【金識源專版】高中生物第二章組成細胞的分子第三節(jié)遺傳信息的攜帶者——核酸素材新人教版必修1

1、名校名 推薦第 3節(jié)遺傳信息的攜帶者文字素材甘肅省寧縣第三中學王建華1. 核酸的發(fā)現(xiàn)1868 年，在德國化學家霍佩賽勒（HoppeSeyler ）的實驗室里，有一個瑞士籍的研究生，名叫米舍爾（F.Miescher,1844 1895），他在實驗室所承擔的工作是研究膿血中細胞的化學成分。當時實驗室附近有一家醫(yī)院，常常扔出許多帶膿血的繃帶，膿血里有與病菌“作戰(zhàn)”而死亡的白細胞以及其他死亡的人體細胞。米舍爾細心地用洗脫的辦法將繃帶上的膿血收集起來。 他先用酒精把細胞中的脂肪性物質去掉，然后用豬胃黏膜的酸性提取液（一種能除掉蛋白質的胃蛋白酶粗制品）進行處理， 結果發(fā)現(xiàn)細胞的大部分被分解了，而細胞核只是

2、縮小了一點兒， 仍然保持完整。 得到細胞核后， 米舍爾對組成細胞核的物質進行了化學分析， 發(fā)現(xiàn)細胞核內含有與細胞內其他有機物明顯不同的物質，這種物質的磷含量很高，遠高于蛋白質， 而且對蛋白酶有耐受性。米舍爾認為這是一種新物質。霍佩賽勒當時是生物化學界的權威， 治學嚴謹， 他要在親自做實驗驗證米舍爾的工作后，才允許米舍爾發(fā)表這個成果。 霍佩賽勒用酵母細胞做實驗，證實了米舍爾的發(fā)現(xiàn)。米舍爾將他發(fā)現(xiàn)的新物質命名為“核素”。核素十分不穩(wěn)定，提取時必須非常小心，速度要快，還得保持很低的溫度。為了制備核素， 米舍爾常常從清晨 500就開始在低溫的房間里工作，這大大影響了他的健康。由于積勞成疾，他 51 歲

3、就離開了人間?；襞遒惱盏牧硪粋€學生，德國的科塞爾（A.Kossel, 1853 1927），發(fā)現(xiàn)核素是蛋白質和核酸的復合物。他小心地水解核酸，得到了組成核酸的基本成分：鳥嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶， 還有些具有糖類性質的物質和磷酸。確定了核酸這個生物大分子的組成之后， 隨之而來的問題是這些物質在大分子中的比例，它們之間是如何連接的。 斯托伊德爾（ H.Steudel ）找到了前一個問題的答案。通過分析，他發(fā)現(xiàn)單糖、每種嘌呤或嘧啶堿基、磷酸的比例為 111。限于當時的實驗條件，后一個問題沒有完全解決，科塞爾及其同事只是發(fā)現(xiàn)， 如果小心地水解核酸， 糖集團與含氮的基團是連在一起的。科塞爾還對核

4、酸與蛋白質的結合方式進行了研究。 他發(fā)現(xiàn)有些物種的核酸與蛋白質結合比較緊密，有些則比較松散?？迫麪栆蚱湓诤怂峄瘜W領域的開創(chuàng)性工作，榮獲1910年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。1911 年，科塞爾的學生列文（ P.A.T.Levine,1869 1940）對核酸做了進一步的研究。他證明核酸所含的糖類由5 個碳原子組成， 并將這種糖類命名為核糖。 當時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩種不同的核酸， 列文找到了它們之間的區(qū)別：它們中的五碳糖不同。 另一種糖類比核糖少一個氧原子，稱為脫氧核糖。兩種核酸也由原來的名字改為核糖核酸和脫氧核糖核酸。1934 年，列文發(fā)現(xiàn)核酸可被分解成含有一個嘌呤、一個核糖或脫氧核糖和一個磷酸的片段，這

5、樣的組合叫核苷酸。 他認為核酸是由五碳糖與磷酸基團組成的長鏈，每一個五碳糖上再接一個堿基。列文認為這些堿基可能以一種非常簡單的方法排列，如12341234 等，每個數(shù)字代表一種特定的堿基。 這個模型后來被稱為核酸結構的四核苷酸假說。列文雖然沒有獲得諾貝爾獎，但他的貢獻有目共睹，并將永遠留在核酸化學的歷史中。弄清物質結構的最終證明是成功地合成出這種物質。核酸的結構問題很復雜，糖類和堿基都是結構比較復雜的組分，有多種連接的可能，而且還有磷酸基團的位置問題。英國生1名校名 推薦物化學家托德（A.R.Todd ）成功地合成了核苷酸，并于1955 年成功合成了二核苷酸。托德因其在核苷酸合成以及核苷酸輔酶

6、方面的貢獻而獲得1957 年諾貝爾化學獎。核酸功能的闡明以及 DNA雙螺旋結構的揭示的科學發(fā)現(xiàn)史已為大家所熟知，遺傳與進化模塊將做詳細的介紹，這里不再贅述。2. 核酸的分離和提純研究核酸首先要對其進行分離和提純。制備核酸要注意防止核酸的降解和變性，盡量保持其在生物體內的天然狀態(tài)。 早期研究時， 由于受到方法上的限制， 得到的樣品往往是一些降解產(chǎn)物。要制備天然狀態(tài)的核酸，必須在溫和的條件下進行，防止過酸、過堿，避免劇烈攪拌，尤其是防止核酸酶的作用。真核生物中的染色體DNA與組蛋白結合成核蛋白（ DNP），存在于核內。DNP溶于水和濃鹽溶液（如質量濃度為1 mol/L 的 NaCl 溶液），但不溶

7、于質量濃度為0.14mol/L的 NaCl溶液。利用這一性質，可將細胞破碎后用濃鹽溶液提取，然后用水稀釋至0.14 mol/L ，使DNP纖維沉淀出來，纏繞在玻璃棒上，再經(jīng)多次溶解和沉淀以達到純化目的。苯酚是很強的蛋白質變性劑，可用苯酚抽提，除去蛋白質。用水飽和的苯酚與DNP一起振蕩，冷凍離心，DNA溶于上層水相， 不溶性變性蛋白質殘留物位于中間界面，一部分變性蛋白質停留在酚相。如此操作反復多次以除凈蛋白質。將含 DNA的水相合并， 在有鹽存在的條件下加2 倍體積冷的乙醇，可將 DNA沉淀出來。再用乙醚和乙醇洗滌沉淀，用這種方法可以得到純的DNA。RNA比 DNA更不穩(wěn)定，而且RNase又無處

8、不在，因此RNA的分離更為困難。制備RNA通常需要注意 3 點：（ 1）所有用于制備 RNA的器具必須滅菌； （ 2）在破碎細胞的同時加入強變性劑使 RNase 失活；（ 3）在 RNA的反應體系中加入 RNase的抑制劑。目前最常用的制備 RNA的方法有兩種：（ 1）用酸性鹽 / 苯酚 / 氯仿抽提。是極強烈的蛋白質變性劑，它幾乎使所有遇到的蛋白質都變性。用苯酚和氯仿多次除凈蛋白質。此法用于小量制備RNA。（ 2）用鹽 / 氯化銫將細胞抽提物進行密度梯度離心。蛋白質在最上層，DNA位于中間， RNA沉在底部。此法可制備較大量高純度的天然RNA。不同功能RNA常分布于細胞的不同部位，分離這些

9、RNA常常先用差速離心法，將細胞核、線粒體、葉綠體、細胞質等各部分分開，再從這些部分中分離出 RNA。3. 核酸的水解核酸的嘌呤堿和嘧啶堿與戊糖形成糖苷鍵。戊糖有兩種： 核糖和脫氧核糖，所以形成4種糖苷，即嘌呤核苷、嘌呤脫氧核苷、嘧啶核苷、嘧啶脫氧核苷。磷酸基與兩種糖類分別形成核糖磷酸酯和脫氧核糖磷酸酯。所有糖苷鍵和磷酸酯鍵都能被酸、堿和酶水解。水解核酸的酶種類很多。非特異性水解磷酸二酯鍵的酶為磷酸二酯酶；專一水解核酸的磷酸二酯酶稱為核酸酶。核酸酶按底物專一性分類，又可分為作用于核糖核酸的核糖核酸酶，作用于脫氧核糖核酸的脫氧核糖核酸酶； 按對底物作用的方式， 可分為核酸內切酶和核酸外切酶。 內

10、切酶的作用點在多核苷酸鏈的內部， 而外切酶的作用點從多核苷酸鏈的末端開始，逐個地將核苷酸切下，從而對核酸進行降解。也有少數(shù)酶既可內切，也能外切。4. 核酸在不同生物（細胞）中的分布狀況2名校名 推薦所有生物細胞都含有DNA和 RNA這兩類核酸。 原核細胞 DNA集中在擬核。 真核細胞DNA分布在核內，與蛋白質組成染色體（染色質）。線粒體、葉綠體等細胞器也含有DNA。病毒或只含 DNA，或只含 RNA，從未發(fā)現(xiàn)兩者兼有的病毒。原核生物DNA、質粒 DNA、真核生物細胞器 DNA都是環(huán)狀雙鏈 DNA。所謂質粒是指擬核 DNA外基因，它能夠自主復制，并表現(xiàn)出特定的性狀。真核生物染色體 DNA是線型雙鏈 DNA。病毒 DNA種類很多，結構各異。動物病毒DNA通常是環(huán)狀雙鏈或線型雙鏈。植物病毒基因組大多是RNA， DNA較少見。少數(shù)植物病毒DNA或是環(huán)狀雙鏈，或是環(huán)狀單鏈。噬菌體DNA多數(shù)是線型雙鏈，也有為環(huán)狀雙鏈的。參與蛋白質合成的RNA有三類：轉移 RNA（ tRNA）, 核糖體 RNA（ rRNA）和信使 RNA（mRNA）。無論是原核生物或是真核生物都有這三類RNA。 20 世紀 80 年代以來，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多新的具有特殊功能的 RNA，幾乎涉及細胞功能的各