DNA是大分子生命物質，儘管掛了一個“大分子”的稱呼，但其實DNA雙鏈是很細的，儘管它們的長度很長，據估計人體細胞中的DNA長度若將單一細胞內的染色體拉成直線,那麼將大約有6英尺長(1英尺=30.48公分)，近兩米，全身數十萬億的細胞，每個細胞46條染色體，雖然長度不一樣，但是也使DNA連在一起的長度十分驚人，甚至能到達太陽。這樣數量龐大的DNA序列，如果沒有特殊的機制保證穩定性，就會造成生物遺傳性狀等方面的極度不穩定，而現代科學可以證實的是一生物個體的的基因大範圍突變或者損傷是會直接導致死亡的，那樣的話生命就難以存在。而地球生命進化至今，當然是有一定的方式保證DNA“嚴絲合縫”，很少出錯。

人是真核細胞的生物，DNA存在於細胞核內的染色體中，染色體是蛋白質和DNA核酸雙鏈構成，染色體長短不一，但是相對於DNA它們又粗又短，DNA和蛋白質相互作用不斷地盤旋摺疊再結合其它的一些蛋白就形成了染色體，儲存在細胞核中，只有在轉錄或者翻譯、複製的過程中，染色體才會解開DNA雙鏈，這樣的特點保證了DNA的穩定，另外一個也比較重要的地方是所有雙鏈DNA生物所共有的，那就是地球生物的DNA遵循著同一套基因密碼，鹼基互補配對，A和T、G和C，複製時半保留複製，DNA解開雙聯，鹼基互補合成一條新鏈，然後一新一舊形成新的DNA，這保證了複製過程中鹼基出錯的機率很低，加上細胞內也有一套識別機制，限制性內切酶等生命大分子可以監視DNA的突變或者損傷，將錯配的序列剪掉重新加上正確的鹼基，更加保證了DNA的穩定性。

然而這裡的出錯機率很低指的是單一細胞的DNA，而人體細胞數量那麼多，總的來說每天甚至每分每秒都會有一些細胞的基因出錯，導致表達的物質異常，大多數會被免疫識別清楚，少數會導致疾病，癌症就是原癌基因突變等因素造成的細胞脫離人體的調控和免疫監視，可以在人體內相對無限地增殖，直到人死亡。

人體是一個極其精密的結構，大腦控制身體的生理活動，即便你是在休息的時候，大腦也可以將身體管理得井井有條。在人體中，擁有40萬億至60萬億個細胞，取個平均數也有50萬億個，而一個龐大的銀河系，含有的星體總數包含恆星與行星，不過在1萬億顆左右，這說明人體含有的細胞總數相當於銀河系含有星體總數的50倍。

這50萬億個細胞組成了人體，每一個細胞又是一個個的小環境，它們有自己的細胞核以及整套的遺傳資訊。我們知道，包含人體遺傳資訊的是染色體，而染色體又是主要由DNA組成，DNA學名叫做脫氧核糖核酸，它是雙螺旋結構，由兩條脫氧核苷酸鏈圍繞一個共同的中心軸盤繞而成，嚴絲合縫沒有一絲兒差錯。DNA主要由四種鹼基組成，它們之間互相配對以氫鍵聯合，形成了穩定的DNA雙螺旋的結構。

開始於1990年的人類基因組計劃，研究表明人體的基因組含有約30億個鹼基對，每個細胞中都含有整套的遺傳資訊，所以說每個細胞都含有30億個鹼基對。每一個鹼基的長度大約是0.34奈米，那麼如果將一個體細胞內的所有鹼基連線起來，總長度就達到了2米，這個數字是非常驚人的，然而DNA就是這樣以這種螺旋形態圈上加圈，使得30億個鹼基對容納在只有6微米寬的空間內。

那麼，如果將人體中所有的細胞含有的DNA全部拉直，總長度可以達到多少呢？得出的是一個天文數字，1000億公里，相比之下，地球到太陽的距離不過才1.5億公里。

一個小小的人體內部竟然含有如此巨量的DNA，那究竟是什麼來保證如此巨量的DNA物質的穩定的呢？

我們知道，DNA的複製是半保留複製，複製的過程也是一個邊解旋邊複製的過程，在這個過程中，遊離的鹼基將嚴格的按照鹼基互補配對原則來與母鏈上的鹼基進行配對，這個過程是非常嚴格的，這不僅是由本身的複製方式來保證的，而且在複製的過程中還有一種特殊的酶參與，這種酶就是DNA聚合酶。

DNA聚合酶參與DNA的複製，是複製過程中不產生錯誤的重要保證。如果在複製的過程中發生了錯誤，DNA聚合酶會修復它，不僅如此，它還可以隨時的進行校對，如果發現了錯誤，立即進行修復，這保證了DNA的準確無誤。

當然了，這個只是DNA穩定的一方面因素，另一方面是在DNA雙螺旋結構上的穩定。

又是什麼來保證DNA結構的穩定的呢？

主要是鹼基堆積力、氫鍵、範德華力的協同作用，最重要的還是鹼基堆積力，這是一個什麼力呢？在DNA螺旋的平面圖中，你可以看到每一個鹼基都層疊堆積在一起，這種在旋進中彼此堆積會形成一種相互吸引的力，這個力就是鹼基堆積力，有力的保證了雙螺旋結構的穩定性。

綜上，可以知道，DNA的穩定不僅是物質的穩定，而且還有結構的穩定，每一個穩定中都有重要的參與者，使得50萬億個細胞各司其職，有序地完成它們的使命。

全是演算法決定的呀!而使用的演算法比較低階者身體的DNA編碼就一定會出現程度不同的多種漏洞與亂碼現象!

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世界上最精密的結構是什麼？計算機？

不，是人體。據統計，人體內的每一個細胞約含有30億的鹼基對，構成了龐大的遺傳資訊。它們透過複製、轉錄、翻譯為蛋白質，最終使我們的一言一行，都離不開遺傳資訊的作用。

那為什麼如此龐大的DNA能夠保持一定的穩定性？它們從不會出錯嗎？

一是因為DNA的獨特結構，二是因為機體有著處理複製、翻譯等出錯時的補救機制。

DNA的雙螺旋結構

1953年4月25日，克里克和沃森首次發現了DNA的雙螺旋結構，揭開了生命遺傳的神秘面紗。

磷酸與糖基在外側，透過磷酸二脂鍵相連，形成DNA雙螺旋核酸的骨架，內部是ATCG四種鹼基配對，以氫鍵連線，構成穩定的DNA雙螺旋結構。

也正是這種結構，使DNA具有強大的穩定性（相比於單鏈RNA），可以作為生物的遺傳物質。

但是，DNA中的一個螺距包含10個鹼基對，而一個螺距之前的距離大約為3.4nm。而人體中的一個細胞就含有30億對鹼基，計算下來，人體中一個細胞的DNA長度就有10.2m，這是怎麼做到的呢？

事實上，細胞中的DNA會盤曲摺疊，將自身的長度隱藏起來，形成DNA的一級、二級、三級等結構，最終形成我們所熟知的染色體。

也正因如此，我們人體才能包含如此龐大的遺傳資訊。

遺傳出錯時的補救機制

人體包含這麼龐大的遺傳資訊，自然也不會面面俱到，有時也會出錯。

但請注意，這種出錯大都是致命的，會對人體的生命活動造成重大影響，如發生癌症。所以生命才進化出了當DNA複製、轉錄、翻譯出錯時的補救機制。

1.DNA

在DNA複製過程中，如果有錯誤的鹼基引入正在複製的DNA片段中，DNA聚合酶的構象會發生改變並識別出這種錯誤進行糾正。當然，這種校正也會有失誤，不能校正的細胞往往會變為癌細胞。

2.鹼基切除修復

機體內的特異性糖苷酶會識別和清除受損鹼基，接著透過XRCC1等途徑進行修復。

3.錯配機制

4.核苷酸切除修復

正因為上述的這些機制的保駕護航，才能使我們的DNA正常複製，使得我們的生命活動能夠正常進行。

人體是一個蘊藏著巨大秘密的寶庫，人類目前瞭解的仍是冰山一角，每年都有新的研究不斷髮現。也許有一天，我們能夠破譯所有的遺傳密碼，真正掌握生命的奧義！

首先，明確一下，人體單個細胞裡的DNA拉直後，長度大概在2～3米之間，人體大概有一萬億個細胞，因此考慮到體內所有的DNA串起來，大概會有兩萬億米，大概相當於20億公里，大約可以往返地球和太陽70次。

DNA為雙螺旋結構，即兩條長長的鏈呈螺旋狀交錯上升。

圖1 DNA雙螺旋結構

每條鏈的基本組成單位是叫做“核苷酸”的化合物。核苷酸是由一個含有五個碳原子的糖類物質（脫氧核糖）左右分別連線磷酸基團和鹼基。根據鹼基的不同，組成DNA的核苷酸可以分為四種：腺嘌呤核苷酸、胸腺嘌呤核苷酸、鳥嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸。

圖2 核苷酸結構（其中尿嘧啶在RNA中出現）

對於單獨的一條鏈來說，核苷酸和核苷酸之間透過化學鍵相連，是有實質性的接觸的，因此，可以將其可作是一個化學物質。而鏈與鏈之間，並沒有實際的接觸，那麼如何保證鏈與鏈間既可以保持一定的距離，又不至於散開呢？答案是有一種看不見的力完成了這項工作。

如前所述，核苷酸靠近螺旋的內側由鹼基組成，而不同的鹼基之間由於其化學結構的特殊性，會存在吸引力。具體來說，腺嘌呤和胸腺嘧啶之間，鳥嘌呤和胞嘧啶之間可以形成一種叫做氫鍵的化學力，從而將兩條鏈“粘合在一起”。

當然除了氫鍵外，還存在一些其他形式的力，如範德華力，鹼基堆積力等。並且下文中提到的幫助DNA摺疊的組蛋白同樣也發揮了重要的作用，因為磷酸骨架都是負電荷，而負電荷之間是會相互排斥的，而組蛋白在這裡發揮的作用正是中和電荷，抵消這種負電荷之間的相互排斥。正是由於它們的存在，才保持了DNA雙螺旋結構的穩定性。

圖3 DNA鏈與鏈間透過鹼基配對形成的力相連，鏈內透過化學鍵相連（G：鳥嘌呤；C:胞嘧啶；T：胸腺嘧啶；A：腺嘌呤）

下一個問題是，細胞是如何做到優雅而又不失穩定的將長長的DNA裝進自己小小的容納空間裡呢。

其實，策略很簡單，就是透過不斷的摺疊，指數倍的縮小DNA的長度。打個比方，我們的電腦裡有很多很多的檔案，為了讓檔案數目變少，同時又保留所有的資訊，我們可以採取壓縮的方式，而這也正是細胞在做的事情。

圖4 DNA壓縮過程

首先DNA在組蛋白的幫助下形成核小體。每一個核小體由大概150個鹼基長（～150bp）的DNA片段和八個組蛋白構成。組蛋白的作用除了中和DNA的負電荷，還可以改變DNA鏈的構象，使組蛋白可有效縮短DNA。每隔一定的距離，就會形成這樣的一個核小體。然後每個核小體像珠子一般掛在DNA鏈上。經過這一步，DNA大概被壓縮了7倍。之後，這些“珠子”又相互纏繞堆積，形成螺線管結構，長度又被壓縮了6倍。形成螺線管後，繼續扭曲重疊，進一步形成超螺線管，長度再被壓縮40倍。最後，這些超螺線管再相互“擠擠”，形成染色單體，也就是DNA在細胞裡最常存在的形式，經過這一步，DNA的長度又被壓縮了5倍。所以，總的過程下來，DNA大概會被壓縮8000多倍。並且這一過程中，會涉及到很多蛋白質的參與，對於之後DNA的穩定、表達都會起到重要的作用。

此外，DNA會透過半保留的方式複製，並且有一套緊密的系統來修復損傷的DNA，這些也都對DNA的穩定起到了很大的作用。

因此，透過保持鏈內和鏈間的穩定，以及不斷的壓縮，小小的細胞成功的將巨長的DNA牢牢“握在手上”。

你好這是一個比較基礎但是十分重要的生物學問題！

隨著上個世紀人們對於人類遺傳物質的發現，鑑定，和破譯，我們從功能上的基因開始，到沃森，克里克兩位神人解析了DNA雙螺旋結構，災後來更加深入的認識了“中心法則"包含的DNA,RNA和蛋白質的關係。

目前我們都知道，DNA作為人類的遺傳物質，對於蛋白質的合成來說充當了原始密碼本，模板的作用，而這部分基因只佔了人類基因組的非常小的一部分，據估計大約才2%不到；隨著近來的發現RNA也可以透過特殊結構形式類似於酶的功能（RNAi：RNA干擾等），以及更多的Lnco-DNA（非編碼DNA）的功能依舊未知。

上世紀末的時候美國的三大科研之一的人類基因組計劃，在DNA之父的沃森的發起下開始如火如荼的進行，經過近10年的攻堅，凝聚了全世界各國頂尖力量，於2003年的時候人類終於獲得了這本密碼本《人類基因組》，這其中包括了31.6億個DNA的脫氧核糖核酸的鹼基對！

據研究發現DNA中兩個鹼基之間的軸向距離為0.34nm（DNA是螺旋結構，軸向距離表示兩者之間的高度，不代表直線距離），據此推斷人類一套DNA的軸線長度為：31.6 x 10^9 x 0.34nm =1,074,400,000nm 換算下就是1.0744m 。

一個77Kg的成年人大約有600000億個細胞 這樣算下來：一個成年人體內所有的DNA連在一起大約644.64億公里，是不是沒有概念？這樣說吧地球到太陽才1.5億公里，是不是amazing？

1.分子水平：

沃森和克里克（上圖左右），提出的DNA雙螺旋結構可以看出，DNA的組成是帶有不同鹼基（ATCG）的脫氧核糖核苷酸組成的雙螺旋結構。這個核苷酸結構中的核心是脫氧核糖，這比組成RNA的5C-核糖更加的穩定，同時在Y軸的方向上兩個核苷酸是透過磷酸二脂鍵所連線在一起（磷脂鍵是一種非常牢固的作用力，這使得DNA在100左右的環境中任然不會有Y軸方向的DNA斷裂），同時在X軸上是透過A-T,C-G的鹼基配對組成，這主要是透過鹼基上的H鍵連線在一起(A-T 2條H鍵，C-G三條H鍵，所以C-G越多越穩定)，由於DNA經常需要解鏈用於複製，轉錄，修復，所以H鍵的作用力不算太強，一般20bp的DNA序列在50-60攝氏度在就會完全解開為兩條鏈。

除了最主要的這三個方面，DNA雙螺旋結構的穩定性還離不開 離子鍵、範德華力等作用力的輔助。比如說DNA在高鹽，高Na的環境中會更加容易收縮為緊密的結構，就像按住的彈簧，但是在高溫，極端PH等條件下這些穩定條件破壞結構就變得疏散易破裂。

2.生理生化水平：

上述的只是DNA的雙螺旋結構，對於基因在細胞中最緊密的結構是分裂時形成的染色體，而染色體是由染色質經過高度螺旋化之後形成的。而染色質本身是DNA雙鏈螺旋化後再透過環繞 8聚體的組蛋白一起經過螺旋化後形成的。

一般情況下由於DNA需要被使用，所以不會有如此高螺旋形的DNA的存在，只有在分裂的時候才會有染色體，一般細胞核內主要是以染色質的形態存在。

在這個水平的DNA的結構中，穩定DNA 結構最重要的兩方面作用就是，DNA雙螺旋結構以及一些修飾導致的DNA的高度螺旋的能力，另一個就是DNA螺旋絲和組蛋白形成的染色質球，染色質的每一個球都包含了一段DNA和8個組蛋白，這樣的就夠不僅可以有利於DNA的螺旋化，主要是解螺旋方便，不需要全部解開是需要將幾個這樣的DNA鏈球解開後就可以轉錄，這樣減少了染色質的不必要解螺旋，有利於結構穩定。

除此之外，隨著表觀遺傳學的發展，人們發現了在中心法則之外的遺傳手段，比如說最被發現的組蛋白的修飾，就是說在組蛋白的某些氨基酸的結構上如果發生修飾（如：甲基化，乙醯化，糖基化等等）會直接影響組蛋白的結構和功能。我們剛說組蛋白是DNA穩定的一個個錨點，如果它的功能缺陷，DNA也會變得不穩定。所以說表觀調控，或者可能的翻譯後修飾也是DNA穩定的重要因素。

PS:目前最新的研究發現，DNA的核苷酸也是可以被表觀修飾的，如DNA的甲基化，它決定了，影響了DNA的解鏈，複製轉錄，和重要的DNA修復。為什麼DNA轉錄時需要的地方可以解鏈？其他地方還是螺旋的？就時表觀調控的結果。

3. 細胞水平

往宏觀的角度再來看一看，我們都知道對於高等動物而言，我們的DNA，染色體的結構更加之質密和穩定，為什麼呢？因為現對於細菌，病毒和一些原核生物，我們有存放DNA的專門細胞結構——細胞核。試想一下，就像家裡存錢，你是放在客廳桌上更安全？還是放在，密室的保險櫃裡更妥帖？當然是後者，細胞核之於DNA就是這樣的關係，因為有核膜的存在保障了DNA，染色質在一個十分穩定，特別是有利於結構的環境中（鹽離子濃度，ph等），同時由於核膜上的核孔的篩選，使得一般的物質都無法隨意進入細胞核，要知道像ROS，激酶，高能離子（如重金屬離子）等都會損壞DNA的結構，導致斷裂。

所以說，有了細胞核的保障，DNA在細胞中才會存在的更加穩定和安全。

由於篇幅有限，很多細節的地方，如化學分子的能量遷移對於P酸基團的穩定性，其他的一些翻譯後修飾，DNA突變，DNA的修復等就不在贅述。

人體中絕大多數的細胞中，都有細胞核，而細胞核裡包裹著遺傳物質DNA。DNA雙鏈非常長，展開可達0.34nm*3000000000/1000000000，然而在細胞中，DNA雙鏈會經過摺疊並纏繞，實際長度並沒有那麼長。不過，如此長的DNA鏈條究竟是怎麼組成的呢？

我們知道，英文是由26個字母組成，而組成DNA雙鏈的也和英文一樣，是由4個鹼基組成，分別是：腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶，簡稱：A、T、C、G。而且這四個鹼基兩兩對應，A一定對應著T，C一定對應著G。

除了鹼基之外，DNA是由脫氧核糖與磷酸交替連結構成的骨架，鹼基對之間有氫鍵作為連結，但對基因起著決定作用的是鹼基對的有序分佈。

也就是說，DNA鏈條雖然長，但DNA鏈條的骨架是固定的，變化的只有鹼基對，而鹼基又只有4種，這四種鹼基的排列方式構成了一個又一個的基因。

基因自身不能合成蛋白質，但基因可以轉錄成信使RNA，信使RNA可以將基因上的資訊翻譯成蛋白質，蛋白質會生產能量或者運輸能量，參與生命活動，就這樣人體工廠運轉了起來。

雖然基因位於DNA鏈條上，但DNA鏈條上不全是基因，還有許多冗餘基因。

在人體基因組計劃展開之前，科學家認為如此長的DNA雙鏈，上面的基因最少也有七八萬個，但當2003年4月14日人體基因組計劃真的完成之後，科學家們都驚呆了，原來人體只有兩萬多個表達性狀的基因，這些基因只佔人類基因組總數的3%，這意味著絕大多數基因組都是不表達任何性狀的基因，這些不表達性狀的基因就叫做內含子，表達性狀的基因叫做外顯子。

也就是說，人體內的基因並不是嚴絲合縫的，而是有大量的冗餘。

我們知道，冗餘意味著浪費，在人體中有這麼多用不到的基因，其實是非常浪費能量，因為DNA每自我複製一次時，這些冗餘的基因也會被蛋白質複製一次，非常浪費能量。如果把這些能量節約下來，用於提高繁殖速度或者奔跑速度也能幫助自己更好地生存。

於是，有些人在想，既然有大量的基因是無用的，為什麼生物在演化時，仍然要保留這些基因呢？初看之下這個問題很簡單，但答案卻並不簡單。

我們知道，DNA在進行自我複製時，就相當於學生抄寫作業，雖然DNA是個認真的學生，每次在抄寫DNA時，都會自我檢查一遍，但仍難免有錯誤，比如：有些字數抄錯了，有些抄漏了，有的多寫了。

也就是說，DNA並不能100%將自我完全複製，每複製一次會出現極個別的鹼基對複製錯誤，這些鹼基對如果位於基因序列中，將會造成基因變異，比如：鐮刀型貧血症等，多說一句，基因變異沒有方向，有的會造成生物患病，有些會幫助生物生存，還有一些對人體影響不大。

如果出現錯誤的鹼基出現於冗餘的基因序列中，那麼就有可能激發新的基因，但更大的可能是對人體沒有任何影響，這是因為信使RNA在加工時，會將內含子剪下掉，所以即使內含子發生變異也不影響人類正常生活。

假如，沒有這些冗餘基因，雖然比較節約能量，但如果DNA在每次自我複製時都出現極個別的錯誤，這意味著我們還沒長大，身體內的基因已經突變的不成樣子了。

再者，冗餘的基因並不冗餘，我們知道生物在形成配子時，會發生聯會現象，聯會也就是相互交換鹼基對。

如果聯會的地方發生在基因序列中，將會造成基因變異。如果發生在冗餘基因裡，則可能不會影響生物的關鍵基因。

除此之外，偶爾一些關鍵位點的鹼基對複製錯誤，就有可能啟用某個新的基因，成為我們身體中的一部分。

雖然冗餘的基因可以充當基因的緩衝劑，但冗餘的基因並不能無限長，這是因為過多的基因會造成大量能量浪費，導致成為生物的負擔。

但也不能過於短，因為過短不利於生物的穩定。

有人說，即使是最頂級的科學家，也無法制造出一個最簡單的生命，事實上的確如此。DNA的結構雖然簡單，但是從DNA到生命的過程卻不簡單。

作為遺傳學系畢業的學生，很開心可以回答這個問題。人體細胞的DNA作為繁衍生命的遺傳物質，指揮細胞生命活動的藍圖，共有30億個鹼基對，每個鹼基對間距為0.34奈米，如果把一個人體細胞中每條染色體完全拉直首尾相連約1米長。其穩定性主要由DNA的雙螺旋結構、組蛋白的保護、DNA的摺疊壓縮，及隨時候命的多種DNA修復酶共同維持。

DNA的雙螺旋為右螺旋，每10個鹼基對轉一圈，一個螺旋中有大溝和小溝，俯視下螺旋直徑為2nm，這麼有規律的結構是如何做到的呢？DNA的雙螺旋並不是簡簡單單地好看，這個結構中有很多化學作用力共同維持，包括鹼基之間的橫向氫鍵作用力、螺旋內部的疏水作用力、鹼基對施加在相鄰鹼基的互相吸引導致的鹼基堆積力等等。DNA的雙螺旋結構可是比RNA的單鏈結構要穩定得多的多。

在人體細胞中，DNA並不是單獨遊離的狀態。人有23對染色體，而染色體是由DNA和蛋白質組成的。其中，主要的蛋白質成分是組蛋白（histone）。如下圖所示，呈鹼性的組蛋白包裹著酸性的DNA，並捲曲形成核小體（nucleosome），這是DNA在真核細胞的基本結構單位。

既然人體DNA首尾相連有1米長，但是我們的細胞平均大小卻只有100微米左右，只有1米的一百萬分之一，那麼一個人體細胞是如何容納這麼長的DNA呢？答案是高度的摺疊壓縮，真可謂是折出花兒來。整個過程就像編手繩或者圍巾一樣，把一條線編成一個高度緊密的一團成品。如下圖所示，DNA和組蛋白組成的核小體像繩珠一樣串起來，非常緊密地捲成一團形成染色纖維，再進一步捲曲成染色絲、染色質，在細胞不進行分裂的時候，DNA就會以這種染色質的形態存在，當要進行有絲分裂的時候，染色質會進一步摺疊成更加高度濃縮的染色體。

即使有上述機制的保護，在日常生活中，由於輻射、太陽暴曬、化學因素、細胞活動過程中發生的不過避免的損傷等等，DNA會發生斷裂或者鹼基會發生突變，這時候就會有一系列的酶前來修復斷裂或者突變的DNA。