核酸（Nucleic Acid）是一種重要的生物大分子，也是生命的基本物質之一，是由碳、氫、氧、氮等元素組成的高分子化合物，其基本結構單位是核苷酸，最早由米歇爾（J.F.Miescher）從膿細胞的核中分離出來。核酸是生物遺傳信息的載體，分脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（核糖核酸）兩大類。DNA 主要集中在細胞核內，占細胞干重的 5%～15%，RNA 主要分布于細胞質中。核酸參與大量的細胞活動，是生命遺傳的物質基礎，它的生物學功能是攜帶、傳遞和表達遺傳信息，在生物體的生長、遺傳、變異等一系列重大生命現象中起決定性的作用。
歷史沿革
發現和早期研究
核酸最早于1869年由瑞士醫生和生物學家弗雷德里希·米歇爾分離獲得，稱為Nuclein。德國病理學家阿爾特曼（R.Altmann）對米歇爾的研究進行了發展，核酸這個名稱就是由他最先提出來的。1895年，英國遺傳學家威爾遜（E.B.Wilson）推測，染色質與核酸是同一物質，是遺傳物質形成的基礎。
20世紀20年代，德國生理學家柯塞爾（A.Kossel）和他的學生瓊斯（W.Johnes）、列文（P.Levene）對核酸的化學構成進行了初步的探討，其研究結果明確了核酸的化學成分及其最簡單的基本結構，證實它是由四種不同的堿基以及核糖、磷酸等組成，其最簡單的單體結構是核苷酸。在1929年，核酸被確定有兩種，即 脫氧核糖核酸 和 核糖核酸。
重大研究進展
美國細菌學家奧斯瓦德·艾弗里（O.T.Avery）于1944年進行了一項關于肺炎桿菌的轉換實驗，結果表明，引起遺傳性變化的轉化因子并非蛋白質而是 DNA 。1950年，奧地利生物學家埃爾文·查戈夫（E.Chargaff）等對許多生物DNA的的堿基構成進行了分析，發現不同生物?DNA的基本成分存在一定差異。1952年，美國生物學家赫爾希（A.Hershey）和蔡斯（M.Chase）報告了關于噬菌體的感染實驗，進一步證明了 脫氧核糖核酸 是遺傳物質。
1953年，美國科學家沃森（J.D.Watson）和英國科學家弗朗西斯·克里克（F.H.C.Crick）依據堿基組成規律和 DNA 的X射線衍射圖以及蛋白質結構的啟發，提出 DNA 雙螺旋結構模型，說明了基因的結構、信息和功能三者之間的關系。1958年，克里克總結了當時分子生物學的成果，提出了“中心法則”，即遺傳信息從 DNA 傳到 核糖核酸 ，再傳到蛋白質。
組成
元素組成
核酸的元素組成有碳、氫、氧、氮、磷等，通常不含硫，僅個別生物體內含有少量。核酸中磷的含量較多并且比較穩定，約占 9%~10%，因此通過測定磷的含量可以推算核酸的含量。由于核酸都含有磷酸基團，因此核酸呈酸性。
化學組成
磷酸、戊糖與堿基
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，其能夠與Na+、多胺組蛋白結合。核酸中的磷酸參與形成3',5'-磷酸二酯鍵，使核酸連成多核苷酸鏈。
脫氧核糖核酸 所含的戊糖為D-2-脫氧核糖，核糖核酸 所含的戊糖為D-核糖，均為呋喃型環狀結構。二者的區別僅僅在于，脫氧核糖中與2位碳原子連接的不是羥基而是氫，這個結構上的差異導致了?DNA 分子的穩定性高于 RNA。
核酸中的堿基主要有兩類，分別是嘌呤堿基和嘧啶堿基，都是含氮雜環化合物。嘌呤堿基主要包括腺嘌呤（A）和鳥嘌呤（G），堿基主要包括胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）和胸腺嘧啶（T）等，其中尿嘧啶僅見于 RNA，而胸腺嘧啶僅見于 脫氧核糖核酸。
核苷與核苷酸
核是由戊糖與堿基縮合而成的，通過糖苷鍵連接。糖環的首個碳與嘌呤堿的第九個氮結合，構成了嘌呤核苷，而與嘧啶堿的第一個氮結合，構成了嘧啶核苷。按其所含有戊糖的不同，可以將其劃分成脫氧核糖核酸和核糖核酸。
核苷酸是構成核酸大分子的基礎單位，核苷中戊糖的羥基和磷酸通過磷酸酯鍵結合，從而形成核苷酸，生物體內的核苷酸大多數是核糖或脫氧核糖的第五位碳原子上羥基被磷酸化形成。其連接方式都是由一個核苷酸第三位碳原子上的羥基（C-3'）與另一個核苷酸的 5' 磷酸縮合形成 3',5'-磷酸二酯鍵相連。這種連接方式決定了核酸鏈具有特定的方向性，每條鏈具有兩個不同的末端，戊糖 C-5'上帶有游離磷酸基的稱為 5' 端，C-3'上帶有自由基的稱為 3' 端。
分類
脫氧核糖核酸（DNA）
物質簡介
根據核酸化學組成的不同，可以把含有脫氧核糖的天然核酸稱作脫氧核糖核酸（DNA）。DNA 在真核生物中的分布最多，約98%的 DNA 集中于核染色質內，其他的部分則存在于細胞器，如線粒體、葉綠體中，具有半自主性，可以進行復制、轉錄，稱為細胞質 DNA 。不同物種的細胞核中?DNA 含量有很大的差別，但是在同種動物的體細胞中， DNA 的含量卻是一樣的。DNA 是真核生物染色體的重要構成成份，染色體 DNA 分子中的遺傳信息是以堿基序列的形式存在的。
不同生物體內的DNA
真核生物染色體 DNA 是一種單一的線性雙鏈型分子，它末端特殊的端粒結構與組蛋白連接形成核蛋白纖維，并通過螺旋的方式折疊，在細胞核內形成一個染色體。
原核生物染色體 DNA 、質粒 DNA 、真核生物細胞質 DNA 等都是閉合環狀雙鏈 DNA 分子，均暴露在擬核部位，具有自我復制和改變原核生物特征的能力。原核細胞中 DNA 主要分布在核區，同時也包含了質粒 DNA。其中質粒是一種能夠自我復制并能夠傳遞所攜帶的基因資訊的非染色體基因材料。
病毒僅含有兩種類型核酸的其中一種，即只含有 脫氧核糖核酸 的 DNA 病毒，或是只含有 核糖核酸 的 RNA 病毒。不同的病毒 DNA 具有不同的形態結構。大多數動物病毒 DNA為環形雙鏈、線形雙鏈，少數為線形單鏈。植物病毒基因組多數是 RNA ，少數為 DNA 。植物病毒 DNA 要么是環狀雙鏈結構，要么是環狀單鏈結構。噬菌體 DNA 多以線形雙鏈為主，其余的為環狀雙鏈和環狀單鏈結構。
核糖核酸（RNA）
物質簡介
把含有核糖的天然核酸稱作核糖核酸（RNA）。大多數 RNA 均位于細胞質基質中，約90%左右，少數見于細胞核。核糖核酸具有多種類型，按其結構與作用方式可分為三大類：轉運 RNA（轉運RNA）、信使 RNA （mRNA）和核糖體 RNA （rRNA）。細胞內還有部分其他 RNA 分子，如不均一核 RNA（hnRNA）、小核 RNA（snRNA）等，但無論是原核生物還是真核生物都含有上述三大類 RNA 。
轉運RNA（tRNA）
tRNA 在?RNA 中的含量約為15%，是一種重要的生物活性物質，其作用是攜帶已激活的氨基酸進入到核糖體中，并在mRNA的指導下進行蛋白質的生物合成。盡管大部分的蛋白質只含有約20個氨基酸，但是每個氨基酸都有各自的一種或多種 轉運RNA，在一個細胞中，tRNA 的種類通常超過50種。tRNA 在蛋白質的合成中起著運輸氨基酸和確定編碼的功能，所以 tRNA 又叫轉運?RNA。
信使RNA（mRNA）
mRNA 通過?脫氧核糖核酸 中的遺傳信息進行基因轉錄，它的作用是根據基因信息來引導不同的特定蛋白質合成。含有 DNA 的遺傳信息，在蛋白的形成過程中起到模板作用，約占?核糖核酸 總量的3%~5%，且其生命周期較短且易于分解，是最不具穩定性的?RNA 類型。mRNA?是蛋白質合成的重要組成部分，作為該過程的模板，其功能是通過在蛋白質合成中傳輸遺傳信息，所以 mRNA?被稱作是信使?RNA。
核糖體RNA（rRNA）
rRNA 在 RNA 中的占比最多，約為80%，是組成核糖體的主要結構。rRNA 單獨存在時并不起作用，是相對分子質量最大的一類 RNA。rRNA 是單鏈，它與多種蛋白質結合形成核糖體，是蛋白質合成的場所。核糖體中rRNA 約占 60%，蛋白質約占 40%。rRNA 的作用是和蛋白質在細胞中形成核糖體，在這個地方進行蛋白質的合成。
其他RNA分子（hnRNA、snRNA等）
一個細胞中有許多種不同的 mRNA 前體，它們的大小很不一致，平均有8000~10000個堿基，分布范圍較廣，2000~14000個堿基均有，稱為核內不均一核RNA（hnRNA），一般要比 mRNA 大4~5倍。hnRNA 需要進行切除內含子和連接外顯子的剪接等一系列過程，才能成為成熟的 mRNA。
小核 核糖核酸（snRNA）存在于真核生物的細胞核內，是一類稱為小核核糖體復合體的組成成分，長約 100~300 個核苷酸，其功能是在 hmRNA 成熟轉變為 mRNA 的過程中，參與 mRNA 前體的加工過程，其功能和酶相似，并且在將 mRNA 從細胞核中轉運到細胞漿的過程中發揮關鍵作用。
結構
DNA結構
堿基組成規律
DNA 分子中含有6-氨基嘌呤（A）鳥嘌呤（G）胞嘧啶（C）胸腺嘧啶（T）等4種堿基。它們在 DNA 分子中的比例以及排列次序，是決定 DNA 的分子結構和功能的重要因素。DNA 分子中腺嘌呤和胸腺嘧啶的含量相同（A=T）；鳥嘌呤和胞嘧啶的含量也相同（G=C）；嘌呤堿總量與嘧啶堿總量相等（A+G=T+C）。
一級結構
DNA 的一級結構是指脫氧核糖核苷酸的構成和排列次序所決定的。核苷酸以3',5'-磷酸二酯鍵連接成長鏈，而磷酸和戊糖之間相互交替形成 脫氧核糖核酸 的整體結構，鏈的一端有自由的5-磷酸基，稱為5'端，另一端有自由3-羥基，稱為3'端。習慣上5'端寫在左側，3'端寫在右側。核酸鏈無支路，主要是由戊糖和磷酸構成，堿基延伸到一邊，使其在細胞中形成特定的形態。
二級結構（雙螺旋結構）
DNA 的二級結構由兩條多核苷酸鏈圍繞相同的中心軸線上反向平行互相交叉形成的雙螺旋結構，這兩條核酸鏈都是右手螺旋。戊糖環的表面與螺旋軸線相平行，而堿基線則與螺旋軸線相垂直。兩條鏈是用堿基間的氫鍵連接起來的，一條鏈的腺嘌呤一定會和另外一條鏈的胸腺嘧啶成對，它們之間形成兩個氫鍵，同樣，一條鏈的鳥嘌呤必定與另一條鏈的胞嘧啶配成對，它們之間形成三個氫鍵。
三級結構（超螺旋結構）
雙螺旋 脫氧核糖核酸 分子通過扭曲和折疊形成的特定構象稱 DNA 的三級結構，包括不同二級結構單元之間的相互作用，單鏈與二級結構單元之間的相互作用等。大多數的雙鏈環 DNA 可以被進一步的扭轉而成為超螺旋。當雙鏈環向右手方向彎曲的時候，就會產生右手超螺旋，稱為負超螺旋，在這個時候 DNA 雙鏈處于松弛狀態。當雙鏈環向左手方向彎曲的時候，就會產生左手超螺旋，稱為正超螺旋，在這個時候 DNA 雙鏈處于收緊狀態。大部分的超螺旋 脫氧核糖核酸 都是以負超螺旋結構存在的，當負超螺旋解開時，會產生解鏈環狀的 DNA，從而促進 DNA 的復制與轉錄。
四級結構
核酸四級結構是核酸分子與其它分子按一定方式結合所形成的復合結構，如核酸與酶的復合體以及核酸與蛋白質所組成的細胞亞顯微結構核小體、核糖體等。核小體是由一種核心組蛋白和一條環繞其上的 DNA組成的，雙螺旋 DNA 以左手螺旋纏繞在組蛋白核心上，形成核小體核心顆粒。核心顆粒通過?DNA與組蛋白的結合區域，將其連在一起，從而形成一種類似于串珠的構造。真核生物染色體在核小體的基礎上進一步螺旋折疊，形成纖維狀結構及襟狀結構，最后形成棒狀的染色體。
RNA結構
RNA 的一級結構為直線形多聚核苷酸，其相對分子量有很大差異。組成 RNA 的核苷酸之間的連接方式也為3',5'-磷酸二酯鍵。RNA 為單鏈分子，其本身能折疊，使得能結合在一起的堿基相遇匹配，產生氫鍵并形成雙螺旋結構。不能結合的部分就會被排除在雙螺旋結構以外形成突環。這種 RNA 單鏈局部小雙螺旋結構即是 RNA 的二級結構，例如 轉運RNA 的三葉草型二級結構。根據這一結果，還可以通過折疊和扭轉來構造更高層次的 核糖核酸，也就是 RNA 的三級結構，在二級結構中沒有結合的堿基會因為 RNA 的再次彎曲而與其他的未配對的堿基結合，從而產生一個新的氫鍵配對關系，其結果是平面花形結構變成立體花形結構。以 tRNA 為例，二級結構的三葉草形變成了三級結構的倒L形。
相關性質
分子量和黏度
脫氧核糖核酸 和 RNA 均為生物大分子，DNA 的分子量大于?RNA，一般在106~1010之間，不同生物的 DNA 分子量差異很大。通常，越是高級的物種，其 DNA 分子就會變得更大，能夠儲存更多的遺傳信息，但是，進化的復雜性和?DNA的分子量是不等同的。DNA 分子細長且呈線狀分布，其稀溶液具有很高的黏度。隨著 DNA 的變性，其分子結構從雙螺旋型向不規則線團轉變，其延伸的長度縮短，導致溶體的黏度下降，可以用黏度來衡量 DNA 的變性程度，而 核糖核酸 的黏度則要低得多。
溶解性
脫氧核糖核酸 為白色纖維狀固體，RNA 為白色粉末。二者在水里都有微弱的溶解能力，在稀堿溶液中溶解度較大，其鈉鹽在水中的溶解程度較高。在常規的有機溶劑中，?DNA 和 RNA 均不易溶解，但在2-甲氧乙醇中很容易溶解，所以通常采用酒精來進行核酸的沉淀。
紫外吸收
嘧啶環和嘌呤環都存在共軛雙鍵，使得核酸分子在240~290nm的紫外波長范圍內，表現為明顯的吸收峰，有較好的紫外吸收能力。核酸分子在260nm紫外光處有最大吸收峰，常用于核酸、堿基、核苷酸等物質的定量測定。在核酸發生降解或變性后，其峰值強度會明顯增加，這就是所謂的“增色”效應，反之，就是“減色”效應，以此對核酸的變性作出判斷。
穩定性?
核酸作為遺傳物質，其結構是相當穩定的，這是由于?脫氧核糖核酸 和 核糖核酸 雙螺旋區中核苷酸堿基對的尺寸使得它們在螺旋中的位置能很好地形成氫鍵。氫鍵聚集的能量非常大，若不能在同一時間開啟大量的氫鍵，則會導致部分開啟的氫鍵將會回復原來的形態，并維持 DNA 分子結構不變。同時，嘌呤環與嘧啶環具有很大的范德華力作用，環境中的陽離子能與磷酸基結合，從而減少靜電排斥，這些作用力對穩定核酸的結構具有非常關鍵的影響。
酸堿性和水解
由于核酸中存在著堿基及帶有負電荷的磷酸殘基，因此其表現為雙性。但是，由于磷酸酰基比堿基更容易分解，因此，所有的核酸溶液都呈酸性，其更容易與堿性物質發生化學反應，例如常用堿性染料染色來鑒別核酸是否存在。核酸可以和金屬離子形成鹽，也可以和某些堿化合物形成復合物。通過酸和堿酶的催化，使其磷酸酯鍵或氮苷鍵發生水解，并按要求選用合適的方法和工藝條件，從而獲得了不同程度的水解產物。pH較高時，同樣的變性發生在RNA的螺旋區域中，但通常被RNA的堿性水解所掩蓋。
變性、復性和雜交
核酸的變性是一種非常特殊的性質，它的實質是改變了核酸的分子結構，在某些物理、化學因素（如過氧酸、過堿、過熱、變性劑等）作用下，分子內的氫鍵和堿基的聚集能力被打破，使 脫氧核糖核酸 的雙螺旋結構松動，分解成單鏈，雖然它的共價態還保持著，但是失去了生物學上的功能和作用。在核酸的變性中，DNA 的變性是最普遍的，該過程是可以逆轉的。經過一定的處理，變性 DNA 的兩個配對的分子鏈完全或局部回復成雙螺旋結構的過程，稱為復性，DNA 復性后，其物理化學性質與生物學功能得以恢復。具有互補序列的不同來源的單鏈核酸分子在復性過程中會產生新的螺旋結構，而不是全部還原為變性之前的結構，這種按堿基互補，而又不完全互補的兩條 脫氧核糖核酸 鏈彼此連接的現象稱為雜交。
核酸類似物
核酸類似物是與天然存在的RNA和DNA類似（結構相似）的化合物，用于醫學和分子生物學研究。核酸類似物在組成核酸的核苷酸分子以及組成核苷酸的堿基、五碳糖和磷酸基團的分子間發生了改變。通常，這些改變使得核酸類似物的堿基配對和堿基堆積性質發生了改變。比如通用堿基可與所有四個經典堿基配對，又比如磷酸-糖骨架類似物（如PNA）甚至可形成三重螺旋。
核酸類似物包括肽核酸（PNA），嗎啉代和鎖核酸（LNA）以及乙二醇核酸（GNA）和蘇糖核酸（TNA）。因為分子主鏈發生了改變，它們與天然存在的脫氧核糖核酸或核糖核酸有明顯的不同。肽核酸最早由 Nielsen 等人發現，是一種合成的核酸類似物，其中糖-磷酸主鏈被肽主鏈取代，因此，PNA 同時具有多肽和核酸的特性。PNA 具有良好的化學穩定性生物穩定性，可以通過對 PNA 骨架進行各種化學處理，以改善其性能。
Singh 等人于1998年首次將鎖核酸描述為一種新型構象受限寡核苷酸類似物。LNA 是一種雙環核酸，其中一個核糖核苷以亞甲基連接在2'-氧原子和4'-碳原子之間。LNA 對互補的 DNA 和 RNA 有很高的結合親和力和極好的特異性，是 ssDNA 和 ssRNA 特異性識別的常用工具。
嗎啉是另一種常見的核酸類似物，由 James Summerton 于1985年設計，可以在無翻譯系統的細胞和培養的動物細胞中表現出良好的活性。Summerton 設計嗎啉結構以解決 脫氧核糖核酸 類似物相關的成本問題，嗎啉的合成成本較低，因為它是由價格較為便宜的核糖核苷開始合成的。
應用
生理應用
DNA 作為基因的載體，遺傳信息被包含在 DNA?堿基的排列次序中，用以指導進行基因復制與轉錄，蛋白質中氨基酸的排列由堿基的序列所確定。DNA 既是生命遺傳的物質基礎，又是個體生命活動的信息基礎。除了極少數以 核糖核酸 作為遺傳物質的病毒之外，?DNA 是大部分生物體的遺傳物質，其相對穩定，可以進行準確的自我復制，維持父本和后代之間的基因延續，對蛋白質合成、新陳代謝過程和性狀發育等有一定的調控作用。RNA?的作用是從 DNA?中提取提取基因信息并引導進行蛋白質的生物合成，完成轉錄。
醫藥應用
所謂核酸疫苗，就是利用遺傳學方法，將能引發人體保護的抗體的編碼基因進行克隆重組，然后進行純化，從而得到的疫苗。核酸疫苗是利用基因轉錄翻譯機制來實現抗體蛋白的表達，促使機體對其進行特異性的抗體反應，進而達到防治疾病目的。另一種核酸醫藥方面的應用是基因治療，它是利用基因工程技術將外來的正常基因導入到目標靶細胞內，從而對由于遺傳缺陷或異常而導致的病癥進行矯正或彌補，以達到治療疾病的效果。
農牧業應用
在農業方面，利用 脫氧核糖核酸 技術對作物進行育種，將優良的遺傳因子導入到植物的體內，從而提高作物產量，降低生產成本。在畜牧業方面，人們通過基因工程，利用遺傳學技術改良動物群體，克隆一些已經絕跡的物種，或者制造新的品種。而核酸水解物腺苷酸也可被用作植物的生物激素，是制造天然細胞分裂素、激動素、玉米素等腺嘌呤衍生物的原料，也可以促進植物生長，增加農業產量。
參考資料 >