The Structure and Function of Nucleic Acid

　　1868年，瑞士的內(nèi)科醫(yī)生Friedrich Miescher從外科醫(yī)院包扎傷口的繃帶上的膿細(xì)胞核中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，將其稱為核質(zhì)（nuclein）；后來他又從鯖魚精子中分離出類似的物質(zhì)，并指出它是由一種堿性蛋白質(zhì)與一種酸性物質(zhì)組成的，此酸性物質(zhì)即是現(xiàn)在所知的核酸（nucleic acid）。1944年Oswald Avery，Colin Macleod和Maclyn McCarty發(fā)現(xiàn)，一種有夾膜、具致病性的肺炎球菌中提取的核酸桪NA（deoxyribonucleic acid，脫氧核糖核酸），可使另一種無夾膜，不具致病性的肺炎球菌的遺傳性狀發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變?yōu)橛袏A膜，具致病性的肺炎球菌，且轉(zhuǎn)化率與DNA純度呈正相關(guān)，若將DNA預(yù)先用DNA酶降解，轉(zhuǎn)化就不發(fā)生。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)徹底糾正了蛋白質(zhì)攜帶遺傳信息這一錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，確立了核酸是遺傳物質(zhì)的重要地位；DNA遺傳作用的進(jìn)一步肯定來自Alfred Hershey和Martha Chase對(duì)一個(gè)感染大腸桿菌的病毒的研究。即用放謝性同位素32P標(biāo)記噬菌體DNA，35S標(biāo)記其蛋白質(zhì)外殼，再用標(biāo)記的噬菌體去感染培養(yǎng)的大腸桿菌，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)，使細(xì)菌生長(zhǎng)、繁殖發(fā)生變化的是32P標(biāo)記的DNA，而不是35S標(biāo)記的蛋白質(zhì)，并且新繁殖生成的噬菌體不含?35S，只含32P.1953年Watson和Crick創(chuàng)立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，不僅闡明了DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，而且提出了DNA作為執(zhí)行生物遺傳功能的分子，從親代到子代的DNA復(fù)制（replication）過程中，遺傳信息的傳遞方式及高度保真性，為遺傳學(xué)進(jìn)入分子水平奠定了基礎(chǔ)，成為現(xiàn)代分子生物學(xué)發(fā)展史上最為輝煌的里程碑。后來的研究又發(fā)現(xiàn)了另一類核酸桼NA（ribonucleic acid，核糖核酸），RNA在遺傳信息的傳遞中起著重要的作用。從此，核酸研究的進(jìn)展日新月異，如今，由核酸研究而產(chǎn)生的分子生物學(xué)及其基因工程技術(shù)已滲透到醫(yī)藥學(xué)、農(nóng)業(yè)、化工等領(lǐng)域的各個(gè)學(xué)科，人類對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的天地。

　　第一節(jié)　核酸的化學(xué)組成

　　核酸是生物體內(nèi)的高分子化合物，包括DNA和RNA兩大類。

　　一、元素組成

　　組成核酸的元素有C、H、O、N、P等，與蛋白質(zhì)比較，其組成上有兩個(gè)特點(diǎn)：一是核酸一般不含元素S，二是核酸中P元素的含量較多并且恒定，約占9～10%.因此，核酸定量測(cè)定的經(jīng)典方法，是以測(cè)定P含量來代表核酸量。

　　二、化學(xué)組成與基本單位

　　核酸經(jīng)水解可得到很多核苷酸，因此核苷酸是核酸的基本單位。核酸就是由很多單核苷酸聚合形成的多聚核苷酸。核苷酸可被水解產(chǎn)生核苷和磷酸，核苷還可再進(jìn)一步水解，產(chǎn)生戊糖和含氮堿基（圖15－1）。

　　核苷酸中的堿基均為含氮雜環(huán)化合物，它們分別屬于嘌呤衍生物和嘧啶衍生物。核苷酸中的嘌呤堿（purine）主要是鳥嘌呤（guanine，G）和腺嘌呤（adenine，A），嘧啶堿（pyrimidine）主要是胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）。DNA和RNA都含有鳥嘌呤（G）、腺嘌呤（A）和胞嘧啶（C）；胸腺嘧啶（T）一般而言只存在于DNA中，不存在于RNA中；而尿嘧啶（U）只存在于RNA中，不存在于DNA中。它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見圖示。

　　核酸中五種堿基中的酮基和氨基，均位于堿基環(huán)中氮原子的鄰位，可以發(fā)生酮式一烯醇式或氨基?亞氨基之間的結(jié)構(gòu)互變。這種互變異構(gòu)在基因的突變和生物的進(jìn)化中具有重要作用。

　　有些核酸中還含有修飾堿基（modified component），（或稀有堿基，unusual com ponent），這些堿基大多是在上述嘌呤或嘧啶堿的不同部位甲基化（methylation）或進(jìn)行其它的化學(xué)修飾而形成的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少，在各種類型核酸中的分布也不均一。DNA中的修飾堿基主要見于噬菌體DNA，如5-甲基胞嘧啶（m5C），5-羥甲基胞嘧啶hm5C；RNA中以tRNA含修飾堿基最多，如1-甲基腺嘌呤（m1A），2，2一二甲基鳥嘌呤（m22G）和5，6-二氫尿嘧啶（DHU）等。

　　嘌呤和嘧啶環(huán)中含有共軛雙鍵，對(duì)260nm左右波長(zhǎng)的紫外光有較強(qiáng)的吸收。堿基的這一特性常被用來對(duì)堿基、核苷、核苷酸和核酸進(jìn)行定性和定量分析。

　　核酸中的戊糖有核糖（ribose）和脫氧核糖（deoxyribose）兩種，分別存在于核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸中。為了與堿基標(biāo)號(hào)相區(qū)別，通常將戊糖的C原子編號(hào)都加上“′”，如C1′表示糖的第一位碳原子。

　　戊糖與嘧啶或嘌呤堿以糖苷鍵連接就稱為核苷，通常是戊糖的C1′與嘧啶堿的N1或嘌呤堿的N9相連接。

　　核苷中戊糖的羥基與磷酸以磷酸酯鍵連接而成為核苷酸。生物體內(nèi)的核苷酸大多數(shù)是核糖或脫氧核糖的C5′上羥基被磷酸酯化，形成5′核苷酸。核苷酸在5′進(jìn)一步磷酸化即生成二磷酸核苷和三磷酸核苷。以核糖腺苷酸為例，除AMP外，還有二磷酸腺苷（ADP，adenosine 5′－diphosphate）和三磷酸腺苷（ATP，adenosine 5′-triphosphate）兩種形式。核苷酸的二磷酸酯和三磷酸酯多為核苷酸有關(guān)代謝的中間產(chǎn)物或者酶活性和代謝的調(diào)節(jié)物質(zhì)，以及作為核苷酸有關(guān)代謝的中間產(chǎn)物或者酶活性和代謝的調(diào)節(jié)物質(zhì)，以及作為生理儲(chǔ)能和供能的重要形式。

　　核苷酸還有環(huán)化的形式。它們主要是3′，5′－環(huán)化腺苷酸（cAMP，adenosine 3′，5′－cyclicmonophosphate）和3′，5′－環(huán)化鳥苷酸（cGMP，guanosine 3′，5′－cyclic monophosphate），化學(xué)結(jié)構(gòu)如下。環(huán)化核苷酸在細(xì)胞內(nèi)代謝的調(diào)節(jié)和跨細(xì)胞膜信號(hào)中起著十分重要的作用。

表15－1　核苷酸及相應(yīng)的核苷、堿基名稱中英文對(duì)照表