比較行星學

[拼音]：tuoyanghetang hesuan

[英文]：deoxyribonucleic acid

由成千上萬個脫氧核苷酸通過磷酸二酯鍵連線而成的一類核酸。因含脫氧核糖而得名，簡稱DNA(見彩圖)。

它是染色體的主要成分。此外，真核生物的線粒體和葉綠體中也含有 DNA，原核生物的質粒全由DNA構成。在不含核糖核酸(RNA)的病毒和噬菌體中，其核酸都是DNA。

除了RNA病毒和噬菌體外，DNA是所有生物的遺傳物質基礎。生物體親子之間的相似性和繼承性即所謂遺傳資訊都貯存在 DNA分子中。1944年O.T.埃弗裡等人從帶莢膜光滑菌落的Ⅲ型肺炎球菌抽提出DNA，加到不帶莢膜粗糙菌落的肺炎球菌培養基中，使後者轉化為帶莢膜光滑菌落的Ⅲ型肺炎球菌，並證明這種轉化能力不能為蛋白水解酶或核糖核酸酶破壞，但若用脫氧核糖核酸酶處理，就失去轉化能力。1952年A.D.赫爾希和M.蔡斯用同位素分別標記（32P標記DNA，35S標記蛋白質）的T2噬菌體感染大腸桿菌，發現只有DNA進入細菌體內，蛋白質則留在體外。新生成的噬菌體也只含有32P而不帶35S，進一步證實DNA是遺傳資訊的載體。

大小和形狀

最小的如病毒和噬菌體 DNA，分子量d也在百萬以上，大腸桿菌的DNA分子量為2.5×109，人的DNA為1.5×1012。DNA的大小還可以所含鹼基對數目和分子長度來表示，如猴腎病毒40的DNA含有5100鹼基對，其分子長為1.7微米，即長度為1微米的DNA相當於3000鹼基對，其分子量為3000×660或2×106（每一鹼基對分子量以660計）。

DNA分子大多是線性，不分枝，如真核生物染色體中的DNA；有些是環狀分子，如大腸桿菌的DNA，線粒體DNA，葉綠體DNA和一些病毒DNA等。絕大多數DNA是雙鏈，只有少數噬菌體和病毒DNA是單鏈，如ΦX174的DNA是環狀單鏈分子。

鹼基組成

由脫氧腺苷酸、脫氧鳥苷酸、脫氧胸苷酸和脫氧胞苷酸等脫氧核苷酸所組成。其中腺、鳥即腺嘌呤（A）和鳥嘌呤(G);胸、胞即胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。測定這4種鹼基的克分子比也就代表了4種脫氧核苷酸的克分子比。分析了許多不同生物材料，如人肝、牛胸腺、麥胚、酵母、大腸桿菌等的DNA中鹼基的克分子比，發現嘌呤鹼克分子含量和嘧啶鹼克分子含量近似相等，腺嘌呤克分子含量和胸腺嘧啶克分子含量近似相等，鳥嘌呤克分子含量和胞嘧啶克分子含量近似相等（在單鏈的 DNA中沒有這些規律）。例如酵母中鳥嘌呤、腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶的克分子百分數分別為18.3，31.7，17.4，32.6。此外還發現每一種生物DNA的鹼基比例都是恆定的，不因年齡、生長條件、環境因素而有變化，而且在高等生物中，不同器官和不同組織的DNA都含有相同的鹼基組成。此外，每個生物DNA的腺＋胸與鳥＋胞的比例各異，在細菌中這個比例的範圍很廣，例如藤黃疊球菌為0.35，產氣梭狀芽孢桿菌為 2.7。但在高等生物中，這個變化就較小，動物一般為13～1.5，植物為1.1～1.7。

一級結構

也稱化學結構，即核苷酸的排列順序。至1983年中期已經測定了許多種含幾千個核苷酸的 DNA的一級結構，主要有病毒、噬菌體、質粒和某些基因的DNA。幾萬對核苷酸的DNA如人的線粒體DNA，牛線粒體DNA和λ噬菌體DNA的一級結構也已測出。這樣迅速的發展，是由於：

（1）發現了限制性核酸內切酶，從而可以把大分子DNA在特定的部位切成許多片段，再分別進行結構測定；

（2）測定方法有很大進展，特別是化學降解法（用特殊的化學試劑專一性地作用於A、G、C、T）和末端終止法（用2＇，3＇-雙脫氧核苷三磷酸代替正常的3＇-脫氧核苷三磷酸以使 DNA鏈在酶促合成時停止延伸）起了很大作用；

（3）運用重組DNA的方法獲得大量的純DNA；

（4）新技術的應用，如用高比放射性的32P同位素標記DNA片段，使樣品大為節省；又如用電子計算機幫助排列各酶解片段的先後。中國學者洪國藩在此基礎上，於1982年又創造出一種系統地非隨機測定法，進一步提高了效率。

高階結構

1953年，J.D.沃森和F.H.C.克里克根據DNA分子中鹼基組成的規律性，DNA的X射線衍射圖譜以及其他一些實驗結果，提出了DNA的雙螺旋模型（見脫氧核糖核酸雙螺旋）。

這個模型的特徵是：

（1）DNA由兩條多核苷酸鏈構成，這兩條鏈的方向相反，即一條鏈的5'-末端和另一條鏈的3'-末端相對應，兩條鏈都以右手螺旋方式盤繞同一中心軸成雙螺旋結構，這樣的旋轉形成了大溝和小溝；

（2）脫氧核糖和磷酸形成的骨架在外側，鹼基在雙螺旋內側，兩兩配對，A對T，G對C，T對A，C對G，配對鹼基之間以氫鍵聯絡，從而使兩條多核苷酸鍊形成固定的關係。此外，堆集鹼基之間的疏水作用也有助於維持 DNA的雙鏈結構。由於DNA兩條鏈的鹼基具有嚴格的配對關係，通常叫它們為互補鏈，如果一條鏈的核苷酸順序弄清楚了，另外一條鏈上的核苷酸順序也就一目瞭然；

（3）每對鹼基處於同一平面，而和中心軸垂直，不同鹼基對的平面互相平行，相鄰兩平面的間距為3.4埃，螺旋每轉一圈的螺距為3.4埃，所以每一圈螺旋含10對鹼基，螺旋的直徑為20埃。DNA的雙螺旋結構有3種，即A型，B型和C型，在生物體內和溶液中最常見的為B型，就是具有上述各種特徵的一種型別。A型和C型與B型類似，但有微小差異（見表）。

1979年以來對人工合成的dCpGpCpGpCpGp，dpCpGpCpG晶體和聚d(GC)纖維進行X射線衍射研究，發現這些化合物為左旋結構，被命名為Z型DNA。其他嘌呤和嘧啶相間的DNA片段也具有Z型的左旋結構。Z型DNA比B型DNA細而長，鹼基對偏離軸心，靠近雙螺旋的外側，呈現一種比較暴露的狀態，可能較易受外來因素的影響。Z型DNA還能在異體動物體內誘生抗體，用Z型DNA抗體進行實驗，發現它能和天然DNA結合，說明天然DNA分子中有Z型DNA的結構。

DNA還有三級結構，如超螺旋結構，由雙螺旋鏈扭曲而成。在原核生物內長1毫米的 DNA鏈能壓縮在直徑1微米的細胞內就是這種盤旋扭曲的結果。在真核生物細胞染色體上，DNA鏈與組蛋白組成核小體，在電子顯微鏡下呈念珠狀，在一根長絲上附著很多小球，小球直徑100埃左右，由長約140鹼基對的DNA繞在由組蛋白H2A，H2B，H3和H4各兩分子組成的八聚體蛋白質核心外面，小球之間為細絲，由DNA和組蛋白H1構成。核小體進一步旋繞摺疊壓縮而成染色質（見染色體）。

變性和復性

使剛性的 DNA雙鏈解開成易於柔折的單鏈的現象叫做變性。凡能破壞氫鍵和改變堆集鹼基的疏水性的試劑和條件，都能使DNA變性，如尿素、甲醯胺等試劑，酸或鹼，以及加熱等。隨著變性，DNA出現一系列性質的變化，如紫外光吸收的增加即增色效應，旋光的減低，粘度的下降，沉降速度增加，浮力密度上升等。由於GC之間可以形成3個氫鍵，AT之間只能形成2個氫鍵，所以DNA分子中G+C的克分子含量愈高，變性愈難。利用DNA變性後的增色效應研究變性過程是最常用的手段。以溫度對紫外光吸收作圖得一 S形曲線，在一個相當窄的溫度範圍內，增色效應有一個跳躍，類似於結晶的融化。使50％的DNA變性的溫度就叫做DNA的融點，通常寫作Tm。Tm的高低和DNA分子中G+C的克分子含量有關，可由下式表示：(G+C)％＝(Tm-69.3)×2.44％

去除變性條件以後，變性DNA的2條互補鏈可以重新結合，恢復到原來的雙螺旋，這個過程稱為復性。復性的速度在一定條件下，和DNA的大小成反比例，如大腸桿菌的DNA比λ噬菌體DNA大80倍，大腸桿菌DNA的復性速度比λ噬菌體DNA小80倍。真核生物DNA更大，變性的真核生物DNA的復性速度相應應該更慢，但小鼠DNA中有約10％的復性速度比已知最小的噬菌體 DNA還要快。原因是原核生物DNA核苷酸順序是不重複的，而真核生物DNA的核苷酸順序有不重複的、中度重複的和高度重複的。上述小鼠 DNA的10％復性很快的部分就是高度重複順序。不重複的順序大都是編碼蛋白質的結構基因。中度重複順序大部分分散存在於不重複順序之間，可能對基因表達起著調節控制作用；小部分是連續排列，主要是rRNA的基因，tRNA的基因和某些蛋白質的基因。高度重複順序的功能還不清楚。

複製

生物為了維持種族的延續，必須把遺傳資訊穩定不變地傳給下一代，這就靠 DNA的忠實複製來實現。以雙鏈DNA為遺傳物質的生物在DNA複製時，將親代DNA的兩條鏈分別作為模板，通過鹼基配對（A配T，G配C）合成兩條新生鏈，然後將兩個各含一新一舊的雙鏈DNA分配到兩個子代細胞中，這種複製方式便稱為半保留複製。複製是一個極為複雜的過程，除需DNA聚合酶外，還有多種酶或蛋白質因子參與（見脫氧核糖核酸的複製）。

損傷和修復

環境中化學的或物理的因素以及生物體內代謝過程中產生的自由基均可對 DNA造成損傷。如：酸和熱能使嘌呤鹼基脫落;鹼基脫氨能使DNA複製時產生差錯；有些化合物如吖啶嵌入DNA鹼基中時，可引起復制和重組的誤差（插入或缺失一個核苷酸），而產生移碼突變。電離輻射或化學物質（如博萊黴素）能引起磷酸二酯鍵斷裂。紫外光能使 DNA分子中相鄰二嘧啶（特別胸腺嘧啶）形成環丁基二聚體，而妨礙了嘧啶通過氫鍵形成鹼基對。

DNA 修復的分子機制目前瞭解得最多的是對嘧啶二聚體的修復。主要通過兩個途徑：

（1）酶促光啟用作用。生物體內有一個能專一地和嘧啶二聚體結合的酶，當酶和二聚體結合後，在可見光照射下，光能可使二聚體解開恢復成嘧啶單體；

（2）切除修復。在大腸桿菌中，先由一特殊的內切酶在鄰近胸腺嘧啶二聚體處切開，然後由聚合酶Ⅰ的5＇→3＇外切酶活力將帶有二聚體的寡核苷酸片段除去，同時通過聚合酶Ⅰ的作用(從切斷處的3＇-端開始)重新合成缺損的片段，最後再經過DNA連線酶的作用將新合成片段和DNA的其餘部分連線起來。

如果缺乏這種修復機制，可造成一些疾病，如人的著色性幹皮病，就是因為不能修復由於紫外光造成對DNA的損傷所致。患有這種病的人對陽光非常敏感，容易生面板癌（見DNA損傷修復）。

修飾和限制

細菌有一種不降解自身DNA但能降解異源DNA的機制，這是阻止異源DNA在體內起作用的一種保護作用。起這個保護作用的就是限制性核酸內切酶。限制性核酸內切酶有Ⅰ型和Ⅱ型兩類：Ⅰ型酶需Mg2+、ATP和S-腺苷甲硫氨酸；Ⅱ型酶只需Mg2+;Ⅰ型酶除有核酸酶活力外，還有甲基化酶和腺三磷酶活力。Ⅱ型酶則只有核酸酶活力；Ⅱ型酶的切點是專一的，它要求一定的核苷酸順序（具有雙重旋轉對稱性），而Ⅰ型酶則否。

如果鹼基被修飾了，如腺嘌呤的6-氨基上的氫原子被甲基取代或胞嘧啶的5位甲基化了，原來能裂解這個核苷酸順序的限制性核酸內切酶就不能再作用於這個修飾過的DNA。因此，如果細菌本身的DNA是修飾過的（甲基化），則限制性核酸內切酶對自身DNA不起作用，當外來DNA（未修飾過的）進入細菌體內，限制性核酸內切酸可將其降解，這樣對自身就起到了保護作用。

由於Ⅱ型限制性核酸內切酶作用於DNA時，需要特定的核苷酸排列順序，因此它是測定DNA核苷酸排列順序的非常有用的工具。目前 DNA核苷酸順序的測定之所以得到極為迅速的發展，Ⅱ型限制性核酸內切酶起了很大作用。

限制性核酸內切酶廣泛存在於各種細菌內，但在真核生物中似乎尚未找到過。至1983年已搞清識別順序的Ⅱ型限制性核酸內切酶達400種。示例如下：