【正文】 第二章 核酸的結(jié)構(gòu)和功能 20世紀(jì) 50年代初，核酸是遺傳物質(zhì)得到公認(rèn)。1953年 Watson和 Crick提出 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，從此，核酸的研究成了生命科學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一。分子生物學(xué)和分子遺傳學(xué)等新興學(xué)科隨之興起，極大地推動(dòng)了生命科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。 對(duì)核酸結(jié)構(gòu)和功能的深入研究，和一系列工具酶的使用，推動(dòng)了分子生物學(xué)各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展?；虻膹?fù)制和轉(zhuǎn)錄，分子雜交和基因芯片， DNA序列的測(cè)定，基因的克隆和表達(dá)，基因表達(dá)的調(diào)控等均以核酸結(jié)構(gòu)和功能的研究為基礎(chǔ)。因此，對(duì)生命科學(xué)工作者而言，掌握核酸的結(jié)構(gòu)和功能是至關(guān)重要的。 DNA是主要的遺傳物質(zhì) 1869年 Miescher從細(xì)胞核中分離出含磷很高的酸性化合物，稱為核素(nuclein)， 1889年 Altman制備了不含蛋白質(zhì)的核酸制品，命名為 核酸 (nucleic acid) 。 Miescher在 1892年曾推測(cè)核酸可能是遺傳物質(zhì)，但遺憾的是 1940年代之前，這一推論未能得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，也未得到學(xué)術(shù)界的重視。 1910年 Kossel證明核酸的主要成分是核糖、磷酸和堿基， 1924年 Feulgen根據(jù)核酸所含核糖的結(jié)構(gòu)差別，將核酸分為 核糖核酸 (ribonucleic acid, RNA)和 脫氧核糖核酸 (deoxyribonucleic acid, DNA)。 Kossel的學(xué)生 Levene于 1909年發(fā)現(xiàn)酵母的核酸含有核糖， 1929年發(fā)現(xiàn)核酸中的堿基主要是腺膘呤、鳥膘呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶，并證明堿基、核糖、磷酸可以組成核苷酸，核酸則是由核苷酸組成的。1930年 Levene發(fā)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞的核酸含有一種特殊的核糖即脫氧核糖 , 得出了一個(gè)錯(cuò)誤概念 : 植物核酸含核糖，動(dòng)物核酸含脫氧核糖。這個(gè)錯(cuò)誤概念一直延續(xù)到 1938年，這時(shí)方清楚 RNA和 DNA的區(qū)別。 Levene還提出了核酸的“磷酸 核糖 (堿基 )磷酸”的骨架結(jié)構(gòu) , 解決了 DNA分子的線性問題 , 并于 1935年提出“ 四核苷酸 ”學(xué)說 , 認(rèn)為這四種核苷酸的聚合體是構(gòu)成核酸的基本單位，這一觀點(diǎn)當(dāng)時(shí)得到了廣泛認(rèn)同，一度阻礙了對(duì)核酸的研究工作。 20世紀(jì) 50年代以前，盡管已證明了生物體普遍含有 DNA和RNA，但由于四核苷酸假說的影響，核酸的研究未能引起足夠重視。 1943年 Chargaff等證明 DNA中 4種堿基的比例并不相等，四核苷酸假說開始受到質(zhì)疑。 1944年 Avery重做 1928年Griffith的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，從有致病能力的有莢膜細(xì)菌分離蛋白質(zhì)和 DNA，分別加到無(wú)莢膜細(xì)菌 (無(wú)致病能力 )的培養(yǎng)液中，發(fā)現(xiàn)有莢膜細(xì)菌的 DNA，可以使無(wú)莢膜細(xì)菌轉(zhuǎn)化為有莢膜細(xì)菌，而蛋白質(zhì)沒有這種作用，說明 DNA是遺傳物質(zhì)。 The AveryMacLeodMcCarty experiment. When injected into mice, the encapsulated strain of pneumococcus is lethal, whereas the nonencapsulated strain, like the heatkilled encapsulated strain, is harmless. Earlier research by the bacteriologist Frederick Griffith had shown that adding heatkilled virulent bacteria (harmless to mice) to a live nonvirulent strain permanently transformed the latter into lethal, virulent, encapsulated bacteria. Avery and his colleagues extracted the DNA from heatkilled virulent pneumococci, removing the protein as pletely as possible, and added this DNA to nonvirulent bacteria. The DNA gained entrance into the nonvirulent bacteria, which were permanently transformed into a virulent strain. 但由于四核苷酸假說的影響，這一結(jié)果一度受到質(zhì)疑，理由是： （ 1）因認(rèn)為蛋白相對(duì)分子質(zhì)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，二十種氨基酸的排列組合將是個(gè)天文數(shù)字，可作為一種遺傳信息。而 DNA相對(duì)分子質(zhì)量小，只含 4種不同的堿基，人們一度認(rèn)為不同種的有機(jī)體的核酸只有微小的差異。 （ 2）認(rèn)為轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中 DNA并未能提得很純，還附有其它物質(zhì)。 （ 3）即使轉(zhuǎn)化因子確實(shí)是 DNA，但也可能 DNA只是對(duì)莢膜形成起著直接的化學(xué)效應(yīng)，而不是充當(dāng)遺傳信息的載體。 Avery的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，加入蛋白酶和去除脂類并不影響 DNA引起的轉(zhuǎn)化作用，排除了上述質(zhì)疑，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。 1952年 Hershey和 Chase分別用 35S標(biāo)記噬菌體 T2的蛋白質(zhì)，用 32P標(biāo)記噬菌體 T2的 DNA，然后感染大腸桿菌，說明噬菌體的 DNA進(jìn)入細(xì)菌后，合成了由其編碼的外殼蛋白質(zhì)，進(jìn)一步證明 DNA是遺傳物質(zhì)，其實(shí)驗(yàn)的過程如圖 21所示。 The HersheyChase experiment. Two batches of isotopically labeled bacteriophage T2 particles were prepared. One was labeled with 32P in the phosphate groups of the DNA, the other with 35S in the sulfurcontaining amino acids of the protein coats (capsids). (Note that DNA contains no sulfur and viral protein contains no phosphorus.) The two batches of labeled phage were then allowed to infect separate suspensions of unlabeled bacteria. Each suspension of phageinfected cells was agitated in a blender to shear the viral capsids from the bacteria. The bacteria and empty viral coats (called ―ghosts‖) were then separated by centrifugation. The cells infected with the 32Plabeled phage were found to contain 32P, indicating that the labeled viral DNA had entered the cells。 the viral ghosts contained no radioactivity. The cells infected with 35Slabeled phage were found to have no radioactivity after blender treatment, but the viral ghosts contained 35S. Progeny virus particles (not shown) were produced in both batches of bacteria some time after the viral coats were removed, indicating that the geic message for their replication had been introduced by viral DNA, not by viral protein. 現(xiàn)已證明，除少數(shù)病毒以 RNA為遺傳物質(zhì)外， 多數(shù)生物體的遺傳物質(zhì)是 DNA。原核生物的染色體是由一個(gè)環(huán)狀DNA分子和少量蛋白質(zhì)構(gòu)成的，真核生物的染色體則是由DNA和約等量的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。此外，原核生物含有較小的質(zhì)粒 DNA，真核生物的線粒體、葉綠體等細(xì)胞器也含有較小的 DNA，細(xì)胞器 DNA約占真核生物 DNA總量的 5%。不同生物體中 DNA的結(jié)構(gòu)差別 (或 RNA病毒中 RNA的結(jié)構(gòu)差別 )，決定了其所含蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量有所差別，因而表現(xiàn)出不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝類型。 RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，核內(nèi) RNA只占 RNA總量的約 10%。 RNA的主要作用是從 DNA轉(zhuǎn)錄遺傳信息，并指導(dǎo)蛋白質(zhì)的生物合成。此外，近些年發(fā)現(xiàn)不少小分子 RNA有重要的調(diào)節(jié)功能和催化功能。 核酸的組成成分 核酸可以水解成核苷酸，核苷酸可以水解成磷酸和核苷，核苷可以水解成戊糖和堿基，堿基可以分成多種類型。 戊糖 RNA和 DNA兩類核酸是因所含的戊糖不同而分類的， RNA含 D核糖， DNA含 D2脫氧核糖 。某些 RNA中含有少量的 D2O甲基核糖，即核糖的第 2個(gè)碳原子上的羥基已被甲基化， D核糖和 D2脫氧核糖的結(jié)構(gòu)式如圖 22所示。 Conformations of ribose. In solution, the straightchain (aldehyde) and ring (furanose) forms of free ribose are in equilibrium. RNA contains only the ring form, Dribofuranose. Deoxyribose undergoes a similar interconversion in solution, but in DNA exists solely as 2180。deoxyDribofuranose. 在核酸中，戊糖的第一位與堿基形成糖苷鍵，形成的化合物稱核苷。在核苷中，戊糖中的原子編號(hào)改為 139。， 239。， 339?！?，以區(qū)別于各堿基雜環(huán)中的原子編號(hào)。核糖和脫氧核糖均為 βD型呋喃糖，通常糖環(huán)的 4個(gè)原子處于同一平面，另一個(gè)原子偏離平面，若突出的原子偏向 C539。一側(cè)，稱 內(nèi)式 (endo)，若偏向另一側(cè)則稱之為 外式 (exo)。 DNA中的核糖通常為 C339。內(nèi)式，或C239。內(nèi)式 (圖 23) 核酸中的堿基有 嘌呤和嘧啶 兩大類，圖 24中嘌呤環(huán)和嘧啶環(huán)中各原子的編號(hào)是目前國(guó)際上普遍采用的統(tǒng)一編號(hào)。 DNA和 RNA均含有腺嘌呤和鳥嘌呤 (圖 24)，但二者所含的嘧啶堿有所不同， RNA主要含胞嘧啶和尿嘧啶， DNA則含胞嘧啶和胸腺嘧啶(5甲基尿嘧啶，圖 25 ，圖 26)。 某些類型的 DNA含有比較少見的特殊堿基，稱 稀有堿基 。如小麥胚 DNA含有較多的 5甲基胞嘧啶，在某些噬菌體(細(xì)菌病毒 )中含有 5羥甲基胞嘧啶。稀有堿基是主要堿基經(jīng)過化學(xué)修飾生成的，因此也可稱作 修飾堿基 。在一些核酸中還存在少量的其它修飾堿基，如次黃嘌呤、