第五節(jié)
DNA取代RNA成為遺傳物質(zhì)

RNA用密碼子來儲存蛋白質(zhì)中氨基酸序列的信息，是生命發(fā)展過程中極其重要的一步。它不但能夠用這個信息指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，而且由于RNA能夠復(fù)制自己，還可以把這些信息傳給下一代的細(xì)胞，也就是作為遺傳物質(zhì)。但是RNA作為儲存信息的分子也有缺點，就是它在水中不是很穩(wěn)定的，會逐漸分解為組成它的核苷酸。而作為儲存信息和遺傳物質(zhì)的分子，應(yīng)該有高度的穩(wěn)定性。所以RNA分子需要改進，這就需要知道為什么RNA分子在水中不是很穩(wěn)定的。

每種核苷酸都由3個部分組成，分別是堿基、核糖和磷酸。4種核苷酸的核糖和磷酸部分都是一樣的，差別只是在堿基部分，分別是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。堿基和核糖連成的分子叫核苷（nucleoside），核苷再連上磷酸叫核苷酸（nucleotide）（參看圖1-11）。影響RNA分子穩(wěn)定的，主要是核糖上的自由羥基。

核糖（ribose）是5碳糖，骨架由5個碳原子線性相連組成，可以形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。在5個碳原子中，1、2、3、5位的碳原子上連有羥基。在這4個羥基中，1位的羥基在和堿基相連時被用掉，3位和5位的兩個羥基分別通過磷酸和上下兩個核苷酸的核糖相連，這樣就只剩下2位的羥基。這個自由的、還未使用的羥基就是核苷酸的“武器”，為RNA分子的催化能力所必需（圖2-12左）（參看圖1-13）。

但是正是因為它能夠活躍地參與化學(xué)反應(yīng)，它也能夠攻擊RNA自己，破壞把核苷酸連起來的磷酸二酯鍵，使核苷酸之間的聯(lián)系斷開（水解）。這是RNA分子在水中不是很穩(wěn)定的根本原因。如果這個自由羥基能夠被除掉，就相當(dāng)于敲掉了RNA分子催化化學(xué)反應(yīng)的“牙齒”，RNA分子就穩(wěn)定了。

在生物演化的過程中，為RNA分子“敲牙齒”的酶出現(xiàn)了，它就是核糖核苷酸還原酶（ribonucleotide reductase）。它可以把核苷酸中核糖上2位的羥基去掉，換為氫原子。這相當(dāng)于核糖失去了一個氧原子，由于這個原因，這個羥基被氫原子置換了的核糖就叫做脫氧核糖（deoxyribose，deoxy- 就是脫氧的意思）（見圖2-12右），含有脫氧核糖的核苷酸叫脫氧核苷酸（deoxynucleotide）。由脫氧核苷酸組成核酸就叫脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，簡稱DNA），DNA的名字就是這么來的。所以“脫氧”核糖核酸這個名稱并不是說DNA分子里面沒有氧原子，而是指里面每個核苷酸的核糖少了一個氧原子。細(xì)胞在合成DNA時，不是首先合成DNA的組成成分脫氧核苷酸，而是先合成RNA的組成成分核苷酸，再通過核苷酸還原酶把核苷酸變成脫氧核苷酸。這也支持RNA分子在先，DNA是由RNA演化而來的想法。RNA變?yōu)镈NA時，不僅核糖上的那個羥基被去掉了，核苷酸中的尿苷酸里的尿嘧啶也被胸腺嘧啶（thymine，用字母T代表）取代，所以脫氧胸苷酸取代了尿苷酸，成為DNA的組成成分。

DNA分子不但穩(wěn)定，也失去了催化的能力，只能“老老實實”地做儲存信息的分子。DNA分子有多穩(wěn)定，可以從下面的例子看出來。人類有一個近親，叫做尼安德特人（Neanderthals，以最初發(fā)現(xiàn)他們化石的德國地名Neaderthal命名），大約在3萬年前滅絕。從一個13萬年前尼安德特人留下來的腳趾的趾骨，科學(xué)家提取了DNA樣品，并且從這個樣品測定了尼安德特人的全部DNA序列。這說明經(jīng)過13萬年的時間，尼安德特人的DNA分子仍然基本完整！

DNA分子的穩(wěn)定除了是由于核糖上的羥基被去除掉以外，還和DNA雙螺旋（DNA double helix）結(jié)構(gòu)有關(guān)。RNA分子要執(zhí)行各種生理功能，是以單鏈形式存在于細(xì)胞中的。它通過分子內(nèi)部堿基的配對（A和U彼此結(jié)合，C和G彼此結(jié)合）形成各種三維結(jié)構(gòu)（見圖1-12和圖2-11）。DNA的作用只是儲存信息，就沒有必要再形成只有單鏈分子才能形成的各種三維結(jié)構(gòu)。在原核生物演化的過程中，還出現(xiàn)了一種酶，叫DNA聚合酶（DNA polymerase）。它可以用單鏈DNA為模板，合成另一條DNA鏈。這條新DNA鏈中的堿基和原來那條DNA鏈對應(yīng)位置上的堿基是互補的：原來是堿基A的地方，新鏈?zhǔn)菈A基T，原來是C的地方，新鏈?zhǔn)荊。新的DNA單鏈被合成后，并不像新合成的RNA分子那樣和模板分子分開，而是通過A-T和C-G堿基配對而和模板DNA鏈結(jié)合在一起，彼此纏繞成為DNA雙螺旋（圖2-13）。

從第一章第四節(jié)可以知道，堿基配對在RNA分子中就出現(xiàn)了，功能是使RNA分子形成各種三維結(jié)構(gòu)。DNA只是繼承了RNA分子的這個特性，改用來形成雙螺旋，所以堿基配對并不是DNA分子的發(fā)明，也不是DNA分子出現(xiàn)后才出現(xiàn)的。

雙螺旋的形狀就像一根長長的麻花, 所有的堿基配對都發(fā)生在兩條鏈之間，即“麻花”的中心部位。由于核苷酸里面的堿基的形狀都是平面的，而且在性質(zhì)上是親脂的，DNA形成雙螺旋還有一個后果，就是這些堿基可以像薄片一樣彼此疊在一起，通過色散力結(jié)合，進一步增加了DNA雙螺旋的穩(wěn)定性。而在RNA分子中，由于單鏈的RNA會在分子的不同區(qū)段之間進行堿基配對，形成各種三維結(jié)構(gòu)，這樣的堿基重疊就不容易發(fā)生。有了這些原因，在水溶液中的DNA雙螺旋就是非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，要加熱到90℃以上才能把兩條鏈分開，所以非常有利于作為儲存信息的分子。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是英國科學(xué)家華生（James D. Watson）和克里克（Francis Crick）于1953年發(fā)現(xiàn)的，他們也因此獲得了1962年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎。

不過這樣的DNA雙螺旋也有一個問題，就是DNA的末端。像由多股線編成的繩子一樣，在末端這兩股鏈容易分開。為了解決這個難題，原核生物的DNA是環(huán)狀的，無始無終，也就沒有末端的問題。

DNA鏈的方向性

在DNA的雙螺旋中，兩條DNA鏈的方向是相反的。DNA單鏈?zhǔn)怯擅撗鹾塑账峋€性相連組成的，方向性是怎么來的呢？原來DNA鏈中的磷酸根，是分別與兩個脫氧核糖分子上面第5位和第3位的羥基相連的。在圖2-13中圖的左下，第一個脫氧核糖是用它的5位羥基和磷酸根相連，所以它第3位碳原子上的羥基沒有被使用，是完整的。左上的核糖只用了它第3位碳原子上的羥基和鏈中的磷酸根相連，成為DNA鏈的末端，而它5位羥基相連的磷酸根不再與脫氧核糖相連，是“自由”的。這樣，由脫氧核苷酸組成的DNA鏈就有了方向性。具有第3位自由羥基的那一端就叫做3′端（3′terminal），而含有自由磷酸根的那一端就是5′端（5′terminal）。

其實DNA單鏈的方向源自RNA分子。核苷酸在彼此相連成為RNA的線性分子時，就是5位羥基上的磷酸和另一個核苷酸上3位的羥基相連，所以就已經(jīng)有5′端和3′端。DNA中單鏈分子的方向，是從RNA分子那里繼承過來的。

在合成DNA單鏈時，是新的脫氧核苷酸上的磷酸與DNA鏈3′端的自由羥基相連，所以DNA的合成是向3′方向延長。DNA的雙螺旋中，如果從同一頭看起，一條DNA鏈的方向是從5′到3′，另一條DNA鏈的方向則是從3′到5′。DNA在復(fù)制自己時，用作模板的DNA鏈?zhǔn)菑?′到5′方向被復(fù)制，而新合成的DNA則按從5′到3′的方向被延長（圖2-14上）。

原核生物上的細(xì)胞在分裂前，DNA的兩條鏈分開，各自作為模板，合成新的DNA鏈。新合成的DNA鏈和作為模板的DNA鏈結(jié)合在一起，就形成了兩份DNA雙螺旋，分別進入兩個“子”細(xì)胞。這樣，DNA不僅可以作為儲存信息的分子，還可以通過復(fù)制把信息傳給下一代，因而也可以作為遺傳物質(zhì)。生物的遺傳信息，是通過DNA傳給后代的。

DNA分子中的信息如何轉(zhuǎn)移回RNA呢？這就要靠一種叫做RNA聚合酶（RNA polymerase）的蛋白質(zhì)。它以單鏈DNA為模板，合成RNA分子，類似于DNA復(fù)制時的情形。新RNA鏈的合成也是從5′端開始，向3′的方向延長（圖2-14下）。DNA中的兩條鏈中，含有為蛋白質(zhì)編碼序列的鏈叫做“正鏈”，和正鏈互補的那條鏈叫“負(fù)鏈”。在合成RNA分子時，是以負(fù)鏈為模板，這樣合成出來的RNA才有和正鏈相同的核苷酸序列。這樣，DNA分子中為蛋白質(zhì)編碼的信息就被轉(zhuǎn)移到RNA分子上，用來在核糖體中指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。這就是現(xiàn)代分子生物學(xué)中經(jīng)典的DNA—RNA—蛋白質(zhì)信息傳遞鏈。其實在DNA出現(xiàn)之前，為蛋白質(zhì)編碼的RNA分子就已經(jīng)存在了，而且直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的分子，所以它本來是DNA的“祖宗”，現(xiàn)在不過是信息在DNA那里轉(zhuǎn)了一圈，又回到RNA分子而已。

用蛋白質(zhì)取代RNA的大部分催化功能，用DNA取代RNA儲存信息的功能，DNA、RNA和蛋白質(zhì)這三種分子之間的分工合作，形成了完美的信息儲存、傳遞和執(zhí)行系統(tǒng)。這是原核生物的功勞，地球上所有的生物，包括人類自己，都一直在使用這個系統(tǒng)。