核酸

生物聚合物

核酸是脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）的总称，是由许多核苷酸单体聚合成的生物大分子化合物，为生命的最基本物质之一。

种类与作用

种类

核苷酸是组成核酸的基本单位，即组成核酸分子的单体。一个核苷酸分子是由一分子含氮的碱基、一分子五碳糖和一分子磷酸组成的。根据五碳糖的不同可以将核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。

核酸类似物

核酸类似物是与天然存在的RNA和DNA类似（结构相似）的化合物，用于医学和分子生物学研究。核酸类似物在组成核酸的核苷酸分子以及组成核苷酸的碱基、五碳糖和磷酸基团的分子间发生了改变。通常，这些改变使得核酸类似物种的碱基配对和碱基堆积性质发生了改变。比如通用碱基可与所有四个经典碱基配对，又比如磷酸-糖骨架类似物（如PNA）甚至可形成三重螺旋。核酸类似物也称为异种核苷酸，代表了异种生物学的主要支柱之一，即基于替代生物化学的新生自然形式的生命设计。

核酸类似物包括肽核酸（PNA），吗啉代和锁核酸（LNA）以及乙二醇核酸（GNA）和苏糖核酸（TNA）。因为分子主链发生了改变，它们与天然存在的DNA或RNA有明显的不同。

作用

DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础。

RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用——其中转运核糖核酸，简称tRNA，起着携带和转移活化氨基酸的作用；信使核糖核酸，简称mRNA，是合成蛋白质的模板；核糖体的核糖核酸，简称rRNA，是细胞合成蛋白质的主要场所。

此外，现在已知许多其他种类的功能RNA，如microRNA等。

核酸类似物主要用于医学和分子生物学研究。

历史

核酸的发现

核酸最早于1869年由瑞士医生和生物学家弗雷德里希·米歇尔分离获得，称为Nuclein。

在19世纪80年代早期，德国生物化学学家，1910年诺贝尔生理和医学奖获得者科塞尔进一步纯化获得核酸，发现了它的强酸性。他后来也确定了核碱基。

1889年，德国病理学家Richard Altmann创造了核酸这一术语，取代了Nuclein。

1919年，一位美籍俄罗斯医生和化学家菲巴斯·利文首先发现了单核苷酸的三个主要成分（磷酸盐、戊糖和氮基）的顺序。

1938年，英国物理学家和生物学家威廉·阿斯特伯里和Florence Bell（后来改名为Florence Sawyer）发表了第一个DNA的X射线衍射图谱。

1953年，美国分子生物学家詹姆斯·沃森和英国分子生物学家弗朗西斯·克里克确定了DNA的结构。

核酸的实验研究构成了现代生物学和医学研究的重要组成部分，并为基因组和法医学以及生物技术和制药工业奠定了基础。

分子大小及组成

分子大小

核酸分子通常很大。实际上，DNA分子可能是已知的最大的单个生物分子。

但也有比较小的核酸分子。

核酸分子的大小范围从21个核苷酸（小干扰RNA）到大染色体（人类染色体是一个含有2.47亿个碱基对的单个分子）不等。

化学组成

核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解则产生核酸和核苷酸。每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸。

DNA和RNA含有的核糖不同，DNA含有脱氧核糖，而RNA含有核糖。此外，DNA和RNA中含有的碱基也有差别：DNA和RNA都含有腺嘌呤，胞嘧啶和鸟嘌呤，但DNA中不含有尿嘧啶，只有胸腺嘧啶

核酸中的糖和磷酸盐通过磷酸二酯键以交替链（糖 - 磷酸骨架）相互连接。磷酸基团所连接的碳是糖的3'-末端，与碳原子结合的碳是5'-末端，这就产生了核酸的方向性。核碱基通过N-糖苷键与糖连接。

在RNA和DNA中也发现了非标准核苷，它们通常来自DNA分子内的标准核苷或初始RNA转录物的修饰。转移RNA（tRNA）分子含有特别多的修饰核苷。

分子组成

天然存在的DNA分子在大多数情况下是双链的，而RNA分子是单链的。然而，有许多例外。一些病毒具有由双链RNA构成的基因组，而其他病毒具有单链DNA基因组，并且在某些情况下，可形成具有三个或四个链的核酸结构。

相关性质

化学性质

酸效应：在强酸和高温下核酸完全水解为碱基，核糖或脱氧核糖和磷酸。在浓度略稀的无机酸中，最易水解的化学键被选择性的断裂，一般为连接嘌呤和核糖的糖苷键，从而产生脱嘌呤核酸。

碱效应：当pH值超出生理范围（pH7~8）时，对DNA结构将产生更为微妙的影响。碱效应使碱基的互变异构态发生变化。这种变化影响到特定碱基间的氢键作用，结果导致DNA双链的解离，称为DNA的变性。pH较高时，同样的变性发生在RNA的螺旋区域中，但通常被RNA的碱性水解所掩盖。

化学变性：一些化学物质能够使DNA或RNA在中性pH下变性。由堆积的疏水碱基形成的核酸二级结构在能量上的稳定性被削弱，则核酸变性。

物理性质

黏性：DNA的高轴比等性质使得其水溶液具有高黏性，很长的DNA分子又易于被机械力或超声波损伤，同时黏度下降。

浮力密度：可根据DNA的密度对其进行纯化和分析。在高浓度分子质量的盐溶液（CsCl）中，DNA具有与溶液大致相同的密度，将溶液高速离心，则CsCl趋于沉降于底部，从而建立密度梯度，而DNA最终沉降于其浮力密度相应的位置，形成狭带，这种技术成为平衡密度梯度离心或等密度梯度离心。

稳定性：核酸的结构相当稳定，其主要原因有碱基对间的氢键、碱基的堆积作用和环境中的阳离子。

光谱学性质

减色性：dsDNA相对于ssDNA是减色的，而ssDNA相对于dsDNA是增色的。

DNA纯度：通过测量A260/A280和A260/A230进行判断。

变性、复性和杂交

变性

在一定理化因素作用下，核酸双螺旋等空间结构中碱基之间的氢键断裂，变成单链的现象称为变性（denaturation）。

引起核酸变性的常见理化因素有加热、酸、碱、尿素和甲酰胺等。在变性过程中，核酸的空间构象被破坏，理化性质发生改变。由于双螺旋分子内部的碱基暴露，其A260值会大大增加。A260值的增加与解链程度有一定比例关系，这种关系称为增色效应（hyperchromic effect）。如果缓慢加热DNA溶液，并在不同温度测定其A260值，可得到“S”形DNA熔化曲线（melting curve）。从DNA熔化曲线可见DNA变性作用是在一个相当窄的温度内完成的。

当A260值开始上升前DNA是双螺旋结构，在上升区域分子中的部分碱基对开始断裂，其数值随温度的升高而增加，在上部平坦的初始部分尚有少量碱基对使两条链还结合在一起，这种状态一直维持到临界温度，此时DNA分子最后一个碱基对断开，两条互补链彻底分离。通常把加热变性时DNA溶液A260升高达到最大值一半时的温度称为该DNA的熔解温度（melting temperature Tm），Tm是研究核酸变性很有用的参数。Tm一般在85～95℃之间，Tm值与DNA分子中G C含量成正比。

复性

变性DNA在适当条件下，可使两条分开的单链重新形成双螺旋DNA的过程称为复性（renaturation）。当热变性的DNA经缓慢冷却后复性称为退火（annealing）。DNA复性是非常复杂的过程，影响DNA复性速度的因素很多：DNA浓度高，复性快；DNA分子大复性慢；高温会使DNA变性，而温度过低可使误配对不能分离等等。最佳的复性温度为Tm减去25℃，一般在60℃左右。离子强度一般在0.4mol/L以上。

杂交

具有互补序列的不同来源的单链核酸分子，按碱基配对原则结合在一起称为核酸杂交（hybridization）。杂交可发生在DNA-DNA、RNA-RNA和DNA-RNA之间。杂交是分子生物学研究中常用的技术之一，利用它可以分析基因组织的结构，定位和基因表达等，常用的杂交方法有Southern印迹法，Northern印迹法和原位杂交等。

科学研究

2023年5月10日晚，天舟六号货运飞船上行了98件科学实验产品，其中，在空间生命科学与生物技术领域，问天实验舱生物技术实验柜将开展蛋白与核酸共起源及密码子起源的分子进化研究等4项科学实验。

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