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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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
核苷酸 | 核苷 | 堿基 |
腺苷酸(AMP) | 腺苷 | 腺嘌呤(A) |
adenosine monophosphate | adenosine | adenine |
脫氧腺苷酸(dAMP) | 脫氧腺苷 | |
deoxydenosine monophosphate | deoxyadenosine | |
鳥苷酸(GMP) | 鳥苷 | 鳥嘌呤(G) |
guanosine monophosphate | guanosine | guanine |
脫氧鳥苷酸(dGMP) | 脫氧鳥苷 | |
deoxyguanosine monophosphate | deoxyguanosine | |
胞苷酸(CMP) | 胞苷 | 胞嘧啶(C) |
cytidine monophosphate | cytidine | cytosine |
胞氧胞苷酸(dCMP) | 脫氧胞苷 | |
deoxycytidine monophosphate | deoxycytidine | |
胸苷酸(TMP/dTMP) | 胸苷 | 胸腺嘧啶(T) |
thymidine monophate | thymidine | thymine |
尿苷酸(UMP) | 尿苷 | 尿嘧啶(U) |
uridine monophosphate | uridine | uracil |