一種生物高分子（見高分子化合物），為重要的生命基礎物質之一。它具有儲存、複製生物體遺傳信息和控制蛋白質合成等主要生物功能。核酸常與蛋白質形成複合物──核蛋白體，並以這種複合物來協調生命活動。核酸分為核糖核酸RNA和去氧核糖核酸DNA兩大類。前者的分子量為104～106，後者的分子量為106～109。

　　發現　1869年J.F.米舍爾首次自膿細胞中分離得到一種含磷的、酸性的細胞核物質“核素”；以後又在對鮭魚精子的研究中，發現分離出來的精子頭部含有一種酸性化合物，現在稱之為核酸。隨後經過R.奧爾特曼、A.科塞爾、E.費歇爾、P.A.T.萊文等化學傢的不斷研究，人們對核酸組分的結構有瞭較清楚的認識。1944年O.T.艾弗裡研究肺炎雙球菌轉化現象的化學本質，發現這是DNA從一種類型細胞轉入另一種類型細胞的結果，從而揭示瞭生物的遺傳性狀與DNA有關。

　　1953年J.D.沃森和F.H.C.克裡克提出瞭脫氧核糖核酸分子的雙螺旋模型，並解釋瞭核酸分子的自身復制和遺傳的保守性。1961年F.雅各佈和J.莫諾提出瞭大腸桿菌乳糖操縱子基因表達的調節控制機理。後來又有許多科學傢破譯瞭遺傳密碼，測定瞭許多核酸的一級結構，完成瞭幾個具有生物活性的核酸分子的合成，並且成功地發展瞭遺傳工程技術，利用生物體生產特殊的蛋白質、多肽激素，從而發展瞭分子生物學，使人們可以在分子水平上研究生命現象。

　　在自然界的分佈及其分離　動植物細胞和除病毒以外的微生物都含有RNA和DNA。一般情況下，植物病毒(包括類病毒)隻含有RNA，細菌病毒（即噬菌體）隻含有DNA，動物病毒則兩者都有。

　　核酸的分離，一般可以通過用冷的酸液處理細胞，分去其大多數酸溶性組分，而獲得酸不溶的RNA和DNA。

　　核酸存在於細胞核和細胞質中，DNA主要分佈在細胞核中，凡細胞核均有DNA，當細胞分裂時，DNA隻能在染色體中找到。生物愈高級、復雜，DNA的含量愈高，在真核細胞的線粒體和葉綠體中也發現有很少量的DNA(約占總量的0.1％～0.2％)，此外，還有極少量的隨體DNA存在於細胞質中。大多數細胞的RNA存在於細胞質中，一小部分在細胞核中。

　　RNA有四種主要的類型：①核蛋白體核糖核酸 rRNA，約占總RNA的80％，它們以與蛋白質結合的方式存在於核糖核蛋白體（簡稱核糖體）中，核糖體在細胞中以顯微顆粒狀附著於內質網上；②轉移核糖核酸tRNA，約占總RNA的15％，以遊離的狀態存在於細胞質中；③信使核糖核酸mRNA，壽命很短，含量也少，約占2％；④核內核糖核酸nRNA。前三種存在於各種生物細胞中，最後一種隻有少量存在於真核細胞中。

　　化學組成　核酸經酸或堿水解可以得到磷酸、戊糖（見碳水化合物）和嘌呤、嘧啶類雜環生物堿的混合物。經A.R.托德等研究確定，核酸是由核苷酸以3＇，5＇-磷酸二酯鍵的方式按一定順序連接而成的線型高分子（圖1）。（見彩圖）

喜樹。從喜樹的根、果、葉中可提取喜樹堿

麻黃。從麻黃莖枝中可提取麻黃堿

毒蕈。可提取蕈毒堿

罌粟。從罌粟果中可提取罌粟堿

　　在RNA分子中，戊糖是D-核糖，主要的堿基是堿基是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)。另外在tRNA中還發現許多修飾（或稀有）堿基，如雙氫尿嘧啶、胸腺嘧啶(T)、次黃嘌呤和各種甲基化的腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶等。

　　在DNA分子中，戊糖是2′-脫氧-D-核糖，主要的堿基是A、G、C和T。在某些細菌病毒的DNA中，5-羥甲基胞嘧啶代替瞭C，其羥基還往往被1～2個葡萄糖取代；在麥芽中還發現有少量5－甲基胞嘧啶等。

　　RNA和DNA 的基本結構單元是核苷酸〔或稱核苷(脫氧核苷)磷酸（酯）〕，其中嘌呤、嘧啶堿雜環內的氮原子和糖分子的C1原子連接成相應的核苷，後者的3′－或5′－羥基被磷酸酯化。這些核苷按照堿基命名，如腺核苷、鳥核苷、胞核苷和尿核苷等。天然遊離的核苷酸的磷酸一般鍵合在核糖的5′-羥基上，有時也以3′－或3′，5′－環磷酸酯鍵的方式存在。

　　結構測定　核酸的基本結構單元是核苷酸，如DNA分子主要由腺脫氧核苷酸、胸脫氧核苷酸、胞脫氧核苷酸和鳥脫氧核苷酸四種脫氧核苷酸組成。這些核苷酸在不同的核酸分子中出現的次數和排列次序是不同的，因而能形成無數的核酸。RNA分子也有相似的組成，主要區別在於它的戊糖組分是核糖。核苷酸在核酸分子中的排列順序，即核酸的一級結構，決定瞭每個核酸分子的性質。

　　一級結構測定　1965年，R.W.霍利等人用重疊法第一次測定瞭含有76個核苷酸的酵母丙氨酸轉移核糖核酸tRNA

，他們將分離純化的核酸分子用特異性的核糖核酸酶部分酶解成小片段，每段約有2～10個核苷酸，經層析分離純化，分別測定其組成和一級結構，然後用片段拼接重疊的方法得到整個分子的順序。1977年F.桑格等用DNA聚合酶拷貝法測定瞭噬菌體 ФX-174DNA的一級結構（有5386個核苷酸）。在這一基礎上又發展瞭用各種直讀法來測定核酸的一級結構。直讀法就是首先將 DAN大分子用限制性內切酶在特定的識別部位降解成鏈長約為200個核苷酸的各種大片段，這些大片段經過分離純化後，分別進行選擇性部分降解(酶解或化學降解)或部分復制，得到四組具有特定切開部位(A、G、C、T)的不同鏈長的核酸混合液，經 同位素標記(見 放射性標記方法)或者事先在整分子階段用同位素標記，然後用聚丙烯酰胺凝膠 電泳，在同一塊凝膠板上同時電泳分離這四組核酸混合物，最後就可以在這張電泳圖譜上直接根據電泳條帶的先後次序讀出被分析的核酸大片段的順序（圖2）。由於直讀法的效率很高，目前RNA的順序也大多采用直讀法或反向轉錄成DNA來測定。從圖中放射性條帶自下而上可以直接讀出被測定的片段的順序：

32pd(CATAAGCTCGCGTTGATTAAG…)

　　二級結構和空間結構測定　沃森和克裡克在L.C.鮑林提出的蛋白質分子具有α-螺旋的結構模型的啟發下，分析瞭DNA晶格的X射線衍射圖譜，於1953年3月18日提出DNA雙螺旋結構模型。（見彩圖）

脫氧核糖核酸(DNA)分子結構模型

　　該模型的要求可歸納為：①DNA大分子具有右旋的雙螺旋結構。②兩條DNA鏈互為反向平行，通常以C

→O─P─O→ C 作為正方向。③構成DNA分子的四種脫氧核苷酸堿基分別以A-T，G-C的方式配成互補的堿基對(圖3)， 其平面與螺旋軸垂直，一條鏈上的堿基都是與另一條鏈上的堿基配對。④天然DNA分子中堿基對兩側的 C 1 ′之間的平均距離是10.95埃，兩者之間的聯線與糖苷鍵構成的夾角平均值為51.5°。每個堿基對的平均旋轉角是36°，10個堿基對形成一圈螺旋，堿基對之間的軸向距離為3.4埃，所以螺距為34埃。⑤在DNA分子中，垂直於螺旋軸有兩個獨立的雙重對稱旋轉軸，其一在堿基對平面上，其二在上下互為重疊的堿基對平面之間。⑥堿基對由於NH…N或NH…O結構中氫鍵的作用而靠近螺旋軸，緊密在聚集在軸附近。與此相反，糖-磷酸酯骨架以膨脹出來的形狀位於螺旋的外側。這樣，DNA雙螺旋的構型會由於滑移的塑變而形成交替的大溝與小溝。

　　對幾種tRNA的二級結構與空間結構的研究結果表明，tRNA具有三葉草型的二級結構（圖4）。

　　功能　生物遺傳性和DNA的復制　DNA是生物細胞的遺傳物質，當細胞分裂時，首先是DNA的雙螺旋在解鏈酶作用下局部解開，此時分開的部分分別作為模板，在DNA聚合酶作用下以細胞內存在的4種脫氧核苷三磷酸為原料復制出兩個新的雙螺旋，並在這兩個新生的DNA雙螺旋分子作用下逐步形成兩個子細胞，直至分裂完成。這兩個子細胞所含的DNA與母體的完全相同。兩條新的DNA雙螺旋中各含有一股來自母體的DNA鏈。

　　控制蛋白質的生物合成　DNA控制蛋白質的生物合成是通過RNA來進行的，而一個生物細胞內的RNA一般是以DNA為模板，在依賴DNA的RNA聚合酶作用下合成的，這個過程稱之為轉錄。

　　當需要合成某一種蛋白質時，細胞核內的DNA把要合成的蛋白質的有關遺傳信息轉錄成mRNA，此mRNA進入細胞質後與細胞質中存在的核糖體結合，此時細胞質中與20種氨基酸相應的各種tRNA即按mRNA的指令攜帶特定的氨基酸逐個依次進入核糖體，合成為具有特定氨基酸排列順序的蛋白質，這個過程稱為翻譯。後來，又發現瞭反向轉錄酶等能由RNA轉錄成DNA。

　　蛋白質的生物合成是由“4 個字母的核酸語言”翻譯成“20個字母的蛋白質語言”的過程，兩者的關系就是所謂的遺傳密碼。在常見的20種氨基酸中，每種氨基酸都至少有一個三核苷二磷酸的密碼子，稱之為三聯密碼。H.G.霍勒納等用化學合成的多聚核苷酸作為mRNA，在體外無細胞蛋白質生物合成體系中合成相應的多肽，比較多肽產物與多聚核苷酸的結構關系，破譯瞭遺傳密碼。另外，利用化學合成法又合成瞭64種三核糖核苷二磷酸，將這些合成的三核糖核苷二磷酸（三聯體）逐個加入到核糖體和多種14C氨酰化tRNA體系中，觀察哪一種14C氨酰化tRNA被結合，從而確定三聯體與氨基酸的對應關系。通過類似的實驗方法終於揭示瞭遺傳密碼表（見表）。從表中可以看到，對應於一個氨基酸可以有幾個三聯密碼子，但這幾個三聯密碼子的前兩個字母是相同的，第三個字母是可變的，稱為遺傳密碼擺動規律，表中的遺傳密碼經過實驗證明是普遍適用的。

遺傳密碼表

　　人工合成　目前采用有機合成和酶催化連接相結合的方法，即短的核酸片段用有機化學方法合成，然後在連接酶催化作用下將這些短片段連接成更長的核酸片段，直到合成整個核酸分子。

　　化學合成目前主要采用帶保護基的低聚核苷酸合成法，即以核苷或核苷酸為原料，通過一定的化學反應將它們分子中不希望參與反應的活性官能團用適當的保護基封閉起來，隻留下允許反應的活性官能團，然後在無水溶劑中，用縮合劑使一分子保護的核苷酸（或保護的低聚核苷酸）的3′-或5′-磷酸基(稱為磷酸基組分)與另一分子保護的核苷酸或核苷的5′-或3′-羥基（稱為羥基組分）縮合，形成以3′，5′-磷酸二（三）酯鍵連接的低聚核苷酸，最後脫去保護基即得合成的多聚核苷酸。用磷酸三酯法合成低聚核苷酸的基本反應式如下：

式中R1，R3，R4為保護基；R2＝H或2′-O-保護基。產物c可進一步3′-磷酸化，成為磷酸基組分，再與另一個羥基組分縮合，向3′-端延伸，或者選擇性脫去5′-O-保護基R1，成為羥基組分，與另一磷酸組分縮合，向5′-端延伸。最後脫去全部保護基，可分離純化得到與天然的核酸降解片段一致的低聚核苷酸。

　　這種帶保護基的低聚核苷酸合成法，由於保護步驟繁雜，縮合步驟又多，分離純化工作量大，有一定的局限性。目前用這種方法合成最長的一定順序的DNA片段是三十一核苷酸，RNA片段是二十核苷酸。近來發展瞭固相合成法，又使用自動固相核酸合成儀器，使核酸合成效率顯著提高。

　　1967年發現瞭DNA連接酶，1972年發現瞭T4RNA連接酶，兩者分別用於連接有機合成的低聚核苷酸片段，把核酸合成工作推進到合成有生物活性的核酸的水平。DNA連接酶是：通過堿基配對將兩個要連接的DNA片段相鄰地固定在DNA模板上，使一個帶5′－磷酸的DNA片段（稱為供體），對另一個帶3′－羥基的DNA片段（稱為受體），進行磷酰化反應，形成3′，5′－磷酸二酯鍵，使兩個DNA片段連接成更長的片段，這種方法已成功地用於遺傳工程所需的各種結構基因的合成和DNA的重組。T4RNA連接酶不需要模板就可以使低聚RNA片段的5′-磷酸供體與低聚RNA受體片段的3′－羥基進行磷酰化反應，從而使兩個低聚 RNA片段連接成更長的片段。中國科學工作者就是用T4RNA連接酶將化學合成的低聚RNA片段逐步連接，合成瞭具有76個核苷酸鏈長的tRNA

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參考書目

　J.D.沃森著，《基因的分子生物學》翻譯組譯：《基因的分子生物學》，科學出版社，北京，1982。(J.D.Watson，Molecular Biology of the Gene，2nd ed.，Benjamin，New York，1970.)

　J.N.達維生著，生物物理研究所二室《核酸的生物化學》翻譯小組譯：《核酸的生物化學》，科學出版社，北京，1983。(J.N.Davidson，The Biochemistry of theNucleic Acids，8th ed.，Academic Press，New York，1976.)