核酸

核酸（Nucleic Acid）是一种重要的生物大分子，也是生命的基本物质之一，是由碳、氢、氧、氮等元素组成的高分子化合物，其基本结构单位是核苷酸，最早由米歇尔（J.F.Miescher）从脓细胞的核中分离出来。核酸是生物遗传信息的载体，分脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。DNA 主要集中在细胞核内，占细胞干重的 5%～15%，RNA 主要分布于细胞质中。核酸参与大量的细胞活动，是生命遗传的物质基础，它的生物学功能是携带、传递和表达遗传信息，在生物体的生长、遗传、变异等一系列重大生命现象中起决定性的作用。

1869年，瑞士生物学米歇尔（J.F.Miescher）把一种被称为核素的高含磷酸性有机化合物从脓细胞的核中分离出来，这种物质可以溶解在碱性环境中，但不能溶解在酸性环境。德国病理学家阿尔特曼（R.Altmann）对米歇尔的研究进行了发展，核酸这个名称就是由他最先提出来的。1895年，英国遗传学家威尔逊（E.B.Wilson）推测，染色质与核酸是同一物质，是遗传物质形成的基础。20世纪20年代，德国生理学家柯塞尔（A.Kossel）和他的学生琼斯（W.Johnes）、列文（P.Levene）对核酸的化学构成进行了初步的探讨，其研究结果明确了核酸的化学成分及其最简单的基本结构，证实它是由四种不同的碱基以及核糖、磷酸等组成，其最简单的单体结构是核苷酸。在1929年，核酸被确定有两种，即 DNA 和 RNA 。

美国细菌学家埃弗里（O.T.Avery）于1944年进行了一项关于肺炎杆菌的转换实验，结果表明，引起遗传性变化的转化因子并非蛋白质而是 DNA 。1950年，奥地利生物学家查戈夫（E.Chargaff）等对许多生物DNA的的碱基构成进行了分析，发现不同生物 DNA的基本成分存在一定差异。1952年，美国生物学家赫尔希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）报告了关于噬菌体的感染实验，进一步证明了 DNA 是遗传物质。1953年，美国科学家沃森（J.D.Watson）和英国科学家克里克（F.H.C.Crick）依据碱基组成规律和 DNA 的X射线衍射图以及蛋白质结构的启发，提出 DNA 双螺旋结构模型，说明了基因的结构、信息和功能三者之间的关系。1958年，克里克总结了当时分子生物学的成果，提出了“中心法则”，即遗传信息从 DNA 传到 RNA ，再传到蛋白质。

双螺旋结构

核酸的元素组成有碳、氢、氧、氮、磷等，通常不含硫，仅个别生物体内含有少量。核酸中磷元素的含量较多并且比较稳定，约占 9%~10%，因此通过测定磷的含量可以推算核酸的含量。由于核酸都含有磷酸基团，因此核酸呈酸性。

核酸是含磷的生物大分子，所有的核酸中都包含磷酸，因此核酸都具有酸性，其能够与Na+、多胺组蛋白结合。核酸中的磷酸参与形成3',5'-磷酸二酯键，使核酸连成多核苷酸链。DNA 所含的戊糖为D-2-脱氧核糖，RNA 所含的戊糖为D-核糖，均为呋喃型环状结构。二者的区别仅仅在于，脱氧核糖中与2位碳原子连接的不是羟基而是氢，这个结构上的差异导致了 DNA 分子的稳定性高于 RNA。

核糖核酸和脱氧核糖核酸

核酸中的碱基主要有两类，分别是嘌呤碱基和嘧啶碱基，都是含氮杂环化合物。嘌呤碱基主要包括腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G），嘧[mì]啶[dìng]碱基主要包括胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T）等，其中尿嘧啶仅见于 RNA，而胸腺嘧啶仅见于 DNA。

核苷[gān]是由戊糖与碱基缩合而成的，通过糖苷键连接。糖环的首个碳与嘌呤碱的第九个氮结合，构成了嘌呤核苷，而与嘧啶碱的第一个氮结合，构成了嘧啶核苷。按其所含有戊糖的不同，可以将其划分成脱氧核糖核酸和核糖核酸。核苷酸是构成核酸大分子的基础单位，核苷中戊糖的羟基和磷酸通过磷酸酯键结合，从而形成核苷酸，生物体内的核苷酸大多数是核糖或脱氧核糖的第五位碳原子上羟基被磷酸酯[zhǐ]化形成。其连接方式都是由一个核苷酸第三位碳原子上的羟基（C-3'）与另一个核苷酸的 5' 磷酸缩合形成 3',5'-磷酸二酯键相连。这种连接方式决定了核酸链具有特定的方向性，每条链具有两个不同的末端，戊糖 C-5'上带有游离磷酸基的称为 5' 端，C-3'上带有游离基的称为 3' 端。

核苷酸连接方式

根据核酸化学组成的不同，可以把含有脱氧核糖的天然核酸称作脱氧核糖核酸（DNA）。DNA 在真核细胞中的分布最多，约98%的 DNA 集中于核染色质内，其他的部分则存在于细胞器，如线粒体、叶绿体中，具有半自主性，可以进行复制、转录，称为细胞质 DNA 。不同物种的细胞核中 DNA 含量有很大的差别，但是在同种动物的体细胞中， DNA 的含量却是一样的。DNA 是真核生物染色体的重要构成成份，染色体 DNA 分子中的遗传信息是以碱基序列的形式存在的。

真核生物染色体 DNA 是一种单一的线性双链型分子，它末端特殊的端粒结构与组蛋白连接形成核蛋白纤维，并通过螺旋的方式折叠，在细胞核内形成一个染色体。原核生物染色体 DNA 、质粒 DNA 、真核生物细胞质 DNA 等都是闭合环状双链 DNA 分子，均暴露在拟核部位，具有自我复制和改变原核生物特征的能力。原核细胞中 DNA 主要分布在核区，同时也包含了质粒 DNA。其中质粒是一种能够自我复制并能够传递所携带的基因资讯的非染色体基因材料。病毒仅含有两种类型核酸的其中一种，即只含有 DNA 的 DNA 病毒，或是只含有 RNA 的 RNA 病毒。不同的病毒 DNA 具有不同的形态结构。大多数动物病毒 DNA为环形双链、线形双链，少数为线形单链。植物病毒基因组多数是 RNA ，少数为 DNA 。植物病毒 DNA 要么是环状双链结构，要么是环状单链结构。噬菌体 DNA 多以线形双链为主，其余的为环状双链和环状单链结构。

把含有核糖的天然核酸称作核糖核酸（RNA）。大多数 RNA 均位于细胞质基质中，约90%左右，少数见于细胞核。RNA具有多种类型，按其结构与作用方式可分为三大类：转运 RNA（tRNA）、信使 RNA （mRNA）和核糖体 RNA （rRNA）。细胞内还有部分其他 RNA 分子，如不均一核 RNA（hnRNA）、小核 RNA（snRNA）等，但无论是原核生物还是真核生物都含有上述三大类 RNA 。

tRNA 在 RNA 中的含量约为15%，是一种重要的生物活性物质，其作用是携带已激活的氨基酸进入到核糖体中，并在mRNA的指导下进行蛋白质的生物合成。尽管大部分的蛋白质只含有约20个氨基酸，但是每个氨基酸都有各自的一种或多种 tRNA，在一个细胞中，tRNA 的种类通常超过50种。tRNA 在蛋白质的合成中起着运输氨基酸和确定编码的功能，所以 tRNA 又叫转运 RNA。

tRNA的结构

mRNA 通过 DNA 中的遗传信息进行基因转录，它的作用是根据基因信息来引导不同的特定蛋白质合成。含有 DNA 的遗传信息，在蛋白的形成过程中起到模板作用，约占 RNA 总量的3%~5%，且其生命周期较短且易于分解，是最不具稳定性的 RNA 类型。mRNA 是蛋白质合成的重要组成部分，作为该过程的模板，其功能是通过在蛋白质合成中传输遗传信息，所以 mRNA 被称作是信使 RNA。

rRNA 在 RNA 中的占比最多，约为80%，是组成核糖体的主要结构。rRNA 单独存在时并不起作用，是相对分子质量最大的一类 RNA。rRNA 是单链，它与多种蛋白质结合形成核糖体，是蛋白质合成的场所。核糖体中rRNA 约占 60%，蛋白质约占 40%。rRNA 的作用是和蛋白质在细胞中形成核糖体，在这个地方进行蛋白质的合成。

一个细胞中有许多种不同的 mRNA 前体，它们的大小很不一致，平均有8000~10000个碱基，分布范围较广，2000~14000个碱基均有，称为核内不均一核RNA（hnRNA），一般要比 mRNA 大4~5倍。hnRNA 需要进行切除内含子和连接外显子的剪接等一系列过程，才能成为成熟的 mRNA。小核 RNA（snRNA）存在于真核细胞的细胞核内，是一类称为小核核糖体复合体的组成成分，长约 100~300 个核苷酸，其功能是在 hmRNA 成熟转变为 mRNA 的过程中，参与 mRNA 前体的加工过程，其功能和酶相似，并且在将 mRNA 从细胞核中转运到细胞浆的过程中发挥关键作用。

DNA 分子中含有腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）等4种碱基。它们在 DNA 分子中的比例以及排列次序，是决定 DNA 的分子结构和功能的重要因素。DNA 分子中腺嘌呤和胸腺嘧啶的含量相同（A=T）；鸟嘌呤和胞嘧啶的含量也相同（G=C）；嘌呤碱总量与嘧啶碱总量相等（A+G=T+C）。

DNA 的一级结构是指脱氧核糖核苷酸的构成和排列次序所决定的。核苷酸以3',5'-磷酸二酯键连接成长链，而磷酸和戊糖之间相互交替形成 DNA 的整体结构，链的一端有自由的5-磷酸基，称为5'端，另一端有自由3-羟基，称为3'端。习惯上5'端写在左侧，3'端写在右侧。核酸链无支路，主要是由戊糖和磷酸构成，碱基延伸到一边，使其在细胞中形成特定的形态。

核酸结构

DNA 的二级结构由两条多核苷酸链围绕相同的中心轴线上反向平行互相交叉形成的双螺旋结构，这两条核酸链都是右手螺旋。戊糖环的表面与螺旋轴线相平行，而碱基线则与螺旋轴线相垂直。两条链是用碱基间的氢键连接起来的，一条链的腺嘌呤一定会和另外一条链的胸腺嘧啶成对，它们之间形成两个氢键，同样，一条链的鸟嘌呤必定与另一条链的胞嘧啶配成对，它们之间形成三个氢键。

双螺旋 DNA 分子通过扭曲和折叠形成的特定构象称 DNA 的三级结构，包括不同二级结构单元之间的相互作用，单链与二级结构单元之间的相互作用等。大多数的双链环 DNA 可以被进一步的扭转而成为超螺旋。当双链环向右手方向弯曲的时候，就会产生右手超螺旋，称为负超螺旋，在这个时候 DNA 双链处于松弛状态。当双链环向左手方向弯曲的时候，就会产生左手超螺旋，称为正超螺旋，在这个时候 DNA 双链处于收紧状态。大部分的超螺旋 DNA 都是以负超螺旋结构存在的，当负超螺旋解开时，会产生解链环状的 DNA，从而促进 DNA 的复制与转录。

核酸四级结构是核酸分子与其它分子按一定方式结合所形成的复合结构，如核酸与酶的复合体以及核酸与蛋白质所组成的细胞亚显微结构核小体、核糖体等。核小体是由一种核心组蛋白和一条环绕其上的 DNA组成的，双螺旋 DNA 以左手螺旋缠绕在组蛋白核心上，形成核小体核心颗粒。核心颗粒通过 DNA与组蛋白的结合区域，将其连在一起，从而形成一种类似于串珠的构造。真核细胞染色体在核小体的基础上进一步螺旋折叠，形成纤维状结构及襟状结构，最后形成棒状的染色体。

RNA 的一级结构为直线形多聚核苷酸，其相对分子量有很大差异。组成 RNA 的核苷酸之间的连接方式也为3',5'-磷酸二酯键。RNA 为单链分子，其本身能折叠，使得能结合在一起的碱基相遇匹配，产生氢键并形成双螺旋结构。不能结合的部分就会被排除在双螺旋结构以外形成突环。这种 RNA 单链局部小双螺旋结构即是 RNA 的二级结构，例如 tRNA 的三叶草型二级结构。根据这一结果，还可以通过折叠和扭转来构造更高层次的 RNA，也就是 RNA 的三级结构，在二级结构中没有结合的碱基会因为 RNA 的再次弯曲而与其他的未配对的碱基结合，从而产生一个新的氢键配对关系，其结果是平面花形结构变成立体花形结构。以 tRNA 为例，二级结构的三叶草形变成了三级结构的倒L形。

DNA 和 RNA 均为生物大分子，DNA 的分子量大于 RNA，一般在10~10之间，不同生物的 DNA 分子量差异很大。通常，越是高级的物种，其 DNA 分子就会变得更大，能够储存更多的遗传信息，但是，进化的复杂性和 DNA的分子量是不等同的。DNA 分子细长且呈线状分布，其稀溶液具有很高的黏度。随着 DNA 的变性，其分子结构从双螺旋型向不规则线团转变，其延伸的长度缩短，导致溶体的黏度下降，可以用黏度来衡量 DNA 的变性程度，而 RNA 的黏度则要低得多。

DNA 为白色纤维状固体，RNA 为白色粉末。二者在水里都有微弱的溶解能力，在稀碱溶液中溶解度较大，其钠盐在水中的溶解程度较高。在常规的有机溶剂中， DNA 和 RNA 均不易溶解，但在2-甲氧乙醇中很容易溶解，所以通常采用酒精来进行核酸的沉淀。

嘧啶环和嘌呤环都存在共轭双键，使得核酸分子在240~290nm的紫外波长范围内，表现为明显的吸收峰，有较好的紫外吸收能力。核酸分子在260nm紫外光处有最大吸收峰，常用于核酸、碱基、核苷酸等物质的定量测定。在核酸发生降解或变性后，其峰值强度会明显增加，这就是所谓的“增色”效应，反之，就是“减色”效应，以此对核酸的变性作出判断。

核酸作为遗传物质，其结构是相当稳定的，这是由于 DNA 和 RNA 双螺旋区中碱基对的尺寸使得它们在螺旋中的位置能很好地形成氢键。氢键聚集的能量非常大，若不能在同一时间开启大量的氢键，则会导致部分开启的氢键将会回复原来的形态，并维持 DNA 分子结构不变。同时，嘌呤环与嘧啶环具有很大的范德华力作用，环境中的阳离子能与磷酸基结合，从而减少静电排斥，这些作用力对稳定核酸的结构具有非常关键的影响。

由于核酸中存在着碱基及带有负电荷的磷酸残基，因此其表现为双性。但是，由于磷酸酰基比碱基更容易分解，因此，所有的核酸溶液都呈酸性，其更容易与碱性物质发生化学反应，例如常用碱性染料染色来鉴别核酸是否存在。核酸可以和金属离子形成盐，也可以和某些碱化合物形成复合物。通过酸和碱酶的催化，使其磷酸酯键或氮苷键发生水解，并按要求选用合适的方法和工艺条件，从而获得了不同程度的水解产物。

核酸的变性是一种非常特殊的性质，它的实质是改变了核酸的分子结构，在某些物理、化学因素（如过酸、过碱、过热、变性剂等）作用下，分子内的氢键和碱基的聚集能力被打破，使 DNA 的双螺旋结构松动，分解成单链，虽然它的共价态还保持着，但是失去了生物学上的功能和作用。在核酸的变性中，DNA 的变性是最普遍的，该过程是可以逆转的。经过一定的处理，变性 DNA 的两个配对的分子链完全或局部回复成双螺旋结构的过程，称为复性，DNA 复性后，其理化性质与生物学功能得以恢复。具有互补序列的不同来源的单链核酸分子在复性过程中会产生新的螺旋结构，而不是全部还原为变性之前的结构，这种按碱基互补，而又不完全互补的两条 DNA 链彼此连接的现象称为杂交。

DNA的变性

核酸类似物是核酸相关衍生物的一种，核酸主要由磷酸、戊糖和碱基构成，而在天然核酸的碱基、糖环或磷酸二酯主链上进行修饰，用一些其他物质替代，所产生的新物质被称为核酸类似物。核酸类似物可以用来克服天然核酸的局限性，提高亲和力和选择性，并提供跨越生物膜的能力。这些特性使核酸类似物成为分子生物学、基于 DNA 的诊断和基因组学等方向的强大工具。常见的核酸类似物有肽核酸（PNA）、吗啉（MNA）和锁核酸（ LNA）等。肽核酸最早由 Nielsen 等人发现，是一种合成的核酸类似物，其中糖-磷酸主链被肽主链取代，因此，PNA 同时具有多肽和核酸的特性。PNA 具有良好的化学稳定性生物稳定性，可以通过对 PNA 骨架进行各种化学处理，以改善其性能。Singh 等人于1998年首次将锁核酸描述为一种新型构象受限寡核苷酸类似物。LNA 是一种双环核酸，其中一个核糖核苷以亚甲基连接在2'-氧原子和4'-碳原子之间。LNA 对互补的 DNA 和 RNA 有很高的结合亲和力和极好的特异性，是 ssDNA 和 ssRNA 特异性识别的常用工具。吗啉是另一种常见的核酸类似物，由 James Summerton 于1985年设计，可以在无翻译系统的细胞和培养的动物细胞中表现出良好的活性。Summerton 设计吗啉结构以解决 DNA 类似物相关的成本问题，吗啉的合成成本较低，因为它是由价格较为便宜的核糖核苷开始合成的。

DNA 作为基因的载体，遗传信息被包含在 DNA 碱基的排列次序中，用以指导进行基因复制与转录，蛋白质中氨基酸的排列由碱基的序列所确定。DNA 既是生命遗传的物质基础，又是个体生命活动的信息基础。除了极少数以 RNA 作为遗传物质的病毒之外， DNA 是大部分生物体的遗传物质，其相对稳定，可以进行准确的自我复制，维持父本和后代之间的基因延续，对蛋白质合成、新陈代谢过程和性状发育等有一定的调控作用。RNA 的作用是从 DNA 中提取提取基因信息并引导进行蛋白质的生物合成，完成转录。

从DNA到蛋白质

所谓核酸疫苗，就是利用遗传学方法，将能引发人体保护的抗体的编码基因进行克隆重组，然后进行纯化，从而得到的疫苗。核酸疫苗是利用基因转录翻译机制来实现抗体蛋白的表达，促使机体对其进行特异性的抗体反应，进而达到防治疾病目的。另一种核酸医药方面的应用是基因治疗，它是利用基因工程技术将外来的正常基因导入到目标靶细胞内，从而对由于遗传缺陷或异常而导致的病症进行矫正或弥补，以达到治疗疾病的效果。

在农业方面，利用 DNA 技术对作物进行育种，将优良的遗传因子导入到植物的体内，从而提高作物产量，降低生产成本。在畜牧业方面，人们通过基因工程，利用遗传学技术改良动物群体，克隆一些已经绝迹的物种，或者制造新的品种。而核酸水解物腺苷酸也可被用作植物的生物激素，是制造天然细胞分裂素、激动素、玉米素等腺嘌呤衍生物的原料，也可以促进植物生长，增加农业产量。