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（nuclein）；后來他又從鯖魚精子中分離出類似的物質，并指出它是由一種堿性蛋白質與一種酸性物質組成的，此酸性物質即是現(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，轉變?yōu)橛袏A膜，具致病性的肺炎球菌，且轉化率與DNA純度呈正相關，若將DNA預先用DNA酶降解，轉化就不發(fā)生。該項實驗徹底糾正了蛋白質攜帶遺傳信息這一錯誤認識，確立了核酸是遺傳物質的重要地位；DNA遺傳作用的進一步肯定來自Alfred Hershey和Martha Chase對一個感染大腸桿菌的病毒的研究。即用放謝性同位素32P標記噬菌體DNA，35S標記其蛋白質外殼，再用標記的噬菌體去感染培養(yǎng)的大腸桿菌，結果發(fā)現(xiàn)進入細菌體內(nèi)，使細菌生長、繁殖發(fā)生變化的是32P標記的DNA，而不是35S標記的蛋白質，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雙螺旋結構模型，不僅闡明了DNA分子的結構特征，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復制（replication）過程中，遺傳信息的傳遞方式及高度保真性，為遺傳學進入分子水平奠定了基礎，成為現(xiàn)代分子生物學發(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，核酸研究的進展日新月異，如今，由核酸研究而產(chǎn)生的分子生物學及其基因工程技術已滲透到醫(yī)藥學、農(nóng)業(yè)、化工等領域的各個學科，人類對生命本質的認識進入了一個嶄新的天地。

　　第一節(jié)　核酸的化學組成

　　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，與蛋白質比較，其組成上有兩個特點：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，核酸定量測定的經(jīng)典方法，是以測定P含量來代表核酸量。

　　二、化學組成與基本單位

　　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。它們的化學結構請參見圖示。

　　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?亞氨基之間的結構互變。這種互變異構在基因的突變和生物的進化中具有重要作用。

　　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）或進行其它的化學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260nm左右波長的紫外光有較強的吸收。堿基的這一特性常被用來對堿基、核苷、核苷酸和核酸進行定性和定量分析。

　　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。為了與堿基標號相區(qū)別，通常將戊糖的C原子編號都加上“′”，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代謝的中間產(chǎn)物或者酶活性和代謝的調(diào)節(jié)物質，以及作為核苷酸有關代謝的中間產(chǎn)物或者酶活性和代謝的調(diào)節(jié)物質，以及作為生理儲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），化學結構如下。環(huán)化核苷酸在細胞內(nèi)代謝的調(diào)節(jié)和跨細胞膜信號中起著十分重要的作用。

表15－1　核苷酸及相應的核苷、堿基名稱中英文對照表