核酸

核酸是一类多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸。采用不同的降解法可以将核酸降解成核苷酸，核苷酸还可进一步分解成核苷和磷酸，核苷再进一步分解生成碱基（含 N 的杂环化合物）和戊糖。也就是说核酸是由核苷酸组成的，而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。

核酸中的碱基分两大类：嘌呤碱与嘧啶碱。核酸中的戊糖有两类：D－核糖和 D－2－脱氧核糖。核酸的分类就是根据核酸中所含戊糖种类不同而分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。

RNA 中的碱基主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。DNA 中的碱基主要也是四种，三种与 RNA 中的相同，只是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。两类核酸的基本化学组成见表 9－2。

表 9 － 2 两类核酸的基本化学组成

DNA 的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸即：脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸所组成。这四种核苷酸的排列顺序（序列）正是分子生物学家多年来要解决的问题。因为生物的遗传信息贮存于 DNA 的核苷酸序列中，生物界物种的多样性即寓于 DNA 分子四种核苷酸千变万化的不同排列之中。

核酸是遗传信息的携带者与传递者。核酸有着几乎多得无限的可能结构，而生物体的遗传特征就反映在 DNA 分子的结构上，即 DNA 的结构携带着遗传的全部信息，就是通常所说的 DNA 携带着遗传的密码。生物体的遗传信息以密码的形式编码在 DNA 分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA 的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自 DNA 转录给 RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。所谓复制，就是指以原来 DNA 分子为模板合成出相同分子的过程。所谓转录，就是在 DNA 分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的 RNA 的过程。而翻译则是在 RNA 的控制下，从 DNA 得来的核苷酸顺序合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。由于生命活动是通过蛋白体来表现，所以生物的遗传特征实际上是通过 DNA→RNA→蛋白质过程传递的， 就是遗传信息传递的中心法则，如图 9－8 所示。

1953 年，英国剑桥大学的 Watson 和 Crick 提出了著名的生物遗传物质DNA 分子的双螺旋模型，这是生命化学、乃至生物学中的重大里程碑。这一发现为遗传工程的发展奠定了理论基础。DNA 分子双螺旋结构模型如图 9－9 所示。

遗传工程从狭义上理解就是指 DNA 重组技术。即提取或合成不同生物的遗传物质（DNA），在体外切割、拼接和重新组合，然后通过载体将重组的DNA 分子引入受体细胞，使重组 DNA 在受体细胞中得以复制与表达。从遗传工程的概念看，遗传工程的直接目的就是改造生物，从而使其更好地为人类服务。例如，作为人类主要食物的谷类作物含有大量糖类，而人体所必需的蛋白质、氨基酸与维生素的含量却很少。有些微生物可以产生这些物质，用大规模发酵的方法培养微生物，进而提取这些物质，就可以进行工业化生产。采用 DNA 重组及细胞融合等技术改造了苏氨酸、色氨酸、赖氨酸等氨基酸的生产菌，与原始菌株相比，氨基酸的含量提高了几十倍，且生产成本下降。这些氨基酸产品广泛用于营养食品、助鲜及饲料添加剂等生产，从而部分代替了粮食产品。又如，生物固氮的遗传工程研究是一个令人神往的重要领域， 其目的就是培养出能自行供氮的作物。一切植物的生长都需要氮元素，大气中虽有 80%的氮气，但除了豆科植物外，都不能直接利用空气中的分子态的N2。与豆科植物根部共生的根瘤菌可以固定分子态氮并转化成能被植物吸收的状态。如果把根瘤菌的固氮基因转移到水稻、小麦、玉米等作物细胞中， 就有可能使这些作物直接利用空气中的氮，这不仅可提高产量，增加谷类作物的蛋白质含量，而且能大大节省化肥，从而降低生产成本，减轻环境污染。遗传工程研究的开展，将为解决人类面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等一系列重大问题开辟了新途径，也具有极大的经济潜力。