　　DNA和RNA中的碱基是含有多种取代基的芳香族杂环（含碳原子、氮原子）化合物（图A2.1）。嘌呤类为双环结构，包括腺嘌呤和鸟嘌呤；而嘧啶类为单环结构，包括胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶。在RNA中，尿嘧啶替代了胸腺嘧啶。胸腺嘧啶与尿嘧啶的不同仅在于其5′位含一个甲基，因此也可称胸腺嘧啶为5′-甲基尿嘧啶。
　　图A2.1组成核酸的碱基
　　核苷
　　在核酸分子中，碱基共价结合于戊糖的1′位构成核苷（图A2.2）。RNA中的戊糖为核糖，而在DNA中为2′-脱氧核糖，即2′位的羟基为氢原子所替代。核糖与碱基的结合位置，嘧啶为1位（N-1），嘌呤为9位（N-9）（图A2.1）。为了与碱基序位相区别，戊糖环中的原子数标作1′-、2′-等。碱基与糖分子之间的结合键称为糖苷键（glycosylicbond）。若糖分子是核糖，形成的核苷（术语应称为核糖核苷）为腺苷（adenosine）、鸟苷（guanosine）、胞苷（cytidine）和尿苷（uridine）；若糖分子是脱氧核糖（在DNA中），则形成的核苷（2′-脱氧核糖核苷）称为脱氧腺苷（deoxyadenosine）等。胸苷（thymidine）和脱氧胸苷（deoxythymidine）两词可以互换使用。
　　图A2.2核苷
　　核苷酸
　　核苷酸由一个或多个磷酸分子共价结合于核苷的3′位、5′位或2′位（仅在核糖核苷中）而形成。若糖分子是脱氧核糖，则形成的核苷酸称为脱氧核糖核苷酸（deoxynucleotide）（图A2.3），在化学上属于磷酸酯（phosphateesters）类化合物。在5′位上，最多可以连接3个磷酸基团，如5′-腺苷三磷酸（adenosine5′-triphosphate）或5′-脱氧鸟苷三磷酸（deoxyguanosine5′-triphosphate），通常可简写为ATP和dGTP，同样还有dCTP、UTP和dTTP等。5′-核苷单磷酸和5′-核苷二磷酸可分别简写成AMP和dGDP。5′-核苷三磷酸（NTP）或5′-脱氧核苷三磷酸（dNTP）是组成核酸大分子的基本元件。在DNA或RNA合成过程中，每个核苷酸整合到核酸链中时都要以焦磷酸基团（pyrophosphate）方式脱掉两个磷酸，而只保留一个磷酸基团（参见D1和F1）。因此，DNA和RNA链中的重复单位是单个核苷酸。
　　图A2.3核苷酸
　　磷酸二酯键
　　在DNA或RNA分子中，脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸通过在上一个核糖的5′-羟基与下一个核糖的3′-羟基间共价连接一个磷酸基团而连成多聚物（图A2.4）。这种连接成的化学结构或键称为磷酸二酯键（phosphodiesterbond）。因为磷酸在化学结构上成了双酯形式，所以核酸链可被认为是具有方向性或极性（polarity）。任何一条核酸链（环状的除外，参见B3），无论有多长，都有一个游离5′端（无论是否连接有一个磷酸基团）和一个游离3′端（通常情况下是一个游离的羟基基团）。在中性pH条件下，每一个磷酸基团都带有一个单位的负电荷。这就是核酸被称为“酸”的原因，其是强酸的阴离子，所以核酸是带有强负电性的多聚体。