脱氧核糖核酸的生理功能

背景及概述^[1]

核酸的一类。是多数生物的遗传物质，因分子中含有脱氧核糖而得名。脱氧核糖核酸是以核苷酸为单位聚合而成的高分子化合物。核苷酸由五碳糖、磷酸和碱基3种成分组成。脱氧核糖核酸的碱基共有下列4种：腺嘌呤(A)；鸟嘌呤(G)；胸腺嘧啶(T)；胞嘧啶(C)。核苷酸的差别在于所含碱基的不同。所以构成脱氧核糖核酸的核苷酸也有相应的4种，即腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸，胸腺嘧啶核苷酸和胞嘧啶核苷酸。1953年美国的华生(Watson)与英国的克里克(Crick)提出脱氧核糖核酸的双螺旋结构模型，推测脱氧核糖核酸的特异性决定于其核苷酸的序列。1958年克里克又提出中心法则，其内容包括：①遗传信息包含在脱氧核糖核酸的碱基序列中。遗传信息代代相传是通过增殖过程中脱氧核糖核酸分子的准确复制，因而DNA所含的遗传信息完整地传递到新的DNA中去，从而保证每一脱氧核糖核酸分子的核苷酸顺序的恒定性。②脱氧核糖核酸的遗传信息通过转录、翻译决定了蛋白质的氨基酸序列。而生物性状是由蛋白质(或酶)所决定的。③遗传信息一旦进入蛋白质，便不能再传出。脱氧核糖核酸分子特别大，其分子量约为106-109。脱氧核糖核酸几乎集中在核内的染色体上。

结构

生理功能^[2]

根据现代细胞学和遗传学的研究得知，控制生物形状遗传的主要物质是脱氧核糖核酸。

脱氧核糖核酸作为遗传物质，具备以下三个基本功能：①脱氧核糖核酸具有储存巨大数量遗传信息的能力。②通过复制，在生物的传种接代中传递遗传信息。③在后代的个体发育中，遗传信息又以一定方式反映到蛋白质分子结构上，使后代表现出与亲代相似的性状。这一过程的完成要通过两个重要步骤。步按照脱氧核糖核酸分子这个初级模板合成相应的MRNA分子，称为转录；第二步按照MNRA分子这个次级模板合成相应的蛋白质分子，这个过程称翻译。

有机小分子与脱氧核糖核酸相互作用机理^[3]

脱氧核糖核酸的基本结构单元是脱氧核苷酸，它是由磷酸、D-2-脱氧核糖和碱基(腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶)组成。DNA的一级结构是由核苷酸通过3′，5′-磷酸二酯键连接而成的没有支链的直线形或环形结构，二级结构是由2条多脱氧核糖核酸链组成的双螺旋状结构，其中磷酸和糖链在螺旋外侧，碱基在螺旋内侧，以氢键相结合在一起呈互补结构，在二级结构的基础上，可进一步扭曲形成超螺旋的三级结构。DNA分子中平行堆积的碱基、聚合的阴离子磷酸骨架和两条核苷酸链螺旋形成的大沟和小沟构成了有机小分子与DNA相互结合的位点，作用的方式主要有共价结合、剪切作用、长距组装及非共价结合等4种类型，另外还有氢键、范德华力疏水作用等弱相互作用。绝大多数的有机小分子与DNA的作用形式为非共价结合，它又包括静电作用、嵌入结合和沟面结合，而且通常不是一种力的单独作用，而是多种作用力的协同作用。

1. 共价结合

共价结合是指有机小分子与DNA的各种碱基以共价键结合生成稳定的配合物，主要有核酸的烷基化反应，DNA的链内交联、链间交联反应等，虽然符合条件的有机小分子不多，但与非共价结合相比，其特异性识别能力要强得多，而且反应不可逆。

2. 剪切作用

有机小分子通过与DNA分子双链的特异性结合而导致DNA链的断裂，这种剪切作用导致DNA的损伤，也是导致基因突变的原因。

3. 长距组装

带正电的有机小分子对DNA有凝聚作用，当其与DNA作用时，会诱导DNA超螺旋结构的形成。有机小分子在DNA表面进行排列或堆积称为有机小分子在DNA分子表面的长距组装。

4. 非共价作用

1）静电作用

指小分子与DNA分子的带负电荷的核糖磷酸基骨架之间通过静电作用而结合。该作用没有选择性，是非特异性的。

2）嵌入结合

指小分子嵌入DNA分子双螺旋的碱基对之间的大沟槽与DNA相互作用而结合，结合的作用力来自芳环的离域π体系与碱基的π体系间形成π-π相互作用及疏水相互作用。大部分金属配合物与DNA的相互作用都存在插入方式。

3）沟面结合

即小分子与DNA的大沟或小沟的碱基边缘直接发生相互作用，作用形式主要是氢键作用和范德华力。小分子主要在小沟区发生结合，这是由于小沟区为A=T富集区，而且存在水合结构，具有芳香环结构的小分子易于自由扭转来适合小沟区，同时取代沟内的水分子进入小沟区。

制备^[2]

脱氧核糖核酸通过复制产生新的DNA分子。复制是指以亲代DNA分子为模板，合成相同的子代DNA的过程。复制时脱氧核糖核酸分子双链之间的氢键断裂，两条链彼此分开，以分开的每条链为模板，各自吸收细胞内的核昔酸，按照碱基互补配对原则合成一条新链，然后新旧链联系起来，各自形成一个完整的脱氧核糖核酸分子，这种复制方式称为半保留的自我复制。在复制过程中，脱氧核糖核酸的两条母链并不是完全解开后才能合成新的子链，而是在脱氧核糖核酸聚合酶的作用下，边解开边复制，并且这种复制需要NRA作引物。

主要参考资料

[1] 简明文化人类学词典

[2] 脱氧核糖核酸与核糖核酸的简介

[3] 脱氧核糖核酸的分析方法