教科書之外

DNA是酸,記得哦!

2020-08-01 撰文、插畫/陳文盛
從某個角度來說,鮑林的核酸一點都不是酸……大師忘了基本的大學化學。 ——華生(James Watson,DNA雙螺旋共同發現者)


現代媒體使用最多的科學圖像非雙螺旋莫屬;被引用(和誤用)最多的科學名詞應該也是DNA。DNA是英文deoxyribonucleic acid(去氧核糖核酸)的縮寫。「deoxyribonucleic」一字很顯眼,但是平凡的「acid」就容易被大眾所忽視,大家常常忘了DNA是酸。這樣的輕忽也曾經在當年DNA解構競賽中,讓三個人栽了大跟斗。這三個人是英國劍橋大學的華生(James Watson)和克里克(Francis Crick),以及美國加州理工學院的鮑林(Linus Pauling)。


DNA是酸,因為它的結構次單元是核苷酸;核苷酸是由一個鹼基、一個去氧核糖和一個磷酸根組成,所以一條DNA有多少個核苷酸,就有多少個磷酸根。酸會離子化,釋出質子(H+)。在中性水溶液中(例如細胞中的環境),DNA上絕大部份的磷酸根都會釋出質子,留下淨負電。這個性質在很多教科書和DNA雙螺旋模型中都沒解釋,但是牢記它會讓我們容易理解DNA的結構和性質。


首先,帶負電的磷酸根具有強烈的極性和親水性。當年倫敦國王學院的佛蘭克林(Rosalind Franklin)用X射線晶體繞射圖學研究DNA結構時,就發現DNA很親水,所以推論攜帶磷酸根的骨架應該在結構的外圍,而疏水性的鹼基應該在內部,就好像細胞膜的磷脂雙層,親水的磷酸根朝外,疏水的脂肪酸在內。華生、克里克和鮑林三人都沒有弄清楚這點,先後提出錯誤的DNA模型,把鹼基擺在外頭,把攜帶磷酸根的骨架塞在裡頭。鮑林的模型更扯,它的磷酸根竟然沒帶電!對這位化學泰斗而言,這是不可思議的大紕漏。


如果DNA在中性水溶液中帶負電,那麼加酸來降低pH值,讓質子附著到磷酸根上,不就可以中和磷酸根的負電,讓它失去親水性,使DNA沉澱下來嗎?沒錯,歷史上首次(從白血球)萃取出DNA的瑞士生物學家米歇爾(Friedrich Miescher),就是用酸沉澱的。


佛蘭克林分析的DNA來自小牛胸腺,是用酒精沉澱下來的。現代生物學實驗(包括中學生萃取水果DNA)也大都是用酒精沉澱。酒精能夠沉澱DNA,是因為它的極性比水低很多,會降低DNA的溶解度,使它沉澱下來。加酒精的時候,水溶液要有足夠鹽類,因為鹽類在水中會解離出正離子,附著到磷酸根、中和掉負電,降低沉澱過程中DNA分子的互斥。


同樣的道理,當我們進行核酸雜交(hybridization)實驗,讓具有互補序列的單股DNA或RNA配對形成雙螺旋時,也必須在溶液中添加相當濃度的鹽類,中和雙股的磷酸根,這樣子它們才能夠互相接近以進行配對。


即使不進行沉澱或雜交實驗,一般含DNA的水溶液都必須含少許的鹽類,不是為了減少DNA分子之間的互斥,而是要降低DNA雙螺旋兩股之間的互斥。雙螺旋的直徑長度大約20埃(A),佈滿負電的兩股,互斥的力量不可忽視。DNA如果被丟入沒有離子的純水中,兩股互斥的力道就足以讓兩股分開。


這樣子,我們就可以了解為什麼華生和克里克在1953年發表的雙螺旋模型論文中,開場白會說:「我們希望提出一個去氧核糖核酸鹽(the salt of deoxyribose nucleic acid)的結構。」注意「去氧核糖核酸」後面那個「鹽」字!雙螺旋必須有正價離子與磷酸根結合(形成鹽類)才會穩定。這是他們學到的寶貴教訓。


記住,DNA是酸,但在細胞中它是鹽類。


# 關鍵字:教科書之外生命科學化學
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