[科普中國]-核酸

核酸是由許多核苷酸聚合成的生物大分子化合物，為生命的最基本物質(zhì)之一。核酸廣泛存在于所有動植物細(xì)胞、微生物體內(nèi)，生物體內(nèi)的核酸常與蛋白質(zhì)結(jié)合形成核蛋白。不同的核酸，其化學(xué)組成、核苷酸排列順序等不同。根據(jù)化學(xué)組成不同，核酸可分為核糖核酸（簡稱RNA）和脫氧核糖核酸（簡稱DNA）。DNA是儲存、復(fù)制和傳遞遺傳信息的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。RNA在蛋白質(zhì)合成過程中起著重要作用——其中轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸，簡稱tRNA，起著攜帶和轉(zhuǎn)移活化氨基酸的作用；信使核糖核酸，簡稱mRNA，是合成蛋白質(zhì)的模板；核糖體的核糖核酸，簡稱rRNA，是細(xì)胞合成蛋白質(zhì)的主要場所。

簡介高分子化合物的一類,是生命的最基本物質(zhì)之一。由許多(至少幾十)個核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成,存在于所有動植物細(xì)胞、微生物和病毒、噬菌體內(nèi),對生物的生長、遺傳、變異等現(xiàn)象起著決定作用。根據(jù)所含成分,可分為核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩類。核酸與遺傳、腫瘤的發(fā)生、病毒的感染性、射線對機(jī)體的作用都有重要關(guān)系1。

種類與作用核酸同蛋白質(zhì)一樣，也是生物大分子。核酸的相對分子質(zhì)量很大，一般是幾十萬至幾百萬。核酸水解后得到許多核苷酸，實驗證明，核苷酸是組成核酸的基本單位，即組成核酸分子的單體。一個核苷酸分子是由一分子含氮的堿基、一分子五碳糖和一分子磷酸組成的。根據(jù)五碳糖的不同可以將核苷酸分為脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸。

核酸的種類核酸大分子可分為兩類：脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），在蛋白質(zhì)的復(fù)制和合成中起著儲存和傳遞遺傳信息的作用。核酸不僅是基本的遺傳物質(zhì)，而且在蛋白質(zhì)的生物合成上也占重要位置，因而在生長、遺傳、變異等一系列重大生命現(xiàn)象中起決定性的作用。

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（1）五碳糖——DNA是脫氧核糖；RNA是核糖。

（2）堿基——DNA是A、T、C、G（不含U）；RNA是A、U、C、G（不含T）。

（3）DNA通常是雙螺旋結(jié)構(gòu)；RNA通常是單鏈，局部可形成雙螺旋結(jié)構(gòu)。

核酸的應(yīng)用核酸在實踐應(yīng)用方面有極重要的作用，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)近2000種遺傳性疾病都和DNA結(jié)構(gòu)有關(guān)。如人類鐮刀形紅血細(xì)胞貧血癥是由于患者的血紅蛋白分子中一個氨基酸的遺傳密碼發(fā)生了改變，白化病患者則是DNA分子上缺乏產(chǎn)生促黑色素生成的酪氨酸酶的基因所致。腫瘤的發(fā)生、病毒的感染、射線對機(jī)體的作用等都與核酸有關(guān)。70年代以來興起的遺傳工程，使人們可用人工方法改組DNA，從而有可能創(chuàng)造出新型的生物品種。如應(yīng)用遺傳工程方法已能使大腸桿菌產(chǎn)生胰島素、干擾素等珍貴的生化藥物。

研究歷史核酸的發(fā)現(xiàn)1869年，F(xiàn).Miescher從膿細(xì)胞中提取到一種富含磷元素的酸性化合物，因存在于細(xì)胞核中而將它命名為“核質(zhì)”(nuclein）。但核酸(nucleic acids）這一名詞在Miescher發(fā)現(xiàn)“核質(zhì)”20年后才被正式啟用，當(dāng)時已能提取不含蛋白質(zhì)的核酸制品。早期的研究僅將核酸看成是細(xì)胞中的一般化學(xué)成分，沒有人注意到它在生物體內(nèi)有什么功能這樣的重要問題。

DNA遺傳物質(zhì)1944年，Avery等為了尋找導(dǎo)致細(xì)菌轉(zhuǎn)化的原因，他們發(fā)現(xiàn)從S 型肺炎球菌中提取的DNA與R型肺炎球菌混合后，能使某些R型菌轉(zhuǎn)化為S型菌，且轉(zhuǎn)化率與DNA純度呈正相關(guān)，若將DNA預(yù)先用DNA酶降解，轉(zhuǎn)化就不發(fā)生。結(jié)論是：S型菌的DNA將其遺傳特性傳給了R型菌，DNA就是遺傳物質(zhì)。從此核酸是遺傳物質(zhì)的重要地位才被確立，人們把對遺傳物質(zhì)的注意力從蛋白質(zhì)移到了核酸上。

雙螺旋結(jié)構(gòu)核酸研究中劃時代的工作是Watson和Crick于1953年創(chuàng)立的DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。模型的提出建立在對DNA下列三方面認(rèn)識的基礎(chǔ)上：

1．核酸化學(xué)研究中所獲得的DNA化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)單元的知識，特別是Chargaff于1950~1953年發(fā)現(xiàn)的DNA化學(xué)組成的新事實；DNA中四種堿基的比例關(guān)系為A/T=G/C=1。

2．X線衍射技術(shù)對DNA結(jié)晶的研究中所獲得的一些原子結(jié)構(gòu)的最新參數(shù)。

3．遺傳學(xué)研究所積累的有關(guān)遺傳信息的生物學(xué)屬性的知識。綜合這三方面的知識所創(chuàng)立的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，不僅闡明了DNA分子的結(jié)構(gòu)特征，而且提出了DNA作為執(zhí)行生物遺傳功能的分子，從親代到子代的DNA復(fù)制 (replication）過程中，遺傳信息的傳遞方式及高度保真性。其正確性于1958年被Meselson和Stahl的著名實驗所證實。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型的確立為遺傳學(xué)進(jìn)入分子水平奠定了基礎(chǔ)，是現(xiàn)代分子生物學(xué)的里程碑。從此核酸研究受到了前所未有的重視。

DNA分子具有規(guī)則的雙螺旋結(jié)構(gòu)。是由兩條相互平行且反向右旋的脫氧核苷酸長鏈所構(gòu)成，分子中央的堿基堿基互補(bǔ)配對原則以氫鍵相連。DNA獨特的雙螺旋結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對能力使DNA的兩條鏈“可分”，“可合”，半保留復(fù)制自如，“精確”復(fù)制的DNA通過細(xì)胞分裂等方式傳遞下去，使子代（或體細(xì)胞）含有與親代相似的遺傳物質(zhì)。但“精確”復(fù)制并不是絕對不存在差錯，復(fù)制差錯率非常低（約1~10億分之一），然而卻導(dǎo)致基因發(fā)生突變，出現(xiàn)新基因，產(chǎn)生可遺傳的變異，有利于生物的進(jìn)化。

科學(xué)家瑞士生物學(xué)家：米舍爾Friedrich Miescher

美國生物學(xué)家：沃森Watson,James Dewey

英國生物物理學(xué)家：克里克Crick,Francis Harry Compton

英國醫(yī)生：格里菲思Griffith, F.

阿委瑞Avery O. T.

赫爾希Hershey, A.D.

蔡斯Chase, M.

研究進(jìn)展30多年來，核酸研究的進(jìn)展日新月異，所積累的知識幾年就要更新。其影響面之大，幾乎涉及生命科學(xué)的各個領(lǐng)域，現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展使人類對生命本質(zhì)的認(rèn)識進(jìn)入了一個嶄新的天地。

雙螺旋結(jié)構(gòu)創(chuàng)始人之一的Crick于1958年提出的分子遺傳中心法則(centraldogma），揭示了核酸與蛋白質(zhì)間的內(nèi)在關(guān)系，以及RNA作為遺傳信息傳遞者的生物學(xué)功能。并指出了信息在復(fù)制、傳遞及表達(dá)過 程中的一般規(guī)律，即DNA→RNA→蛋白質(zhì)。

遺傳信息以核苷酸順序的形式貯存在DNA分子中，它們以功能單位在染色體上占據(jù)一定的位置構(gòu)成基因（gene）。因此，搞清DNA順序無疑是非常重要的。1975年 Sanger發(fā)明的DNA測序（DNAsequencing）加減法為實現(xiàn)這一企圖起了關(guān)鍵性的作用。由此而發(fā)展起來的大片段DNA順序快速測定技術(shù)──Maxam 和Gilbert的化學(xué)降解法（1977年）和Sanger的末端終止法（1977年），已是核酸結(jié)構(gòu)與功能研究中不可缺少的分析手段。

中國學(xué)者洪國藩于1982年提出了非隨機(jī)的有序DNA測序新策略，對DNA測序技術(shù)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。憑借先進(jìn)的DNA測序技術(shù)及其它基因分析手段，人類正在進(jìn)行一項以探明自身基因組（genome）全部核苷酸順序（單倍基因組 含3×109堿基對）為目標(biāo)的宏偉計劃──人類基因組圖譜制作計劃（human genome mapping project）。據(jù)稱，此項計劃的實現(xiàn)，將對全人類的健康產(chǎn)生無止境的影響。

Watson-Crick模型創(chuàng)立36年后的1989年，一項新技術(shù)──掃描隧道顯微鏡(scanning tummeling microscopy,STM）使人類首次能直接觀測到近似自然環(huán)境中的單個DNA分子的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，觀測數(shù)據(jù)的計算 機(jī)處理圖像能在原子級水平上精確度量出DNA分子的構(gòu)型、旋轉(zhuǎn)周期、大溝（major groove）及小溝（minor groove）。這一成果是對DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型真實性的最直接而可信的證明。此項技術(shù)無疑會對人類最終完全解開遺傳之謎提供有力的幫助?？上驳氖?，中國科學(xué)家在這項世界領(lǐng)先的研究中也占有一席之地。

化學(xué)成分核酸的組成核酸是生物體內(nèi)的高分子化合物。它包括脫氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）兩大類。

核酸完全水解產(chǎn)生嘌呤和嘧啶等堿性物質(zhì)、戊糖（核糖或脫氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解則產(chǎn)生核酸和核苷酸。每個核苷分子含一分子堿基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除產(chǎn)生核苷外，還有一分子磷酸。2

核苷酸的組成單個核苷酸是由含氮有機(jī)堿（稱堿基）、戊糖（即五碳糖）和磷酸三部分構(gòu)成的。

堿基（base）：構(gòu)成核苷酸的堿基分為嘌呤（purine）和嘧啶>；（pyrimi-dine）二類。前者主要指腺嘌呤（adenine，A）和鳥嘌呤（guanine,G），DNA和RNA中均含有這二種堿基。后者主要指胞嘧啶（cytosine,C）胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil,U），胞嘧啶存在于DNA和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶則只存在于RNA中。

嘌呤環(huán)上的N-9或嘧啶環(huán)上的N-1是構(gòu)成核苷酸時與核糖（或脫氧核糖）形成糖苷鍵的位置。

此外，核酸分子中還發(fā)現(xiàn)數(shù)十種修飾堿基（themodifiedcomponent），又稱稀有堿基，（unusualcomponent）。它是指上述五種堿基環(huán)上的某一位置被一些化學(xué)基團(tuán)（如甲基化、甲硫基化等）修飾后的衍生物。一般這些堿基在核酸中的含量稀少，在各種類型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修飾堿基主要見于噬菌體DNA，RNA中以tRNA含修飾堿基最多。

戊糖（五碳糖）：RNA中的戊糖是D－核糖（即在2號位上連接的是一個羥基），DNA中的戊糖是D－2－脫氧核糖（即在2號位上只連一個H）。D－核糖的C－2所連的羥基脫去氧就是D－2脫氧核糖。

戊糖C－1所連的羥基是與堿基形成糖苷鍵的基團(tuán)，糖苷鍵的連接都是β－構(gòu)型。

核苷（nucleoside）：由D－核糖或D－2脫氧核糖與嘌呤或嘧啶通過糖苷鍵連接組成的化合物。核酸中的主要核苷有八種。

核苷酸（nucleotide）：核苷酸與磷酸殘基構(gòu)成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的結(jié)構(gòu)單元。核酸分子中的磷酸酯鍵是在戊糖C-3’和C-5’所連的羥基上形成的，故構(gòu)成核酸的核苷酸可視為3’－核苷酸或5’－核苷酸。DNA分子中是含有A,G,C,T四種堿基的脫氧核苷酸；RNA分子中則是含A,G,C,U四種堿基的核苷酸。

當(dāng)然核酸分子中的核苷酸都以形式存在，但在細(xì)胞內(nèi)有多種游離的核苷酸，其中包括一磷酸核苷、二磷核苷和三磷酸核苷。

連接方式3’，5’－磷酸二酯鍵：核酸是由眾多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide），相鄰二個核苷酸之間的連接鍵即：3’，5’－磷酸二酯鍵。這種連接可理解為核苷酸糖基上的3'位羥基與相鄰5'核苷酸的磷酸殘基之間，以及核苷酸糖基上的5'位羥基與相鄰3'核苷酸的磷酸殘基之間形成的兩個酯鍵。多個核苷酸殘基以這種方式連接而成的鏈?zhǔn)椒肿泳褪呛怂?。無論是DNA還是RNA，其基本結(jié)構(gòu)都是如此，故又稱DNA鏈或RNA鏈。DNA鏈的結(jié)構(gòu)如下示意圖。

寡核苷酸（oligonucleotide）：這是與核酸有關(guān)的文獻(xiàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的一個術(shù)語，一般是指二至十個核苷酸殘基以磷酸二酯鍵連接而成的線性多核苷酸片段。但在使用這一術(shù)語時，對核苷酸殘基的數(shù)目并無嚴(yán)格規(guī)定，在不少文獻(xiàn)中，把含有三十甚至更多個核苷酸殘基的多核苷酸分子也稱作寡核苷酸。寡核苷酸可由儀器自動合成，它可作為DNA合成的引物（primer）、基因探針（probe）等，在現(xiàn)代分子生物學(xué)研究中具有廣泛的用途。

核酸鏈的簡寫式：核酸分子的簡寫式是為了更簡單明了的敘述高度復(fù)雜的核酸分子而使用的一些簡單表示式。它所要表示的主要內(nèi)容是核酸鏈中的核苷酸（或堿基）。下面介紹二種常用的簡寫式。

字符式：書寫一條多核苷酸鏈時，用英文大寫字母縮寫符號代表堿基（DNA和RNA中所含主要堿基及縮寫符號見表1－1），用小寫英文字母P代表磷酸殘基。核酸分子中的糖基、糖苷鍵和酯鍵等均省略不寫，將堿基和磷酸相間排列即可。因省略了糖基，故不再注解“脫氧”與否，凡簡寫式中出現(xiàn)T就視為DNA鏈，出現(xiàn)U則視為RNA鏈。以5'和3'表示鏈的末端及方向，分別置于簡寫式的左右二端。下面是分別代表DNA鏈和RNA鏈片段的二個簡寫式：

5'pApCpTpTpGpApApCpG3'DNA

5'pApCpUpUpGpApApCpG3'RNA

此式可進(jìn)一步簡化為：

5'pACTTGAACG3'

5'pACUUGAACG3'

上述簡寫式的5'－末端均含有一個磷酸殘基（與糖基的C－5'位上的羥基相連），3'－末端含有一個自由羥基（與糖基的C－3'位相連），若5'端不寫P，則表示5'－末端為自由羥基。雙鏈DNA分子的簡寫式多采用省略了磷酸殘基的寫法，在上述簡式的基礎(chǔ)上再增加一條互補(bǔ)鏈（complentarystrand）即可，鏈間的配對堿基用短縱線相連或省略，錯配（mismatch）堿基對錯行書寫在互補(bǔ)鏈的上下兩邊，如下所示：

5'GGAATCTCAT3'

3'CCTTAGAGTA5'

5'GGAATC錯配）

線條式：在字符書寫基礎(chǔ)上，以垂線（位于堿基之下）和斜線（位于垂線與P之間）分別表示糖基和磷酸酯鍵。

上式中，斜線與垂線部的交點為糖基的C－3'位，斜線與垂線下端的交點為糖基的C－5'位。這一書寫式也可用于表示短鏈片段。不難看出，簡寫式表示的中心含義就是核酸分子的一級結(jié)構(gòu)，即核酸分子中的核苷酸（或堿基）排列順序。

分解代謝從前面的描述我們也可以看得很清楚，核酸氧化分解后變成了磷酸和堿基的嘌呤和嘧啶，嘌呤也是導(dǎo)致人類尿酸增高和痛風(fēng)的主要原因。

核酸氧化分解—生成嘌呤—嘌呤在肝臟進(jìn)一步氧化成為（2，6，8—三氧嘌呤）又稱為尿酸，尿酸鹽沉積到關(guān)節(jié)腔等組織引起痛風(fēng)發(fā)作。

因此，核酸不是越多越好，同時，這也說明了為什么中老年易患痛風(fēng)，因為年紀(jì)大了，大量的細(xì)胞死亡，而細(xì)胞內(nèi)有大量的核酸，生成嘌呤，再生成尿酸，從而導(dǎo)致痛風(fēng)發(fā)作。防治好痛風(fēng)就是要防止核酸被氧化。

相關(guān)分類核酸（nucleic acid）是重要的生物大分子，它的構(gòu)件分子是核苷酸（nucleotide）。

天然存在的核酸可分為：

⑴脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）

DNA貯存細(xì)胞所有的遺傳信息，是物種保持進(jìn)化和世代繁衍的物質(zhì)基礎(chǔ)。

RNA中參與蛋白質(zhì)合成的有三類：

轉(zhuǎn)移RNA（transfer RNA，tRNA）、核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA）和信使RNA（messenger RNA，mRNA）

20世紀(jì)末，發(fā)現(xiàn)許多新的具有特殊功能的RNA，幾乎涉及細(xì)胞功能的各個方面。

核苷酸可分為：核糖核苷酸（RNA的構(gòu)件分子）和 脫氧核糖核苷酸（DNA構(gòu)件分子)

細(xì)胞內(nèi)還有各種游離的核苷酸和核苷酸衍生物，它們具有重要的生理功能。

核苷酸由 核苷（nucleoside）磷酸（Phosphonic.acid）組成

核苷由：堿基（base）和 戊糖（Pentose）組成

堿基（base）構(gòu)成核苷酸中的堿基是含氮雜環(huán)化合物，由嘧啶（pyrimidine）和嘌呤（purine）構(gòu)成。

核酸：1.嘌呤堿：腺嘌呤（A）鳥嘌呤（G）2.嘧啶堿： 胞嘧啶（C)胸腺嘧啶（T) 尿嘧啶（U)

DNA中含有4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶，胸腺嘧啶主要存在于DNA中。

RNA中含也有4種堿基：腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶，尿嘧啶主要存在于RNA中。

在某些tRNA分子中也有胸腺嘧啶，少數(shù)幾種噬菌體的DNA含尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。這五種堿基受介質(zhì)pH的影響出現(xiàn)酮式、烯醇式互變異構(gòu)體。

在DNA和RNA中，尤其是tRNA中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基（rare bases）稀有堿基種類很多，大多數(shù)是甲基化堿基。tRNA中含稀有堿基高達(dá)10%。

戊糖核酸中有兩種戊糖DNA中為D-2-脫氧核糖（D-2-deoxyribose），RNA中則為D-核糖（D-ribose）。在核苷酸中，為了與堿基中的碳原子編號相區(qū)別核糖或脫氧核糖中碳原子標(biāo)以C-1’，C-2’等。脫氧核糖與核糖兩者的差別只在于脫氧核糖中與2’位碳原子連結(jié)的不是羥基而是氫，這一差別使DNA在化學(xué)上比RNA穩(wěn)定得多。

核苷核苷是戊糖與堿基之間以糖苷鍵（glycosidic bond）相連接而成。戊糖中C-1’與嘧啶堿的N-1或者與嘌吟堿的N9相連接，戊糖與堿基間的連接鍵是N-C鍵，一般稱為N-糖苷鍵。

RNA中含有稀有堿基，并且還存在異構(gòu)化的核苷。如在tRNA和rRNA中含有少量假尿嘧啶核苷（用ψ表示），在它的結(jié)構(gòu)中戊糖的C-1不是與尿嘧啶的N-1相連接，而是與尿嘧啶C-5相連接。

核苷酸核苷中的戊糖5’碳原子上羥基被磷酸酯化形成核苷酸。核苷酸分為核糖核苷酸與脫氧核糖核苷酸兩大類。依磷酸基團(tuán)的多少，有一磷酸核苷、二磷酸核苷、三磷酸核苷。核苷酸在體內(nèi)除構(gòu)成核酸外，尚有一些游離核苷酸參與物質(zhì)代謝、能量代謝與代謝調(diào)節(jié)，如三磷酸腺苷（ATP）是體內(nèi)重要能量載體；三磷酸尿苷參與糖原的合成；三磷酸胞苷參與磷脂的合成；環(huán)腺苷酸（cAMP）和環(huán)鳥苷酸（cGMP）作為第二信使，在信號傳遞過程中起重要作用；核苷酸還參與某些生物活性物質(zhì)的組成：如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+），尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）。

分子結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子。組成DNA的脫氧核糖核苷酸主要是dAMP、dGMP、dCMP和dTMP，組成RNA的核糖核苷酸主要是AMP、GMP、CMP和UMP。核酸中的核苷酸以3’，5’磷酸二酯鍵構(gòu)成無分支結(jié)構(gòu)的線性分子。核酸鏈具有方向性，有兩個末端分別是5’末端與3’末端。5’末端含磷酸基團(tuán)，3’末端含羥基。核酸鏈內(nèi)的前一個核苷酸的3’羥基和下一個核苷酸的5’磷酸形成3’，5’磷酸二酯鍵，故核酸中的核苷酸被稱為核苷酸殘基。通常將小于50個核苷酸殘基組成的核酸稱為寡核苷酸（oligonucleotide），大于50個核苷酸殘基稱為多核苷酸（polynucleotide）。

空間結(jié)構(gòu)（一）DNA的二級結(jié)構(gòu)

DNA二級結(jié)構(gòu)即雙螺旋結(jié)構(gòu)（double helix structure）。20世紀(jì)50年代初Chargaff等人分析多種生物DNA的堿基組成發(fā)現(xiàn)的規(guī)則。

DNA雙螺旋模型的提出不僅揭示了遺傳信息穩(wěn)定傳遞中DNA半保留復(fù)制的機(jī)制，而且是分子生物學(xué)發(fā)展的里程碑。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)特點如下：①兩條DNA互補(bǔ)鏈反向平行。②由脫氧核糖和磷酸間隔相連而成的親水骨架在螺旋分子的外側(cè)，而疏水的堿基對則在螺旋分子內(nèi)部，堿基平面與螺旋軸垂直，螺旋旋轉(zhuǎn)一周正好為10個堿基對，螺距為3.4nm，這樣相鄰堿基平面間隔為0.34nm并有一個36°的夾角。③DNA雙螺旋的表面存在一個大溝（major groove）和一個小溝（minor groove），蛋白質(zhì)分子通過這兩個溝與堿基相識別。④兩條DNA鏈依靠彼此堿基之間形成的氫鍵而結(jié)合在一起。根據(jù)堿基結(jié)構(gòu)特征，只能形成嘌呤與嘧啶配對，即A與T相配對，形成2個氫鍵；G與C相配對，形成3個氫鍵。因此G與C之間的連接較為穩(wěn)定。⑤DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。維持這種穩(wěn)定性主要靠堿基對之間的氫鍵以及堿基的堆集力（stacking force）。

生理條件下，DNA雙螺旋大多以B型形式存在。右手雙螺旋DNA除B型外還有A型、C型、D型、E型。此外還發(fā)現(xiàn)左手雙螺旋Z型DNA。Z型DNA是1979年Rich等在研究人工合成的CGCGCG的晶體結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。Z-DNA的特點是兩條反向平行的多核苷酸互補(bǔ)鏈組成的螺旋呈鋸齒形，其表面只有一條深溝，每旋轉(zhuǎn)一周是12個堿基對。研究表明在生物體內(nèi)的DNA分子中確實存在Z-DNA區(qū)域，其功能可能與基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)。DNA二級結(jié)構(gòu)還存在三股螺旋DNA，三股螺旋DNA中通常是一條同型寡核苷酸與寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸雙螺旋的大溝結(jié)合，三股螺旋中的第三股可以來自分子間，也可以來自分子內(nèi)。三股螺旋DNA存在于基因調(diào)控區(qū)和其他重要區(qū)域，因此具有重要生理意義。

（二）DNA三級結(jié)構(gòu)——超螺旋結(jié)構(gòu)

DNA三級結(jié)構(gòu)是指DNA鏈進(jìn)一步扭曲盤旋形成超螺旋結(jié)構(gòu)。生物體內(nèi)有些DNA是以雙鏈環(huán)狀DNA形式存在，如有些病毒DNA，某些噬菌體DNA，細(xì)菌染色體與細(xì)菌中質(zhì)粒DNA，真核細(xì)胞中的線粒體DNA、葉綠體DNA都是環(huán)狀的。環(huán)狀DNA分子可以是共價閉合環(huán)，即環(huán)上沒有缺口，也可以是缺口環(huán)，環(huán)上有一個或多個缺口。在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，共價閉合環(huán)DNA（covalently close circular DNA）可以進(jìn)一步扭曲形成超螺旋形（super helical form）。根據(jù)螺旋的方向可分為正超螺旋和負(fù)超螺旋。正超螺旋使雙螺旋結(jié)構(gòu)更緊密，雙螺旋圈數(shù)增加，而負(fù)超螺旋可以減少雙螺旋的圈數(shù)。幾乎所有天然DNA中都存在負(fù)超螺旋結(jié)構(gòu)。

（三）DNA的四級結(jié)構(gòu)——DNA與蛋白質(zhì)形成復(fù)合物

在真核生物中其基因組DNA要比原核生物大得多，如原核生物大腸桿菌的DNA約為4.7×103kb，而人的基因組DNA約為3×106 kb，因此真核生物基因組DNA通常與蛋白質(zhì)結(jié)合，經(jīng)過多層次反復(fù)折疊，壓縮近10 000倍后，以染色體形式存在于平均直徑為5μm的細(xì)胞核中。線性雙螺旋DNA折疊的第一層次是形成核小體（nucleosome）。猶如一串念珠，核小體由直徑為11nm×5.5nm的組蛋白核心和盤繞在核心上的DNA構(gòu)成。核心由組蛋白H2A、H2B、H3和H4各2分子組成，為八聚體，146 bp長的DNA以左手螺旋盤繞在組蛋白的核心1.75圈，形成核小體的核心顆粒，各核心顆粒間有一個連接區(qū)，約有60 bp雙螺旋DNA和1個分子組蛋白H1構(gòu)成。平均每個核小體重復(fù)單位約占DNA 200 bp。DNA組裝成核小體其長度約縮短7倍。在此基礎(chǔ)上核小體又進(jìn)一步盤繞折疊，最后形成染色體。

（四）DNA結(jié)構(gòu)的多態(tài)性

Watson和Crick所推導(dǎo)出來的DNA結(jié)構(gòu)在生物學(xué)研究中有深遠(yuǎn)意義。他們是以在生理鹽溶液中抽出的DNA纖維在92%相對溫度下進(jìn)行X－射線衍射圖譜為依據(jù)進(jìn)行推設(shè)的。在這一條件下得出的DNA稱B構(gòu)象。實際上在溶液中的DNA的確呈這一構(gòu)象，這也是最常見的DNA構(gòu)象。但是，研究表明DNA的結(jié)構(gòu)是動態(tài)的。在以鈉、鉀或銫作反離子，相對溫度為75%時，DNA分子的X－射線衍射圖給出的是A構(gòu)象。這一構(gòu)象不僅出現(xiàn)于脫水DNA中，還出現(xiàn)在RNA分子中的雙螺旋區(qū)域的DNA－RNA雜交分子中。如果以鋰作反離子，相對溫度進(jìn)一步降為66%，則DNA是C構(gòu)象。但是這一構(gòu)象僅在實驗室中觀察到，還未在生物體中發(fā)現(xiàn)。這些DNA分子中G-C堿基對較少，這些分子將取D和E構(gòu)象。這些研究表明DNA的分子結(jié)構(gòu)不是一成不變的，在不同的條件下可以有所不同。但是，這些不同構(gòu)象的DNA都有共同的一點，即它們都是右手雙螺旋；兩條反向平行的核苷酸鏈通過Watson-Crick堿基配對結(jié)合在一起；鏈的重復(fù)單位是單核苷酸；這些螺旋中都有兩個螺旋溝，分為大溝與小溝，只是它們的寬窄和深淺程度有所不同。

但是，Wang和Rich等人在研究人工合成的CGCGCG單晶的X－射線衍射圖譜時分別發(fā)現(xiàn)這種六聚體的構(gòu)象與上面講到的完全不同。它是左手雙螺旋，在主鏈中各個磷酸根呈鋸齒狀排列，有如“之”字形一樣，因此叫它Z構(gòu)象（英文字Zigzag的第一個字母）。還有，這一構(gòu)象中的重復(fù)單位是二核苷酸而不是單核苷酸；而且Z－DNA只有一個螺旋溝，它相當(dāng)于B構(gòu)象中的小溝，它狹而深，大溝則不復(fù)存在。

立即就有幾個問題被提了出來：這種結(jié)構(gòu)是怎樣生成的？這一結(jié)構(gòu)在天然狀態(tài)下存在嗎？它有什么生物學(xué)意義？

研究表明，Z－DNA的形成是DNA單鏈上出現(xiàn)嘌呤與嘧啶交替排列所成的。比如CGCGCGCG或者CACACACA。這種堿基排列方式會造成核苷酸的糖苷鍵的順式和反式構(gòu)象的交替存在。當(dāng)堿基與糖構(gòu)成反式結(jié)構(gòu)時，它們之間離得遠(yuǎn)；而當(dāng)它們成順式時，就彼此接近。嘧啶糖苷鍵通常是反式的，而嘌呤糖苷酸鍵既可成順式的也可成反式的。而在Z－DNA中，嘌呤堿是順式的。這樣，在Z－DNA中嘧啶的糖苷鏈離開小溝向外挑出，而嘌呤上的糖苷鍵則彎向小溝。嘌呤與嘧啶的交替排列就使得糖苷鍵也是順式與反式交替排列，從而使Z－DNA主鏈呈鋸齒狀或“之”字形。

人們相信，并用實驗證明細(xì)胞DNA分子中確實存在有Z－DNA區(qū)。而且，細(xì)胞內(nèi)有一些因素可以促使B－DNA轉(zhuǎn)變?yōu)閆－DNA。比如，胞嘧啶第五位碳原子的甲基化，在甲基周圍形成局部的疏水區(qū)。這一區(qū)域擴(kuò)伸到B－DNA的大溝中，使B－DNA不穩(wěn)定而轉(zhuǎn)變?yōu)閆－DNA。這種C5甲基化現(xiàn)象在真核生物中是常見的。因此在生物B構(gòu)象的DNA中某些區(qū)段具有Z－DNA構(gòu)象是可能的。DNA真是一個構(gòu)象可變動態(tài)分子。

Z－DNA有會么生物學(xué)意義呢？應(yīng)當(dāng)指出Z－DNA的形成通常在熱力學(xué)上是不利的。因為Z－DNA中帶負(fù)電荷的磷酸根距離太近了，這會產(chǎn)物靜電排斥。但是，DNA鏈的局部不穩(wěn)定區(qū)的存在就成為潛在的解鏈位點。DNA解螺旋卻是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄等過程中必要的環(huán)節(jié)，因此認(rèn)為這一結(jié)構(gòu)位點與基因調(diào)節(jié)有關(guān)。比如SV40增強(qiáng)子區(qū)中就有這種結(jié)構(gòu)，又如鼠類微小病毒DNS復(fù)制區(qū)起始點附近有GC交替排列序列。此外，DNA螺旋上溝的特征在其信息表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用。調(diào)控蛋白都是通過其分子上特定的氨基酸側(cè)鏈與DNA雙螺旋溝中的堿基對一側(cè)的氫原子供體或受體相互作用，形成氫鍵從而識別DNA上的遺傳信息的。大溝所帶的遺傳信息比小溝多。溝的寬窄和深淺也直接影響到調(diào)控蛋白質(zhì)對DNA信息的識別。Z－DNA中大溝消失，小溝狹而深，使調(diào)探蛋白識別方式也發(fā)生變化。這些都暗示Z－DNA的存在不僅僅是由于DNA中出現(xiàn)嘌呤－啶嘧交替排列之結(jié)果，也一定是在漫漫的進(jìn)化長河中對DNA序列與結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整與篩選的結(jié)果，有其內(nèi)在而深刻的含意，只是人們還未充分認(rèn)識而已。

DNA構(gòu)象的可變性，或者說DNA二級結(jié)構(gòu)的多態(tài)性的發(fā)現(xiàn)拓寬了人們的視野。原來，生物體中最為穩(wěn)定的遺傳物質(zhì)也可以采用不同的姿態(tài)來實現(xiàn)其豐富多彩的生物的奧妙，也讓人們在這一領(lǐng)域中探索和攀越時減少疲勞和厭倦，樂而忘返，從而有更多更新的發(fā)現(xiàn)。

多年來，DNA結(jié)構(gòu)的研究手段主要是X射線衍線技術(shù)，其結(jié)果是通過間接觀測多個DNA分子有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的平均值而獲得的。同時，這項技術(shù)的樣品分析條件使被測DNA分子與天然狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)。因此，在反映DNA結(jié)構(gòu)真實性方面這種方法存在著缺陷。1989年，應(yīng)用掃描隧道顯微鏡(STM）研究DNA結(jié)構(gòu)克服了上述技術(shù)的缺陷。這種先進(jìn)的顯微技術(shù)，不僅可將被測物放大500萬倍，且能直接觀測接近天然條件下單個DNA分子的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。應(yīng)該說它所取得的DNA結(jié)構(gòu)資料更具有"權(quán)威性"。表1-6是STM測到的B-DNA結(jié)構(gòu)參數(shù)及其與X射線衍線資料的比較結(jié)果。STM研究還證實了d(CG）重復(fù)序列的寡核苷酸片段為Z-DNA結(jié)構(gòu)的事實。STM技術(shù)的應(yīng)用是DNA結(jié)構(gòu)研究中的重要進(jìn)展，可望在探索DNA結(jié)構(gòu)的某些未知點上展示巨大潛力。

基因與基因組（一）基因（gene）的現(xiàn)代分子生物學(xué)概念是指能編碼有功能的蛋白質(zhì)多肽鏈或合成RNA所必需的全部核酸序列，是核酸分子的功能單位。一個基因通常包括編碼蛋白質(zhì)多肽鏈或RNA的編碼序列，保證轉(zhuǎn)錄和加工所必需的調(diào)控序列和5’端、3’端非編碼序列。另外在真核生物基因中還有內(nèi)含子等核酸序列。

（二）基因組（genome）是指一個細(xì)胞或病毒所有基因及間隔序列，儲存了一個物種所有的遺傳信息。在病毒中通常是一個核酸分子的堿基序列，單細(xì)胞原核生物是它僅有的一條染色體的堿基序列，而多細(xì)胞真核生物是一個單倍體細(xì)胞內(nèi)所有的染色體。如人單倍體細(xì)胞的23條染色體的堿基序列。多細(xì)胞真核生物起源于同一個受精卵，其每個體細(xì)胞的基因組都是相同的。

病毒基因組

原核生物基因組

真核生物基因組

在高等真核生物中基因序列占整個基因組不到10%，大部分是非編碼的間隔序列。人類基因組研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在人的基因組中與蛋白質(zhì)合成有關(guān)的基因只占整個基因組2 %。真核生物基因組的最大的特點是出現(xiàn)分隔開的基因，在這類基因中有編碼作用的序列稱外顯子（exon），沒有編碼作用的序列稱內(nèi)含子（intron），它們彼此間隔排列。

RNA的結(jié)構(gòu)絕大部分RNA分子都是線狀單鏈，但是RNA分子的某些區(qū)域可自身回折進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對，形成局部雙螺旋。在RNA局部雙螺旋中A與U配對、G與C配對，除此以外，還存在非標(biāo)準(zhǔn)配對，如G與U配對。RNA分子中的雙螺旋與A型DNA雙螺旋相似，而非互補(bǔ)區(qū)則膨脹形成凸出（bulge）或者環(huán)（loop），這種短的雙螺旋區(qū)域和環(huán)稱為發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hairpin）。發(fā)夾結(jié)構(gòu)是RNA中最普通的二級結(jié)構(gòu)形式，二級結(jié)構(gòu)進(jìn)一步折疊形成三級結(jié)構(gòu)，RNA只有在具有三級結(jié)構(gòu)時才能成為有活性的分子。RNA也能與蛋白質(zhì)形成核蛋白復(fù)合物，RNA的四級結(jié)構(gòu)是RNA與蛋白質(zhì)的相互作用。

（一） tRNA的結(jié)構(gòu)

tRNA約占總RNA的15%，tRNA主要的生理功能是在蛋白質(zhì)生物合成中轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸和識別密碼子，細(xì)胞內(nèi)每種氨基酸都有其相應(yīng)的一種或幾種tRNA，因此tRNA的種類很多，在細(xì)菌中約有30~40種tRNA，在動物和植物中約有50~100種tRNA。1. tRNA一級結(jié)構(gòu)：

tRNA是單鏈分子，含73~93核苷酸，分子質(zhì)量為24 000～31 000kDa，沉降系數(shù)4S。含有10%的稀有堿基。如二氫尿嘧啶（DHU）、核糖胸腺嘧啶（rT）和假尿苷（ψ）以及不少堿基被甲基化，其3’端為CCA-OH，5’端多為pG，分子中大約30%的堿基是不變的或半不變的，也就是說它們的堿基類型是保守的。

2． tRNA二級結(jié)構(gòu)： tRNA二級結(jié)構(gòu)為三葉草型（如右圖）。配對堿基形成局部雙螺旋而構(gòu)成臂，不配對的單鏈部分則形成環(huán)。三葉草型結(jié)構(gòu)由4臂4環(huán)組成。氨基酸臂由7對堿基組成，雙螺旋區(qū)的3’末端為一個4個堿基的單鏈區(qū)-NCCA-OH 3’，腺苷酸殘基的羥基可與氨基酸α羧基結(jié)合而攜帶氨基酸。二氫尿嘧啶環(huán)以含有2個稀有堿基二氫尿嘧啶（DHU）而得名，不同tRNA其大小并不恒定，在8~14個堿基之間變動，二氫尿嘧啶臂一般由3~4對堿基組成。反密碼環(huán)由7個堿基組成，大小相對恒定，其中3個核苷酸組成反密碼子（anticodon），在蛋白質(zhì)生物合成時，可與mRNA上相應(yīng)的密碼子配對。反密碼臂由5對堿基組成。額外環(huán)在不同tRNA分子中變化較大可在4~21個堿基之間變動，又稱為可變環(huán)，其大小往往是tRNA分類的重要指標(biāo)。TψC環(huán)含有7個堿基，大小相對恒定，幾乎所有的tRNA在此環(huán)中都含TψC序列，TψC臂由5對堿基組成。

3． tRNA的三級結(jié)構(gòu)：

二十世紀(jì)七十年代初科學(xué)家用X線射衍技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)tRNA的三級結(jié)構(gòu)為倒L形（如右圖）。tRNA三級結(jié)構(gòu)的特點是氨基酸臂與TψC臂構(gòu)成L的一橫，-CCAOH3’末端就在這一橫的端點上，是結(jié)合氨基酸的部位，而二氫尿嘧啶臂與反密碼臂及反密碼環(huán)共同構(gòu)成L的一豎，反密碼環(huán)在一豎的端點上，能與mRNA上對應(yīng)的密碼子識別，二氫尿嘧啶環(huán)與TψC環(huán)在L的拐角上。形成三級結(jié)構(gòu)的很多氫鍵與tRNA中不變的核苷酸密切有關(guān)，這就使得各種tRNA三級結(jié)構(gòu)都呈倒L形的。在tRNA中堿基堆積力是穩(wěn)定tRNA構(gòu)型的主要因素。

（二）mRNA

原核生物中mRNA轉(zhuǎn)錄后一般不需加工，直接進(jìn)行蛋白質(zhì)翻譯。mRNA轉(zhuǎn)錄和翻譯不僅發(fā)生在同一細(xì)胞空間，而且這兩個過程幾乎是同時進(jìn)行的。真核細(xì)胞成熟mRNA是由其前體核內(nèi)不均一RNA（heterogeneous nuclear RNA，hnRNA）剪接并經(jīng)修飾后才能進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中參與蛋白質(zhì)合成。所以真核細(xì)胞mRNA的合成和表達(dá)發(fā)生在不同的空間和時間。mRNA的結(jié)構(gòu)在原核生物中和真核生物中差別很大。下面分別作一介紹：

1． 原核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點

原核生物的mRNA結(jié)構(gòu)簡單，往往含有幾個功能上相關(guān)的蛋白質(zhì)的編碼序列，可翻譯出幾種蛋白質(zhì)，為多順反子。在原核生物mRNA中編碼序列之間有間隔序列，可能與核糖體的識別和結(jié)合有關(guān)。在5’端與3’端有與翻譯起始和終止有關(guān)的非編碼序列，原核生物mRNA中沒有修飾堿基，5’端沒有帽子結(jié)構(gòu)，3’端沒有多聚腺苷酸的尾巴（polyadenylate tail，polyA尾巴）。原核生物的mRNA的半衰期比真核生物的要短得多，轉(zhuǎn)錄后1min，mRNA降解就開始。

2． 真核生物mRNA結(jié)構(gòu)特點

真核生物mRNA為單順反子結(jié)構(gòu)，即一個mRNA分子只包含一條多肽鏈的信息。在真核生物成熟的mRNA中5’端有m7GpppN的帽子結(jié)構(gòu)，帽子結(jié)構(gòu)可保護(hù)mRNA不被核酸外切酶水解，并且能與帽結(jié)合蛋白結(jié)合識別核糖體并與之結(jié)合，與翻譯起始有關(guān)。3’端有polyA尾巴，其長度為20~250個腺苷酸，其功能可能與mRNA的穩(wěn)定性有關(guān)，少數(shù)成熟mRNA沒有polyA尾巴，如組蛋白mRNA，它們的半衰期通常較短。

（三）rRNA的結(jié)構(gòu)

rRNA占細(xì)胞總RNA的80%左右，rRNA分子為單鏈，局部有雙螺旋區(qū)域具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，原核生物主要的rRNA有三種，即5S、16S和23S rRNA，如大腸桿菌的這三種rRNA分別由120、1542和2904個核苷酸組成。真核生物則有4種，即5S、5.8S、18S和28S rRNA，如小鼠，它們相應(yīng)含121、158、1874和4718個核苷酸。rRNA分子作為骨架與多種核糖體蛋白（ribosomal protein）裝配成核糖體。

所有生物體的核糖體都由大小不同的兩個亞基所組成。原核生物核糖體為70S，由50S和30S兩個大小亞基組成。30S小亞基含16S的rRNA和21種蛋白質(zhì)，50S大亞基含23S和5S兩種rRNA及34種蛋白質(zhì)。真核生物核糖體為80S，是由60S和40S兩個大小亞基組成。40S的小亞基含18S rRNA及33種蛋白質(zhì)，60S大亞基則由28S、5.8S和5S 3種rRNA及49種蛋白質(zhì)組成。

（四）其他RNA分子

20世紀(jì)80年代以后由于新技術(shù)不斷產(chǎn)生，人們發(fā)現(xiàn)RNA有許多新的功能和新的RNA基因。細(xì)胞核內(nèi)小分子RNA（small nuclear RNA，snRNA）是細(xì)胞核內(nèi)核蛋白顆粒（Small nuclear ribonucleoprotein particles，snRNPs）的組成成分，參與mRNA前體的剪接以及成熟的mRNA由核內(nèi)向胞漿中轉(zhuǎn)運(yùn)的過程。核仁小分子RNA（small nucleolar RNA，snoRNA）是類新的核酸調(diào)控分子， 參與rRNA前體的加工以及核糖體亞基的裝配。胞質(zhì)小分子RNA（small cytosol RNA， scRNA）的種類很多，其中7S LRNA與蛋白質(zhì)一起組成信號識別顆粒（signal recognition particle，SRP），SRP參與分泌性蛋白質(zhì)的合成，反義RNA（antisense RNA）由于它們可以與特異的mRNA序列互補(bǔ)配對，阻斷mRNA翻譯，能調(diào)節(jié)基因表達(dá)。核酶是具有催化活性的RNA分子或RNA片段。在醫(yī)學(xué)研究中已設(shè)計了針對病毒的致病基因mRNA的核酶，抑制其蛋白質(zhì)的生物合成，為基因治療開辟新的途徑，核酶的發(fā)現(xiàn)也推動了生物起源的研究。微RNA（microRNA，miRNA）是一種具有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的非編碼RNA，長度一般為20-24個核苷酸，在mRNA翻譯過程中起到開關(guān)作用，它可以與靶mRNA結(jié)合，產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄后基因沉默作用（post-transcriptional gene silencing，PTGS），在一定條件下能釋放，這樣mRNA又能翻譯蛋白質(zhì)，由于miRNA的表達(dá)具有階段特異性和組織特異性，它們在基因表達(dá)調(diào)控和控制個體發(fā)育中起重要作用。

RNA組隨著基因組研究不斷深入，蛋白組學(xué)研究逐漸展開，RNA的研究也取得了突破性的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了許多新的RNA分子，人們逐漸認(rèn)識到DNA是攜帶遺傳信息分子，蛋白質(zhì)是執(zhí)行生物學(xué)功能分子，而RNA即是信息分子，又是功能分子。人類基因組研究結(jié)果表明，在人類基因組中約有30000～40000個基因，其中與蛋白質(zhì)生物合成有關(guān)的基因只占整個基因組的2%，對不編碼蛋白質(zhì)的98%基因組的功能有待進(jìn)一步研究，為此20世紀(jì)末科學(xué)家在提出蛋白質(zhì)組學(xué)后，又提出RNA組學(xué)。RNA組是研究細(xì)胞的全部RNA基因和RNA的分子結(jié)構(gòu)與功能。

相關(guān)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)①酸效應(yīng)：在強(qiáng)酸和高溫，核酸完全水解為堿基，核糖或脫氧核糖和磷酸。在濃度略稀的的無機(jī)酸中，最易水解的化學(xué)鍵被選擇性的斷裂，一般為連接嘌呤和核糖的糖苷鍵，從而產(chǎn)生脫嘌呤核酸。

②堿效應(yīng)

1． DNA：當(dāng)PH值超出生理范圍（pH7~8）時，對DNA結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生更為微妙的影響。堿效應(yīng)使堿基的互變異構(gòu)態(tài)發(fā)生變化。這種變化影響到特定堿基間的氫鍵作用，結(jié)果導(dǎo)致DNA雙鏈的解離，稱為DNA的變性

2．RNA：PH較高時，同樣的變性發(fā)生在RNA的螺旋區(qū)域中，但通常被RNA的堿性水解所掩蓋。這是因為RNA存在的2`-OH參與到對磷酸脂鍵中磷酸分子的分子內(nèi)攻擊，從而導(dǎo)致RNA的斷裂。

③化學(xué)變性：一些化學(xué)物質(zhì)能夠使DNA/RNA在中性PH下變性。由堆積的疏水堿基形成的核酸二級結(jié)構(gòu)在能量上的穩(wěn)定性被削弱，則核酸變性。

物理性質(zhì)①黏性：DNA的高軸比等性質(zhì)使得其水溶液具有高黏性，很長的DNA分子又易于被機(jī)械力或超聲波損傷，同時黏度下降。

② 浮力密度：可根據(jù)DNA的密度對其進(jìn)行純化和分析。在高濃度分子質(zhì)量的鹽溶液（CsCl）中，DNA具有與溶液大致相同的密度，將溶液高速離心，則CsCl趨于沉降于底部，從而建立密度梯度，而DNA最終沉降于其浮力密度相應(yīng)的位置，形成狹帶，這種技術(shù)成為平衡密度梯度離心或等密度梯度離心。

③穩(wěn)定性：核酸的結(jié)構(gòu)相當(dāng)穩(wěn)定，其主要原因有1、堿基對間的氫鍵2、堿基的堆積作用3、環(huán)境中的陽離子。

光譜學(xué)性質(zhì)①減色性：dsDNA相對于ssDNA是減色的，而ssDNA相對于dsDNA是增色的。

② DNA純度：A260/A280。

熱力學(xué)性質(zhì)①熱變性：dsDNA與RNA的熱力學(xué)表現(xiàn)不同，隨著溫度的升高RNA中雙鏈部分的堿基堆積會逐漸地減少，其吸光性值也逐漸地，不規(guī)則地增大。較短的堿基配對區(qū)域具有更高的熱力學(xué)活性，因而與較長的區(qū)域相比變性快。而dsDNA熱變性是一個協(xié)同過程。分子末端以及內(nèi)部更為活躍的富含A-T的區(qū)域的變性將會使其赴京的螺旋變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致整個分子結(jié)構(gòu)在解鏈溫度下共同變性。

② 復(fù)性：DNA的熱變性可通過冷卻溶液的方法復(fù)原。不同核酸鏈之間的互補(bǔ)部分的復(fù)性稱為雜交。

大小和測定一般來說，進(jìn)化程度高的生物DNA分子應(yīng)越大，能貯存更多遺傳信息。但進(jìn)化的復(fù)雜程度與DNA大小并不完全一致，如哺乳類動物DNA約為3×109 bp，但有些兩棲類動物、南美肺魚DNA大小可達(dá)1010bp到1011bp。

常用測定DNA分子大小的方法有電泳法、離心法。凝膠電泳是當(dāng)前研究核酸的最常用方法，凝膠電泳有瓊脂糖（agarose）凝膠電泳和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）凝膠電泳。

水解DNA和RNA中的糖苷鍵與磷酸酯鍵都能用化學(xué)法和酶法水解。在很低pH條件下DNA和RNA都會發(fā)生磷酸二酯鍵水解。并且堿基和核糖之間的糖苷鍵更易被水解，其中嘌呤堿的糖苷鍵比嘧啶堿的糖苷鍵對酸更不穩(wěn)定。在高pH時，RNA的磷酸酯鍵易被水解，而DNA的磷酸酯鍵不易被水解。

水解核酸的酶有很多種，若按底物專一性分類，作用于RNA的稱為核糖核酸酶（ribonuclease，RNase），作用于DNA的則稱為脫氧核糖核酸酶（deoxyribonuclease，DNase）。按對底物作用方式分類，可分核酸內(nèi)切酶（endonuclease）與核酸外切酶（exonuclease）。核酸內(nèi)切酶的作用是在多核苷酸內(nèi)部的3’，5’磷酸二酯鍵，有些內(nèi)切酶能識別DNA雙鏈上特異序列并水解有關(guān)的3’，5’磷酸二酯鍵。核酸內(nèi)切酶是非常重要的工具酶，在基因工程中有廣泛用途。而核酸外切酶只對核酸末端的3’，5’磷酸二酯鍵有作用，將核苷酸一個一個切下，可分為5’→3’外切酶，與3’→5’外切酶。

變性在一定理化因素作用下，核酸雙螺旋等空間結(jié)構(gòu)中堿基之間的氫鍵斷裂，變成單鏈的現(xiàn)象稱為變性（denaturation）。引起核酸變性的常見理化因素有加熱、酸、堿、尿素和甲酰胺等。在變性過程中，核酸的空間構(gòu)象被破壞，理化性質(zhì)發(fā)生改變。由于雙螺旋分子內(nèi)部的堿基暴露，其A260值會大大增加。A260值的增加與解鏈程度有一定比例關(guān)系，這種關(guān)系稱為增色效應(yīng)（hyperchromic effect）。如果緩慢加熱DNA溶液，并在不同溫度測定其A260值，可得到“S”形DNA熔化曲線（melting curve）。從DNA熔化曲線可見DNA變性作用是在一個相當(dāng)窄的溫度內(nèi)完成的。

當(dāng)A260值開始上升前DNA是雙螺旋結(jié)構(gòu)，在上升區(qū)域分子中的部分堿基對開始斷裂，其數(shù)值隨溫度的升高而增加，在上部平坦的初始部分尚有少量堿基對使兩條鏈還結(jié)合在一起，這種狀態(tài)一直維持到臨界溫度，此時DNA分子最后一個堿基對斷開，兩條互補(bǔ)鏈徹底分離。通常把加熱變性時DNA溶液A260升高達(dá)到最大值一半時的溫度稱為該DNA的熔解溫度（melting temperature Tm），Tm是研究核酸變性很有用的參數(shù)。Tm一般在85～95℃之間，Tm值與DNA分子中G C含量成正比。

復(fù)性變性DNA在適當(dāng)條件下，可使兩條分開的單鏈重新形成雙螺旋DNA的過程稱為復(fù)性（renaturation）。當(dāng)熱變性的DNA經(jīng)緩慢冷卻后復(fù)性稱為退火（annealing）。DNA復(fù)性是非常復(fù)雜的過程，影響DNA復(fù)性速度的因素很多：DNA濃度高，復(fù)性快；DNA分子大復(fù)性慢；高溫會使DNA變性，而溫度過低可使誤配對不能分離等等。最佳的復(fù)性溫度為Tm減去25℃，一般在60℃左右。離子強(qiáng)度一般在0.4mol/L以上。

雜交具有互補(bǔ)序列的不同來源的單鏈核酸分子，按堿基配對原則結(jié)合在一起稱為雜交（hybridization）。雜交可發(fā)生在DNA-DNA、RNA-RNA和DNA-RNA之間。雜交是分子生物學(xué)研究中常用的技術(shù)之一，利用它可以分析基因組織的結(jié)構(gòu)，定位和基因表達(dá)等，常用的雜交方法有Southern印跡法，Northern印跡法和原位雜交（insitu hybridization）等。

相關(guān)評論核酸、蛋白質(zhì)誰更“?！?

一般人都知道，生命是蛋白質(zhì)存在的形式，蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)。在發(fā)現(xiàn)核酸前，這句話是對的，但當(dāng)核酸被發(fā)現(xiàn)后，應(yīng)該說最本質(zhì)的生命物質(zhì)是核酸，或是把上述的這句話更正為核酸是生命的基礎(chǔ)。按照現(xiàn)代生物學(xué)的觀點，蛋白體是包括核酸和蛋白質(zhì)的生物大分子。

核酸在生命中為什么比蛋白質(zhì)更重要呢?因為生命的重要性是能自我復(fù)制，而核酸就能夠自我復(fù)制。蛋白質(zhì)的復(fù)制是根據(jù)核酸所發(fā)出的指令，使氨基酸根據(jù)其指定的種類進(jìn)行合成，然后再按指定的順序排列成所需要復(fù)制的蛋白質(zhì)。世界上各種有生命的物質(zhì)都含有蛋白體，蛋 白體中有核酸和蛋白質(zhì)，還沒有發(fā)現(xiàn)有蛋白質(zhì)而沒有核酸的生命。但在有生命的病毒研究中，卻發(fā)現(xiàn)病毒以核酸為主體，蛋白質(zhì)和脂肪以及脂蛋白等只不過充作其外殼，作為與外界環(huán)境的界限而已，當(dāng)它鉆入寄生細(xì)胞繁殖子代時，把外殼留在細(xì)胞外，只有核酸進(jìn)入細(xì)胞內(nèi) ，并使細(xì)胞在核酸控制下為其合成子代的病毒。這種現(xiàn)象，美國科學(xué)家比喻為人和汽車的關(guān)系。即把核酸比為人，蛋白質(zhì)比作汽車，人駕駛汽車到處跑，外表上看，人車一體是有生命運(yùn)動的東西，而真正的生命是人，汽車只是由人制造的載入的外殼。有一種類病毒，是能繁殖子代的有生命物體，其中只有核酸而沒蛋白質(zhì)，可見核酸是真正的生命物質(zhì)。

因此中國1996年最新出版的《人體生理學(xué)》改變了舊教科書中只提蛋白質(zhì)是生命基礎(chǔ)的缺陷，明確提出：“蛋白質(zhì)和核酸是一切生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)?！?/p>

然而，多少年來，人們在一味追求蛋白質(zhì)、維生素、微量元素等營養(yǎng)時，卻把最重要的角色——核酸忘卻了，這不能不說是人類生命史上的一大遺憾。

沒有核酸，就沒有蛋白，也就沒有生命。

核酸也稱多聚核苷酸，是由許多個核苷酸聚合而成的生物大分子，核苷酸是由含氮的堿基、核糖或脫氧核糖、磷酸三種分子連接而成。堿基與糖通過糖苷鍵連接成核苷，核苷與磷酸以酯鍵連接成核苷酸。核苷酸是生物體內(nèi)一類重要含氮化合物，是各種核酸的基本組成單位。根據(jù)核酸所含戊糖的不同，可分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）二種。

核酸不但是一切生物細(xì)胞的基本成分，還對生物體的生長、發(fā)育、繁殖、遺傳及變異等重大生命現(xiàn)象起主宰作用。它在生物科學(xué)的地位，可用“沒有核酸就沒有生命”這句話來概括。

飲食核酸的營養(yǎng)保健作用如下：

1．飲食核酸與免疫 ‘

從核酸對機(jī)體各系統(tǒng)的影響來看，免疫系統(tǒng)是最敏感也是最直接受影響的系統(tǒng)。1985年科學(xué)家就證實無核酸飲食或低核酸飲食配方飼喂的實驗動物，其細(xì)胞免疫功能低下，條件致病菌就可使其感染。無核酸飲食致使T淋巴細(xì)胞發(fā)育障礙、功能低下，而沒有細(xì)胞免疫反應(yīng)的發(fā)生，同時影響T細(xì)胞依賴的體液免疫的產(chǎn)生；補(bǔ)充核酸營養(yǎng)后可恢復(fù)免疫系統(tǒng)的發(fā)育和免疫功能。實驗表明，核酸是維持機(jī)體正常免疫功能和免疫系統(tǒng)生長代謝的必需營養(yǎng)物質(zhì)。

2．飲食核酸與衰老和內(nèi)分泌

衰老是機(jī)體各組織器官的退行性變化，關(guān)于衰老發(fā)生機(jī)制的學(xué)說很多，如自由基學(xué)說、免疫學(xué)說、內(nèi)分泌學(xué)說、遺傳學(xué)說等。脂質(zhì)過氧化隨年齡增大而增高，并伴有酶與非酶系統(tǒng)防御功能下降，導(dǎo)致體內(nèi)自由基濃度升高。代謝性、退行性疾病的發(fā)生和發(fā)展與體內(nèi)過氧化脂質(zhì)含量高度正相關(guān)。飲食核酸作為使遺傳物質(zhì)活潑代謝的原料，具有極強(qiáng)的抗生物氧化、消除體內(nèi)自由基和全面增強(qiáng)免疫功能及性激素分泌的作用，因此在延緩衰老方面優(yōu)勢顯著。

3．飲食核酸與增殖細(xì)胞

飲食中補(bǔ)加核酸有助于肝臟再生和受損傷的小腸恢復(fù)功能。有無核酸飲食對比研究證明，一段時期內(nèi)膳食中如缺乏核酸，將對大鼠肝臟的超微結(jié)構(gòu)及功能造成不良影響，提示飲食核酸是維持肝臟處于正常生理狀態(tài)的必需營養(yǎng)物質(zhì)。血液中的紅細(xì)胞、白細(xì)胞、血小板和血漿蛋白等也都是代謝較快的增殖細(xì)胞系，加之它們中的大多數(shù)均無從頭合成核酸的能力，因此它們的代謝和功能也都需要充足的核酸營養(yǎng)。再生障礙性貧血和抗癌藥物、放療、化療等引起的貧血，即缺鐵性貧血之外的貧血均需補(bǔ)充核酸營養(yǎng)，以改善骨髓造血功能和血液成分的代謝活力。

4．飲食核酸與癌癥

人體每日約有數(shù)百萬個癌狀細(xì)胞出現(xiàn)，它們幾乎全部被機(jī)體的免疫監(jiān)視系統(tǒng)和核酸、維生素等食物成分，在形成大的癌細(xì)胞克隆前排除掉。因此在日常生活中盡量避免致癌因子的作用，增加核酸等防癌因素的作用非常必要。

5．飲食核酸與癡呆等神經(jīng)障礙

食物核酸提取物對癡呆癥狀的改善非常令人鼓舞。在大鼠實驗中，如給大鼠腦注射RNA合成阻斷劑，則所掌握的學(xué)習(xí)能力和記憶能力在5小時后喪失，但如在注射RNA合成阻斷劑的同時注射拮抗阻斷劑的物質(zhì)，這種記憶喪失就不發(fā)生。美國哈佛大學(xué)的研究也表明，老年癡呆患者腦內(nèi)神經(jīng)纖維變化多的部位，RNA和蛋白質(zhì)合成顯著減少，因此發(fā)生記憶障礙。

6．飲食核酸與循環(huán)系統(tǒng)

核酸營養(yǎng)對循環(huán)系統(tǒng)的作用是抑制過氧化脂質(zhì)的形成，抑制膽固醇的生成，擴(kuò)張血管，改善血流，糾正心肌代償不良，促進(jìn)血管壁再生，抑制血小板凝集i因此核酸被認(rèn)為對腦血栓、心肌梗死、高血壓和動脈粥樣硬化癥有較好的營養(yǎng)保健作用。

7、飲食核酸與糖尿病

非胰島素依賴性糖尿病與生活方式和運(yùn)動不足關(guān)系密切，如果在普通的飲食療法的基礎(chǔ)上，再加上核酸飲食，將收到更好的效果。其原因：一是糖尿病患者血清中過氧化脂質(zhì)增多，核酸及其代謝產(chǎn)物對其具有較強(qiáng)的清除作用；二是由于核酸的促細(xì)胞（包括促胰臟的胰島素分泌細(xì)胞）代謝功能。除此之外，核酸的代謝產(chǎn)物腺苷還有抑制糖的分解作用，使糖在小腸內(nèi)的吸收減緩。

除上述作用外，飲食核酸還有以下作用：減肥，提高機(jī)體對環(huán)境變化的耐受力，顯著的抗疲勞、增強(qiáng)機(jī)體對冷熱的抵抗力、促進(jìn)攝人氧氣的利用，促進(jìn)小鼠生殖系統(tǒng)的發(fā)育等。

對于嬰兒、迅速成長期的孩子、老年體弱多病、全身感染、外傷手術(shù)者、肝功能不全以及白細(xì)胞、T細(xì)胞、淋巴細(xì)胞降低人群等，可以額外補(bǔ)充核酸類物質(zhì)。世界衛(wèi)生組織規(guī)定，每天膳食中核酸的量不大于2克，扣除食物中的核酸攝入量，每天補(bǔ)充小于1．5克核酸是合適的。

人工核酸治療白血病

日本工業(yè)技術(shù)院產(chǎn)業(yè)技術(shù)融合領(lǐng)域研究所已開發(fā)出了治療白血病的人造核酸。科研小組的成員、東京大學(xué)研究生院教授多比良和誠根據(jù)動物實驗結(jié)果認(rèn)為，這種人造核酸將來有望成為治療白血病的主要藥物。

這次研究的對象是慢性骨髓性白血病（MCL），患者的異常遺傳因子是由兩個正常的遺傳因子連接而成的，新開發(fā)的人造核酸可以發(fā)現(xiàn)這種變異遺傳基因并將其切斷?？茖W(xué)家過去也發(fā)現(xiàn)過能找到特定的遺傳因子序列并將其切斷的分子，但在切斷特定遺傳因子序列的同時往往對正常細(xì)胞造成傷害。而新開發(fā)出的核酸只在發(fā)現(xiàn)異常遺傳因子時才被激活，平時則潛伏不動。

科研小組用人體白血病細(xì)胞進(jìn)行了動物實驗。他們將可與人造核酸反應(yīng)的細(xì)胞和不可與人造核酸反應(yīng)的細(xì)胞分別注射到8只實驗鼠的體內(nèi)。移植后第13周時，不與人造核酸反應(yīng)的細(xì)胞全部死亡，而與人造核酸反應(yīng)的細(xì)胞全部存活，證明人造核酸在生物體內(nèi)十分有效。

科研小組說，此人造核酸的臨床應(yīng)用尚有諸多問題要解決，將來很可能是把患者的骨髓細(xì)胞抽出來，經(jīng)人造核酸處理后，再把正常細(xì)胞的骨髓輸回患者體內(nèi)。

核酸的生物功能

核酸在生物體內(nèi)主要與蛋白質(zhì)合成核蛋白存在，它既是蛋白質(zhì)生物合成不可缺少的物質(zhì)，又是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。3

DNA主要存在于細(xì)胞核中，它們是遺傳信息的攜帶者，DNA的結(jié)構(gòu)決定生物合成蛋白質(zhì)的特定結(jié)構(gòu)，并保證這種遺傳特性傳給下一代。RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，它們是以DNA為模板而形成的，并且直接參加蛋白質(zhì)的生物合成過程。因此，DNA是RNA的模板，而RNA又是蛋白質(zhì)的模板。存在于DNA分子上的遺傳信息就是這樣由DNA傳遞給RNA，再傳遞給蛋白質(zhì)。通過DNA 復(fù)制，遺傳信息一代代傳下去，正因為有這樣的功能，人們把核酸譽(yù)為“生命之源”和“生命之本”。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

江松敏 - 副教授 - 復(fù)旦大學(xué)