核酸定义

核酸是所有已知生命形式必不可少的大分子或生物聚合物。DNA和RNA由核苷酸组成，核苷酸是单体成分，由含氮碱基、磷酸基团和含有五个碳的糖组成。脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）构成了核酸的两个主要亚类。

核酸是天然存在的化学物质，是生物体内携带信息的主要分子，也是遗传物质的组成部分。所有生物都含有大量的核酸，它们负责创造、编码和存储地球上每种生命类型存在的每个细胞中包含的信息。

然后，它们将这些信息在细胞核内外传输和交流，以影响细胞内部过程，并最终传递给每个生物体的后代。核酸序列赋予RNA和DNA分子内部核苷酸“梯子状”的排列顺序，编码信息在其中包含和传输。在控制蛋白质合成方面，它们尤其重要。

五种基本或规范的核碱基是胞嘧啶、腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶。为了生成碱基对链，一串核苷酸键合形成螺旋骨架——通常RNA为单链，DNA为双链。在RNA和DNA中，唯一存在的元素分别是胸腺嘧啶和尿嘧啶。

这些核碱基对在DNA中的精确排序使得遗传信息能够以基因的形式存储和传输，这是通过使用氨基酸和蛋白质合成过程实现的。RNA中的碱基对测序使得能够产生新的蛋白质，这些蛋白质定义了所有生物的结构成分和大部分化学反应。

1869年，弗里德里希·米歇尔在德国图宾根大学首次发现了核酸。他称其为核素。阿尔布雷希特·科塞尔在19世纪80年代初的几个月里进一步提炼了这种物质，并确定了其极强的酸性特征。后来，他还确定了核碱基。理查德·阿尔特曼于1889年创造了“核酸”一词；当时，DNA和RNA尚未相互区分开来。1938年，阿斯特伯里和贝尔发表了第一个DNA X射线衍射图谱。

1953年，沃森和克里克提出了DNA的双螺旋结构，而1944年的艾弗里-麦克劳德-麦卡蒂实验证明DNA是遗传信息的载体。核酸的实验研究奠定了基因组学和法医学以及生物技术和制药行业的基础，构成了当代生物学和医学研究的重要组成部分。

命名约定和存在

DNA和RNA属于生物聚合物家族，“核酸”一词用于统称所有这些生物聚合物。除了位于细胞中心（它们最初被发现的地方）之外，DNA和RNA中的磷酸键（与磷酸相关）是“核酸”一词的由来。从那时起，核酸已被证明存在于所有已知的生命实体中，包括细菌、古菌、线粒体、叶绿体和病毒（所有这些实体是否存在仍然存在争议）。

最初，人们认为核酸仅存在于真核细胞的细胞核中。与病毒通常只携带DNA或RNA两种成分之一不同，所有活细胞都含有DNA和RNA，但也有例外，例如成熟的红细胞。核苷酸是生物核酸的基本组成单位。

它由一个磷酸基团、一个核碱基和一个戊糖（核糖或脱氧核糖）组成。此外，在实验室中，固相化学合成和酶（DNA和RNA聚合酶）也被用于生产核酸。化学技术还可以生产自然界中不存在的改性核酸，例如肽核酸。

分子的大小和组成

一般来说，核酸是相当大的分子。已知最大的单个分子很可能是DNA分子。经过充分研究的生物核酸分子的大小范围从只有21个核苷酸的微小干扰RNA到大型染色体（人类1号染色体是一个含有2.47亿个碱基对的单一分子）。

自然界中的DNA和RNA分子通常分别是单链和双链。然而，也有许多例外。例如，一些病毒拥有单链DNA基因组，而另一些则拥有双链RNA基因组。此外，在某些条件下，也可以形成多链核酸结构。

由核碱基和糖组成的亚结构称为核苷。不同形式核酸的核苷酸中糖的结构各不相同；例如，RNA含有核糖，而DNA含有2'-脱氧核糖，唯一的区别是羟基的存在。腺嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤都存在于RNA和DNA中；然而，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶只存在于RNA中。两种不同核酸类型中发现的核碱基也不同。

核酸含有糖和磷酸的交替序列，它们通过磷酸二酯键连接在一起，形成所谓的糖-磷酸骨架。根据传统命名法，磷酸基团结合在糖的3'端和5'端碳原子上。

核酸分子末端因此被称为5'-端和3'-端。N-糖苷键连接核碱基与糖，该键由戊糖环的1'碳和核碱基环的氮组成。

拓扑

互补序列是双链核酸的组成部分，这些序列中广泛使用沃森-克里克碱基配对来产生高度重复和均匀的双螺旋三维结构。单链RNA和DNA分子不局限于标准的双螺旋，它们可以采用极其复杂的三维形式，这些形式建立在短的分子内碱基配对序列片段上，其中包括沃森-克里克和非规范碱基对，以及各种复杂的三级相互作用。

核酸分子可以是线性的或环状的，并且通常是非分支的。例如，真核细胞核中的染色体通常是线性的双链DNA分子，而质粒、线粒体DNA和叶绿体DNA通常是环状的双链DNA分子。

尽管环状和分支RNA分子可以从RNA剪接事件中产生，但线性、单链RNA分子构成了大多数RNA分子。双链DNA分子在其总体组成中含有等量的嘧啶和嘌呤。螺旋直径约为20埃。

序列

每个DNA或RNA分子中核苷酸的序列是区分它们的原因。由于它们包含编码所有生物分子、分子组装体、亚细胞和细胞结构、器官和生物体的最终指令，并直接实现认知、记忆和行为，核苷酸序列在生物学中起着重要作用。

由于为确定生物DNA和RNA分子的核苷酸序列而投入了巨大的努力，全球基因组中心和小型实验室每天测序数亿个核苷酸。

核酸的种类

1. 脱氧核糖核酸（DNA）

脱氧核糖核酸（DNA）是一种核酸，包含所有已知生物生长和运作所需的遗传指令。尽管DNA分子于1869年被发现，但其对遗传遗传的重要性直到1943年才被阐明。基因是DNA中包含这种遗传数据的部分。

其他DNA序列参与调节这种遗传数据的使用或具有结构功能。DNA与RNA和蛋白质一起是所有已知生命形式必不可少的三种主要大分子之一。核苷酸由通过酯键连接的糖和磷酸基团组成的骨架构成DNA的两个长聚合物单体单元。

由于它们的反平行方向，这两条链彼此平行。每个糖都含有一个核碱基，或碱基，它是四种不同类型的分子之一。这四种核碱基沿着骨架的排列包含了遗传密码。以遗传密码为指导，这些信息描述了蛋白质中的氨基酸序列。

转录是一种生物过程，通过将DNA片段复制到相关的核酸RNA中来读取密码。染色体是长的DNA序列，细胞通过它们组织DNA。细胞分裂期间的DNA复制过程导致这些染色体的复制，使每个细胞都具有完整的染色体。

动物、植物、真菌和原生生物是真核生物的例子。它们的大部分DNA存储在细胞核中，一部分存储在线粒体或叶绿体等细胞器中。相反，DNA只存储在原核生物（细菌和古菌）的细胞质中。

2. 核糖核酸（RNA）

核糖核酸（RNA）是一种聚合分子，对许多生物过程至关重要，包括基因的编码、解码、控制和表达。核酸包括RNA和脱氧核糖核酸（DNA）。核酸是所有已知生命形式所需的四种主要大分子之一，与脂质、蛋白质和碳水化合物并列。

RNA的组成单位是核苷酸，就像DNA一样，但与DNA不同的是，RNA在自然界中以自身折叠的单链形式存在，而不是成对的双链。细胞生物利用信使RNA（mRNA）中的含氮碱基鸟嘌呤、尿嘧啶、腺嘌呤和胞嘧啶（分别表示为G、U、A和C）来传递遗传信息，指导特定蛋白质的合成。大量病毒利用RNA基因组来编码其遗传物质。

一些RNA分子积极参与细胞内的生物过程，通过调节基因表达、催化生物过程或感知和传递对细胞信号的响应。其中一项持续进行的活动是在核糖体上生产蛋白质，这是由RNA分子控制的普遍功能。为此，转运RNA（tRNA）分子将氨基酸运送到核糖体，在那里核糖体RNA（rRNA）将氨基酸连接起来，形成编码蛋白质。

3. 核酸类似物

核酸类似物是结构上与天然RNA和DNA相似的物质，用于分子生物学研究和治疗。核酸链由一个或四个核碱基、一个磷酸骨架和一种戊糖（核糖或脱氧核糖）组成。

这些中的任何一个都可以在类似物中进行修改。类似核碱基通常会赋予不同的碱基配对和碱基堆叠能力等。例如，通用碱基可以与四种常规碱基中的每一种配对，而磷酸-糖骨架的类似物，如PNA，可以改变链的特性（PNA甚至能够形成三螺旋）。

异种生物学（研究基于不同生物化学的新型生命形式的构建）的基石之一是核酸类似物（也称为异种核酸）的研究。肽核酸（PNA）、吗啡啉和锁定核酸（LNA），以及糖核酸（GNA）、苏糖核酸（TNA）和己醇核酸（HNA）是人工核酸的例子。

分子骨架的变化使这些物质能够与体内自然产生的DNA或RNA区分开来。研究人员在2014年5月报告称，他们成功地将两种新的人工核苷酸插入细菌DNA中，并通过在培养基中加入单个模拟核苷酸，将细菌传代了24次。

然而，他们还没有生产出能够利用人工核苷酸的mRNA或蛋白质。合成核苷酸中可以看到两个连接的芳香环。几种核苷类似物被用作抗病毒或抗癌药物。病毒聚合酶的作用是将这些物质与非规范碱基结合。这些物质以核苷形式递送，因为带电的核苷酸不能轻易穿过细胞膜，必须首先在细胞中转化为核苷酸才能激活它们。

致癌核苷酸类似物BrdU中发现的异常碱基5-溴尿嘧啶（5BU）是使用最广泛的碱基类似物之一。然而，当含有5-溴尿嘧啶的核苷酸整合到DNA中时，它可以自发地变为另一种异构体，与不同的核碱基鸟嘌呤配对。

当这种情况发生时，这种异构体更有可能与腺嘌呤配对。如果这种情况发生在DNA复制过程中，鸟嘌呤将被插入作为类似的反义碱基，在随后的DNA复制中，该鸟嘌呤将与胞嘧啶配对。结果，发生了一个转换突变，它改变了DNA的一个碱基对。