核酸

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第850页（3366字）

核酸是指由数十至数十亿个核苷酸通过磷酸二酯键形成的一类生物大分子化合物。

动植物、微生物都含有核酸。根据组成成分不同，核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。DNA是绝大多数生物的遗传物质。

某些病毒和噬菌体则以RNA为遗传物质。

遗传信息的传递和表达是通过核酸分子的复制、转录和转译等一系列复杂过程实现的。

1869年，瑞士米歇尔(F．Mischer)从外科手术绷带上脓细胞的细胞核中提取出一种新的含磷化合物，称之为“核质”，实即由核酸和蛋白质组成的核蛋白。

当时已知的含磷有机化合物只有卵磷脂一种，因此引起了重视。1889年，阿尔特曼(R．Altmann)制得不含蛋白质的核酸，并提出“核酸”这一名称。

核酸在生物体内通常和碱性蛋白质、多胺以及金属离子结合。可从已破碎的细胞中用一定浓度的盐溶液抽提核蛋白，然后加盐至饱和，使核酸和蛋白质解离，并使蛋白质沉淀。

也可用苯酚、氯仿或去垢剂如硫酸十二酯钠或蛋白水解酶去除蛋白质，除去蛋白质的溶液可用乙醇将核酸析出。生物组织中含有核酸酶，因此提取核酸时要尽可能减少或抑制核酸酶的活力，才能获得不降解的核酸制品。

DNA为染色体的主要成分，存在于真核生物的细胞核、线粒体和叶绿体等细胞器中以及原核生物的类核及质粒中。RNA则在细胞核和细胞质中都有。病毒和噬菌体的蛋白质外壳内只有一种核酸，或为DNA，或为RNA。

类病毒则全由RNA构成，没有外壳。

核苷酸是核酸的组成单位，它由碱基、戊糖和磷酸构成。碱基又可分为嘌呤碱和嘧啶碱两类。核酸中常见的嘌呤碱为腺嘌呤(A)和鸟(便)嘌呤(G)，RNA和DNA都含有这两类嘌呤碱。嘧啶碱在RNA中为胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)，在DNA中则为胞嘧啶和胸腺嘧啶(T)。此外，RNA和DNA中还含有少量带有一种或多种基团的修饰碱基。

戊糖在RNA中为D核糖，在DNA中为D－2－脱氧核糖。嘌呤或嘧啶和核糖结合生成的化合物叫核苷，和脱氧核糖结合则成脱氧核苷。核苷和磷酸结合成为核苷酸，脱氧核苷和磷酸结合成脱氧核苷酸。

核苷内2’－羟基可以甲基化，这样形成的核苷或核苷酸就叫作修饰核苷或修饰核苷酸。根据磷酸和核糖上的羟基结合位置不同，又可分为2’－核苷酸、3’－核苷酸和5’－核苷酸。由于脱氧核糖的2’－位碳原子上没有羟基，脱氧核苷酸只有3’脱氧核苷酸和5’－脱氧核苷酸两种。无论RNA或DNA，核苷酸之间都是由3’，5’－磷酸二酯键连接起来的，就是磷酸基团和左边戊糖的3’－羟基形成酯键，同时又和右边戊糖的5’－羟基形成酯键。

核酸的碱基组成 一般用化学方法(酸或碱)或酶解的方法处理核酸，使核酸降解成核苷酸或碱基，然后用纸层析、纸电泳、薄层层析、柱层析或高效液相色谱等方法将生成的核苷酸或碱基分离成单一组分，再分别测定其含量。

核酸中核苷酸的排列顺序，称为核酸的一级结构。

第1个核酸的一级结构是1965年霍利(R．W，Holley)实验室提出的，它就是酵母丙氨酸转移核糖核酸。由桑格(F．Sanger)以及吉尔伯特(W．Gilbert)分别建立的双脱氧法和化学法，对DNA中核苷酸排列顺序测定的贡献很大，使DNA的一级结构测定最为成熟。

除1级结构外，核酸还具有2级结构和3级结构。

霍利对转移核糖核酸提出的三叶草结构，沃森(J．D．Watson)和克里克(F．H．C．Crick)提出的DNA双螺旋结构都是2级结构。DNA的超螺旋结构和酵母苯丙氨酸转移核糖核酸的倒L型立体结构则是3级结构。

由于核酸带有大量磷酸基团，呈强酸性，在生物体内一般以盐的形式存在。

嘌呤碱和嘧啶碱具有强烈吸收紫外光的共轭双键结构，使核酸显示特定的紫外光吸收光谱，高峰为260nm，低峰为230nm。核酸分子的消光系数，比其组成成分核苷酸的消光系数之和要低，因此核酸水解成核苷酸后，其紫外光消光系数有所增加，这叫“增色效应”。

由于核酸含有戊糖和磷酸，测定磷含量和戊糖的颜色反应，常用为检测核酸的方法。RNA中含核糖，和浓盐酸共热后生成糠醛或其衍生物，后者与地衣酚反应呈绿色。

DNA中脱氧核糖与二苯胺在酸中共热呈蓝色。

核酸的生物合成 核酸的嘌呤碱和嘧啶碱是从氨基酸、二氧化碳以及“一碳化合物”合成的，因此在正常情况下生物体能合成自身所需的嘌呤和嘧啶。合成RNA时，各种核糖核苷酸逐步磷酸化成核苷三磷酸如腺苷三磷酸(ATP)、鸟苷三磷酸(GTP)、胞苷三磷酸(CTP)和尿苷三磷酸(UTP)，然后在RNA聚合酶催化下，以DNA的一条链为模板转录成RNA。

合成DNA的脱氧核苷三磷酸，其中脱氧腺苷三磷酸(dATP)、脱氧鸟苷三磷酸(dGTP)和脱氧胞苷三磷酸(dCTP)是从下述途径来的。5’－核苷酸磷酸化先生成核苷二磷酸，一部分继续磷酸化生成核苷三磷酸，一部分则还原成脱氧核苷二磷酸，后者再磷酸化成脱氧核苷三磷酸。脱氧胸苷三磷酸(dTTP)和上面三种脱氧核苷三磷酸不一样，它是从5’－尿苷酸来的。5’－尿苷酸磷酸化成5’－尿苷二磷酸，还原成5’－脱氧尿苷二磷酸，再磷酸化成5’－脱氧尿苷三磷酸，后者去焦磷酸成5’－脱氧尿苷酸，接受“一碳化合物”成5’－脱氧胸苷酸，再逐步磷酸化成脱氧胸苷三磷酸。四种脱氧核苷三磷酸在DNA聚合酶催化下，以DNA的一条链为模板复制成新的DNA链。

核酸的降解代谢 在生物体内核酸降解时生成核苷酸或寡聚核苷酸，寡聚核苷酸进一步水解成核苷酸。核苷酸脱去磷酸则成核苷，后者经核苷磷酸化酶或核苷水解酶的作用放出碱基。在不同动物中再降解成尿酸、尿囊素、尿素或β－丙氨酸等物质。

核酸自人工合成以来，用化学和酶促相结合的方法，已合成许多核酸。

脱氧核糖没有2－羟基，不需特殊保护，所以DNA的合成比RNA要方便，进展也快。许多多肽和蛋白质基因，如生长激素释放抑制因子、胰岛素、生长激素、促性腺激素、干扰素、白细胞介素、凝血因子Ⅷ、促红细胞形成素、血纤维蛋白溶酶原激活剂等的基因，以及一些转移核糖核酸的基因都已经人工合成了。

RNA的合成比DNA为困难，迄至1991年底止，只有酵母丙氨酸转移核糖核酸一种，是中国科学家于1981年完成的。核酸的人工合成不仅有其理论意义，对开展基因工程生产各种生物药物也有重要的作用。

核酸研究今后的热点：1988年美国决定对人体基因组全结构进行研究，拟用15年时间、30亿美元．测定人DNA分子的全部核苷酸(共30亿对)的排列顺序，企图通过这个工作对人类生长、发育、衰老、死亡等生命现象有进一步的了解．为防治疾病、增进健康服务。

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【参考文献】：

1 王德宝，等．酵母丙氨酸转移核糖核酸的人丁．全合成．中国科学B辑，1983，(5)∶385～398

2 王德宝，等主编．核酸－结构功能与合成．北京：科学出版社，上册1986，下册1987

3 王德宝．核酸．大百科全书生物学，生物化学．北京：中国大百科全书出版社，1990．5～8

4 王德宝．核酸．大百科全书生物学．北京：中国大百科全书出版社，1991．533～535

(中国科学院上海生物化学研究所王德宝院士撰)