是基因的化学实体

3．DNA是基因的化学实体

细胞遗传学确定了染色体是基因的载体，但是，对于基因的化学本性还是几无所知的。比如，基因究竟是什么化学物质？它在遗传传递中到底如何发生作用？这些问题在摩尔根时代还不能作出确切的回答。但是，摩尔根毕竟触及到了这个问题。他在《基因论》的末尾总结部分，讨论到基因属不属于有机分子一级时，他根据计算基因的大小来估计，认为基因不能当成一个化学分子；基因甚至可能不是一个分子，而是一群非化学性结合的有机物质。然而他并不排除这样的假设：“基因之所以稳定，是因为它代表着一个有机的化学实体。”

在寻找基因的化学实体上，细胞化学起着重要的作用。细胞化学的研究表明，染色体作为细胞结构的一个基本组件，它主要是由蛋白质和核酸这两类化学物质组成的。那么遗传物质究竟是蛋白质还是核酸？

按照传统的观念，蛋白质作为生命物质的主要成分和一切生命现象的体现者，它不仅普遍存在于生物界参与所有的生命过程，而且它的化学结构也有多样性和可塑性，似乎很适于作遗传物质。然而科学实验部否定了这种看法，确认核酸是遗传物质，蛋白质不过是它的产物。

认识到核酸是遗传物质（或基因的化学实体）有一段漫长的历史过程。早在1928年，英国的细菌学家格里菲斯，用肺炎球菌做实验时发现了一个令人惊异的现象。当他把大量已经杀死的能致病的S型肺炎球菌（外形有荚膜，在培养基上形成的菌落是光滑的），与少量活着的不能致病的R型肺炎球菌（外形无荚膜，在培养基上形成的菌落是粗糙的）混合在一起，注射到试验动物体内的时候，令人惊异地发现这些试验动物都得病死了，并从它们的体内分离出许多S型的肺炎球菌。人们把这种由R型的肺炎球菌转化为S型肺炎球菌的现象，称之为转化现象。

为什么会发生这种转化现象呢？当时人们推想一定是S型肺炎球菌的某些物质被R型肺炎球菌吸收了，使它转变为S型肺炎球菌。但是，这是什么样的化学物质？当时还不清楚。

1944年，美国的生物化学家艾弗里等做了一个体外实验查明，原来是S型肺炎球菌里的脱氧核糖核酸（简称DNA）这种化学物质在转化现象中起作用。他们先把S型肺炎球菌磨碎用水抽提，发现这种抽提液中有蛋白质、DNA、脂肪和糖类等化合物。然后将抽提液放过培养基（一种人工配制的适合细菌营养要求的混合物）中，并用它来培养R型肺炎球菌，结果发现在培养基里产生S型肺炎球菌。这与格里菲斯所看到的转化现象一样，因此可以考虑在这种抽提液中确实存在着某种促成性状转化的因子。但这种因子是蛋白质，还是DNA，或是其他物质。为了弄个明白，艾弗里等人对这些物质逐一做了研究。当他们从S型肺炎球菌中抽取出提纯的DNA，放到R型肺炎球菌的培养基上时，结果在那里发现了S型肺炎球菌，而用蛋白质或其他物质的抽提液代替DNA时，并没有发生这种现象。当他们在DNA的抽提液里加些蛋白酶时，并不影响实验结果，但若加进DNA酶时，转化现象便消失了。由此可见，不是别的物质，正是DNA在转化舞台上担任着独特的角色———遗传物质的角色。

1952年，赫尔希和蔡斯继文弗里等人之后，又做了一个权威性的实验。他们用“P”和“S”（硫元素的一种同位素）分别标记惯菌体（寄生在细富体内的病毒）的DNA和蛋白质的部分，然后用标记过的农菌体去感染细富，发现当细菌被感染对，噬菌体的DNA进人寄生细胞，而其蛋白质外壳却留在外边，并且进人寄生细胞的DNA能够复制出同原来一样的噬菌体。这个实验进一步确证DNA是遗传物质或基因的化学实体。

既然DNA是遗传物质，那么它本身有什么条件可以充当这个角色呢？这就要讲到DNA的化学组成及其结构了。DNA是核酸的一种。核酸最早是1869年由瑞士的青年化学家米歇尔发现的。他为了想搞清楚细胞核的化学性质，用盐酸处理脓细胞；以稀碱分离出核，经沉淀后分析其中的成分，发现氮和磷的含量特别高。

由于这类物质是从细胞核中分离出来的，又都表现为酸性，故人们把它叫做核酸。后来，经过许多科学家的研究，终于搞清楚核酸是由核苷酸作为基本单位组成的聚合物。接着酸本身也是比较复杂的化合物，它是由戊糖、碱基和磷酸三个部分组成的。根据组成核酸的核苷酸中戊糖种类的不同，可将核酸分成两大类，即核糖核酸（简称RNA）和脱氧核糖核酸（简称DNA）。前者的戊糖部分是核糖，后者是脱氧核糖。

除了糖组分不同外，这两类核酸中所含的碱基种类也不完全相同。RNA含腺嘌呤（用A表示），鸟嘌呤（用G表示）、胞嘧啶（用C表示）和尿嘧啶（用U表示）。DNA则含A、G、C、T（胸腺嘧啶）而没有U。实际上，DNA和RNA的碱基只有一个不同，即在RNA中T为U所代替。核着酸按255所含碱基不同，分别叫腺苷酸（AMP）或脱氧腺苷酸（dAMP）、鸟苷酸（GMP）或脱氧鸟苷酸（dGMP）、胞苷酸（CMP）或脱氧胞苷酸（dCMP）、尿苷酸（UMP）和脱氧胸腺苷酸（dTMP）等。这些核苷酸是通过脱水缩合作用而成为聚合物的。

在核酸分子中，核苷酸的排列是有一定顺序的，这种核高酸的线性序列就是核酸的一级结构。虽然组成DNA或RNA的核苷酸只有4种，但是由于它们排列顺序的不同，便可构成核酸分子的多样性。假定一个核酸分子是由100个4种不同核苷酸组成的。那么它就可能提供4100这么多种不同的排列顺序。

遗传定律

在没有搞清楚DNA的三维结构（或空间结构）之前，要想从其化学本性来说明它的遗传职能，是很困难的，这个问题亟须解决。1953年，沃森和克里克应用物理学、化学的新技术和生物学研究的新成果，运用综合的观点，把自己的创造性工作同前人的研究成就结合起来，提出了DNA分子双螺旋结构模型，成功地解决了DNA的三维结构问题。他们认为，DNA是由两条多聚脱氧核苷酸链围绕一个中轴旋转而形成像麻花那样的螺旋结构。在这个结构中，磷酸和脱氧核糖组成的主链在外侧，碱基在内侧，两链间的碱基通过氢键相互连接，并且有一定的规律，即A配T，C配G，每对碱基处于同一平面，不同碱基对互相平行，而和中心轴垂直。

很明显，这样一个分子模型包含有相当大的生物学意义。它首次为生物的生殖和遗传提供了化学基础。正如沃森和克里克所说：“DNA双螺旋模型的碱基特异性配对的原则，立即展示出遗传物质可能有的复制机制。”还提出，“倘若得知配对键的一侧碱基的实际顺序，人们就可以写下另一侧的碱基的精确顺序。因此可以说，一条链是另一条的互补链，正是这一特征提示着DNA分子为什么会自我复制。”

沃森和克里克的预言，不久（1955年）便为梅塞尔松等人的工作所证实。1963年，美国科学家凯恩斯还用电子显微镜和放射自显影技术相结合的方法，成功地拍摄到大肠杆菌DNA复制过程的图像，从而直接证明沃森和克里克对于DNA复制推测的正确性。