第五节
DNA取代RNA成为遗传物质

RNA用密码子来储存蛋白质中氨基酸序列的信息，是生命发展过程中极其重要的一步。它不但能够用这个信息指导蛋白质的合成，而且由于RNA能够复制自己，还可以把这些信息传给下一代的细胞，也就是作为遗传物质。但是RNA作为储存信息的分子也有缺点，就是它在水中不是很稳定的，会逐渐分解为组成它的核苷酸。而作为储存信息和遗传物质的分子，应该有高度的稳定性。所以RNA分子需要改进，这就需要知道为什么RNA分子在水中不是很稳定的。

每种核苷酸都由3个部分组成，分别是碱基、核糖和磷酸。4种核苷酸的核糖和磷酸部分都是一样的，差别只是在碱基部分，分别是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。碱基和核糖连成的分子叫核苷（nucleoside），核苷再连上磷酸叫核苷酸（nucleotide）（参看图1-11）。影响RNA分子稳定的，主要是核糖上的自由羟基。

核糖（ribose）是5碳糖，骨架由5个碳原子线性相连组成，可以形成环状结构。在5个碳原子中，1、2、3、5位的碳原子上连有羟基。在这4个羟基中，1位的羟基在和碱基相连时被用掉，3位和5位的两个羟基分别通过磷酸和上下两个核苷酸的核糖相连，这样就只剩下2位的羟基。这个自由的、还未使用的羟基就是核苷酸的“武器”，为RNA分子的催化能力所必需（图2-12左）（参看图1-13）。

但是正是因为它能够活跃地参与化学反应，它也能够攻击RNA自己，破坏把核苷酸连起来的磷酸二酯键，使核苷酸之间的联系断开（水解）。这是RNA分子在水中不是很稳定的根本原因。如果这个自由羟基能够被除掉，就相当于敲掉了RNA分子催化化学反应的“牙齿”，RNA分子就稳定了。

在生物演化的过程中，为RNA分子“敲牙齿”的酶出现了，它就是核糖核苷酸还原酶（ribonucleotide reductase）。它可以把核苷酸中核糖上2位的羟基去掉，换为氢原子。这相当于核糖失去了一个氧原子，由于这个原因，这个羟基被氢原子置换了的核糖就叫做脱氧核糖（deoxyribose，deoxy- 就是脱氧的意思）（见图2-12右），含有脱氧核糖的核苷酸叫脱氧核苷酸（deoxynucleotide）。由脱氧核苷酸组成核酸就叫脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，简称DNA），DNA的名字就是这么来的。所以“脱氧”核糖核酸这个名称并不是说DNA分子里面没有氧原子，而是指里面每个核苷酸的核糖少了一个氧原子。细胞在合成DNA时，不是首先合成DNA的组成成分脱氧核苷酸，而是先合成RNA的组成成分核苷酸，再通过核苷酸还原酶把核苷酸变成脱氧核苷酸。这也支持RNA分子在先，DNA是由RNA演化而来的想法。RNA变为DNA时，不仅核糖上的那个羟基被去掉了，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，所以脱氧胸苷酸取代了尿苷酸，成为DNA的组成成分。

DNA分子不但稳定，也失去了催化的能力，只能“老老实实”地做储存信息的分子。DNA分子有多稳定，可以从下面的例子看出来。人类有一个近亲，叫做尼安德特人（Neanderthals，以最初发现他们化石的德国地名Neaderthal命名），大约在3万年前灭绝。从一个13万年前尼安德特人留下来的脚趾的趾骨，科学家提取了DNA样品，并且从这个样品测定了尼安德特人的全部DNA序列。这说明经过13万年的时间，尼安德特人的DNA分子仍然基本完整！

DNA分子的稳定除了是由于核糖上的羟基被去除掉以外，还和DNA双螺旋（DNA double helix）结构有关。RNA分子要执行各种生理功能，是以单链形式存在于细胞中的。它通过分子内部碱基的配对（A和U彼此结合，C和G彼此结合）形成各种三维结构（见图1-12和图2-11）。DNA的作用只是储存信息，就没有必要再形成只有单链分子才能形成的各种三维结构。在原核生物演化的过程中，还出现了一种酶，叫DNA聚合酶（DNA polymerase）。它可以用单链DNA为模板，合成另一条DNA链。这条新DNA链中的碱基和原来那条DNA链对应位置上的碱基是互补的：原来是碱基A的地方，新链是碱基T，原来是C的地方，新链是G。新的DNA单链被合成后，并不像新合成的RNA分子那样和模板分子分开，而是通过A-T和C-G碱基配对而和模板DNA链结合在一起，彼此缠绕成为DNA双螺旋（图2-13）。

从第一章第四节可以知道，碱基配对在RNA分子中就出现了，功能是使RNA分子形成各种三维结构。DNA只是继承了RNA分子的这个特性，改用来形成双螺旋，所以碱基配对并不是DNA分子的发明，也不是DNA分子出现后才出现的。

双螺旋的形状就像一根长长的麻花, 所有的碱基配对都发生在两条链之间，即“麻花”的中心部位。由于核苷酸里面的碱基的形状都是平面的，而且在性质上是亲脂的，DNA形成双螺旋还有一个后果，就是这些碱基可以像薄片一样彼此叠在一起，通过色散力结合，进一步增加了DNA双螺旋的稳定性。而在RNA分子中，由于单链的RNA会在分子的不同区段之间进行碱基配对，形成各种三维结构，这样的碱基重叠就不容易发生。有了这些原因，在水溶液中的DNA双螺旋就是非常稳定的结构，要加热到90℃以上才能把两条链分开，所以非常有利于作为储存信息的分子。DNA的双螺旋结构是英国科学家华生（James D. Watson）和克里克（Francis Crick）于1953年发现的，他们也因此获得了1962年的诺贝尔生理或医学奖。

不过这样的DNA双螺旋也有一个问题，就是DNA的末端。像由多股线编成的绳子一样，在末端这两股链容易分开。为了解决这个难题，原核生物的DNA是环状的，无始无终，也就没有末端的问题。

DNA链的方向性

在DNA的双螺旋中，两条DNA链的方向是相反的。DNA单链是由脱氧核苷酸线性相连组成的，方向性是怎么来的呢？原来DNA链中的磷酸根，是分别与两个脱氧核糖分子上面第5位和第3位的羟基相连的。在图2-13中图的左下，第一个脱氧核糖是用它的5位羟基和磷酸根相连，所以它第3位碳原子上的羟基没有被使用，是完整的。左上的核糖只用了它第3位碳原子上的羟基和链中的磷酸根相连，成为DNA链的末端，而它5位羟基相连的磷酸根不再与脱氧核糖相连，是“自由”的。这样，由脱氧核苷酸组成的DNA链就有了方向性。具有第3位自由羟基的那一端就叫做3′端（3′terminal），而含有自由磷酸根的那一端就是5′端（5′terminal）。

其实DNA单链的方向源自RNA分子。核苷酸在彼此相连成为RNA的线性分子时，就是5位羟基上的磷酸和另一个核苷酸上3位的羟基相连，所以就已经有5′端和3′端。DNA中单链分子的方向，是从RNA分子那里继承过来的。

在合成DNA单链时，是新的脱氧核苷酸上的磷酸与DNA链3′端的自由羟基相连，所以DNA的合成是向3′方向延长。DNA的双螺旋中，如果从同一头看起，一条DNA链的方向是从5′到3′，另一条DNA链的方向则是从3′到5′。DNA在复制自己时，用作模板的DNA链是从3′到5′方向被复制，而新合成的DNA则按从5′到3′的方向被延长（图2-14上）。

原核生物上的细胞在分裂前，DNA的两条链分开，各自作为模板，合成新的DNA链。新合成的DNA链和作为模板的DNA链结合在一起，就形成了两份DNA双螺旋，分别进入两个“子”细胞。这样，DNA不仅可以作为储存信息的分子，还可以通过复制把信息传给下一代，因而也可以作为遗传物质。生物的遗传信息，是通过DNA传给后代的。

DNA分子中的信息如何转移回RNA呢？这就要靠一种叫做RNA聚合酶（RNA polymerase）的蛋白质。它以单链DNA为模板，合成RNA分子，类似于DNA复制时的情形。新RNA链的合成也是从5′端开始，向3′的方向延长（图2-14下）。DNA中的两条链中，含有为蛋白质编码序列的链叫做“正链”，和正链互补的那条链叫“负链”。在合成RNA分子时，是以负链为模板，这样合成出来的RNA才有和正链相同的核苷酸序列。这样，DNA分子中为蛋白质编码的信息就被转移到RNA分子上，用来在核糖体中指导蛋白质的合成。这就是现代分子生物学中经典的DNA—RNA—蛋白质信息传递链。其实在DNA出现之前，为蛋白质编码的RNA分子就已经存在了，而且直接指导蛋白质合成的分子，所以它本来是DNA的“祖宗”，现在不过是信息在DNA那里转了一圈，又回到RNA分子而已。

用蛋白质取代RNA的大部分催化功能，用DNA取代RNA储存信息的功能，DNA、RNA和蛋白质这三种分子之间的分工合作，形成了完美的信息储存、传递和执行系统。这是原核生物的功劳，地球上所有的生物，包括人类自己，都一直在使用这个系统。