什么是dna(dna)？

脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸）携带着遗传信息，作为生物体生长发育以及最终功能和繁殖的一套指令。它是一种核酸，是已知对所有生命形式都必不可少的四种主要大分子之一。

每个DNA分子由两条生物聚合物链组成，它们相互缠绕形成一个双螺旋。这两条DNA链被称为多核苷酸，因为它们是由称为核苷酸的简单单体单元构成的。

每个核苷酸由四个含氮碱基中的一个组成：胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）或胸腺嘧啶（T），以及一种称为脱氧核糖的糖和一个磷酸基团。

核苷酸通过共价键相互连接，在一个核苷酸的磷酸和下一个核苷酸的糖之间。这就形成了一条链，形成了交替的糖磷酸骨架。两条多核苷酸链的含氮碱基通过氢键结合在一起，根据严格的碱基配对（A到T和C到G）形成双链DNA。

在真核细胞内，DNA被组织成称为染色体的结构，每个细胞有23对染色体。在细胞分裂过程中，只要每个细胞都有自己的一套完整的染色体，染色体就会通过DNA复制过程复制。真核生物，如动物、植物和真菌，将它们的大部分DNA储存在细胞核内，一些DNA储存在线粒体等细胞器中。

线粒体DNA（mtDNA）与细胞核DNA（nDNA）位于真核细胞的不同区域，存在着许多根本性的差异。基于关键的结构和功能特性，这些差异会影响它们在真核生物中的运作方式。

线粒体dna和细胞核dna的组织结构差异

位置→ 线粒体dna仅位于线粒体内，每个体细胞含有100-1000个拷贝。核DNA位于每个真核细胞的细胞核内（除了神经细胞和红血球细胞），通常每个体细胞只有两个拷贝5。

结构→ 这两种DNA都是双链的。然而，nDNA有一个由核膜包围的线性开放结构。这与mtDNA不同，mtDNA通常具有封闭的圆形结构，不被任何膜包裹

基因组大小→ mtDNA和nDNA都有自己的基因组，但大小非常不同。在人类，线粒体基因组的大小仅由1条染色体组成，其中包含16569个DNA碱基对。核基因组比线粒体大得多，由46条染色体组成，包含33亿个核苷酸。

基因编码→ 单数mtDNA染色体比核染色体短得多。它包含36个编码37种蛋白质的基因，所有这些蛋白质都是线粒体进行的代谢过程（如柠檬酸循环、ATP合成和脂肪酸代谢）中使用的特定蛋白质。核基因组要大得多，有20000-25000个基因编码其功能所需的所有蛋白质，其中也包括线粒体基因。作为半自治的细胞器，线粒体不能为自己的所有蛋白质编码。然而，它们可以编码22个tRNAs和2个rRNAs，这是nDNA所缺乏的能力。

功能性差异

翻译过程→ nDNA和mtDNA之间的翻译过程可能不同。nDNA遵循通用密码子模式，但mtDNA并不总是如此。一些线粒体编码序列（三重密码子）在翻译成蛋白质时不遵循通用密码子模式。例如，AUA编码线粒体中的蛋氨酸（不是异亮氨酸）。UGA还编码色氨酸（不是哺乳动物基因组中的终止密码子）6。

转录过程→ mtDNA中的基因转录是多顺反子的，这意味着mRNA是由编码许多蛋白质的序列组成的。对于核基因转录来说，这个过程是单顺反子的，在这个过程中形成的mRNA只有编码单个蛋白质的序列8。

基因组遗传→ 细胞核DNA是二倍体，这意味着它继承了母系和父系的DNA（母系和父系各有23条染色体）。然而，线粒体DNA是单倍体的，单个染色体是从母体一侧遗传下来的，不经历遗传重组9。

突变率→ 当nDNA经历基因重组时，它是父母DNA的洗牌，因此在从父母遗传给后代的过程中会发生改变。然而，由于mtDNA只是从母体遗传而来，在传播过程中没有改变，这意味着任何DNA的改变都来自突变。mtDNA的突变率远高于nDNA，一般小于0.3%10。

mtdna和ndna在科学中应用的差异

mtDNA和nDNA的不同结构和功能特性导致了它们在科学中应用的差异。由于mtDNA的突变率显著提高，它已被用作追踪**祖先和血统（母系血统）的有力工具。已经发展出的方法被用来追踪许多物种几百代的祖先，并且已经成为系统发育和进化生物学的主流。

由于突变率较高，线粒体DNA的进化速度远远快于核基因标记11。mtDNA所使用的编码有许多变异，这些变异源于突变，其中许多对它们的生物体无害。利用这种更高的突变率和这些无害的突变，科学家们确定了mtDNA序列，并对不同个体或物种的mtDNA序列进行了比较。

然后构建这些序列之间的关系网络，该网络提供了提取mtDNA的个体或物种之间关系的估计。这让我们了解了它们之间的密切关系和远缘关系——在它们的线粒体基因组中，相同的线粒体DNA突变越多，它们之间的关系就越密切。

由于nDNA的突变率较低，在系统发育领域的应用受到很大限制。然而，考虑到它对所有生物发育的遗传指令，科学家们已经认识到它在法医学中的用途。

每个人都有一个独特的基因蓝图，即使是同一对双胞胎。法医部门能够使用聚合酶链反应（PCR）技术，使用nDNA，来比较案件中的样本。这涉及到使用少量的nDNA复制分子13上被称为短串联重复序列（STR）的靶区。从这些可疑交易报告中，可以从证据项目中获得一个“概况”，然后可以将其与从涉案人员中提取的已知样本进行比较。

人类mtDNA也可以用来帮助使用法医鉴定个体，但是与nDNA不同的是，它不是特定于一个人的，但可以与其他证据（如人类学和间接证据）结合使用来确定身份。由于mtDNA在每个细胞中的拷贝数比nDNA多，因此它能够识别更小、受损或退化的生物样本14。每个细胞的mtDNA拷贝数比nDNA多，这也使得获得与活着的亲属相匹配的DNA成为可能，即使有许多母系世代将其与亲属的骨骼遗骸分开。

线粒体和细胞核DNA主要差异的表格比较