核酸

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鹼基、一分子五碳糖和一分子磷酸組成的。根據五碳糖的不同可以將核酸分為脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩大類。

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，用於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鹼基、五碳糖和磷酸基團的分子間發生了改變 ^[1]  。通常，這些改變使得核酸類似物種的鹼基配對和鹼基堆積性質發生了改變。比如通用鹼基可與所有四個經典鹼基配對，又比如磷酸-糖骨架類似物（如PNA）甚至可形成三重螺旋 ^[2]  。核酸類似物也稱為異種核苷酸，代表了異種生物學的主要支柱之一，即基於替代生物化學的新生自然形式的生命設計。

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DNA或RNA有明顯的不同。

DNA是儲存、複製和傳遞遺傳信息的主要物質基礎。

RNA在蛋白質合成過程中起着重要作用——其中轉運核糖核酸，簡稱tRNA，起着攜帶和轉移活化氨基酸的作用；信使核糖核酸，簡稱mRNA，是合成蛋白質的模板；核糖體的核糖核酸，簡稱rRNA，是細胞合成蛋白質的主要場所。

此外，現在已知許多其他種類的功能RNA，如microRNA等。

核酸類似物主要用於醫學和分子生物學研究 ^[1-2]  。

核酸最早於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 ^[3]  。

在19世紀80年代早期，德國生物化學學家，1910年諾貝爾生理和醫學獎獲得者科塞爾進一步純化獲得核酸，發現了它的強酸性。他後來也確定了核鹼基。

1889年，德國病理學家Richard Altmann創造了核酸這一術語 ^[4]  ，取代了Nuclein。

1919年，一位美籍俄羅斯醫生和化學家菲巴斯·利文首先發現了單核苷酸的三個主要成分（磷酸鹽、戊糖和氮基）的順序。 ^[5] 

1938年，英國物理學家和生物學家威廉·阿斯特伯裏和Florence Bell（後來改名為Florence Sawyer）發表了第一個DNA的X射線衍射圖譜 ^[6]  。

1953年，美國分子生物學家詹姆斯·沃森和英國分子生物學家弗朗西斯·克里克確定了DNA的結構 ^[7]  。

核酸的實驗研究構成了現代生物學和醫學研究的重要組成部分，併為基因組和法醫學以及生物技術和製藥工業奠定了基礎。

核酸分子通常很大。實際上，DNA分子可能是已知的最大的單個生物分子。

但也有比較小的核酸分子。

核酸分子的大小範圍從21個核苷酸（小干擾RNA）到大染色體（人類染色體是一個含有2.47億個鹼基對的單個分子 ^[8]  ）不等。

核酸完全水解產生嘌呤和嘧啶等鹼性物質、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物。核酸部分水解則產生核酸和核苷酸。每個核苷分子含一分子鹼基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解後除產生核苷外，還有一分子磷酸。

DNA和RNA含有的核糖不同，DNA含有脱氧核糖，而RNA含有核糖。此外，DNA和RNA中含有的鹼基也有差別：DNA和RNA都含有腺嘌呤，胞嘧啶和鳥嘌呤，但DNA中不含有尿嘧啶，只有胸腺嘧啶

核酸中的糖和磷酸鹽通過磷酸二酯鍵以交替鏈（糖 - 磷酸骨架）相互連接。磷酸基團所連接的碳是糖的3'-末端，與碳原子結合的碳是5'-末端，這就產生了核酸的方向性。核鹼基通過N-糖苷鍵與糖連接。

在RNA和DNA中也發現了非標準核苷，它們通常來自DNA分子內的標準核苷或初始RNA轉錄物的修飾。轉移RNA（tRNA）分子含有特別多的修飾核苷。

天然存在的DNA分子在大多數情況下是雙鏈的，而RNA分子是單鏈的 ^[9]  。然而，有許多例外。一些病毒具有由雙鏈RNA構成的基因組，而其他病毒具有單鏈DNA基因組 ^[10]  ，並且在某些情況下，可形成具有三個或四個鏈的核酸結構 ^[11]  。

酸效應：在強酸和高温下核酸完全水解為鹼基，核糖或脱氧核糖和磷酸。在濃度略稀的無機酸中，最易水解的化學鍵被選擇性的斷裂，一般為連接嘌呤和核糖的糖苷鍵，從而產生脱嘌呤核酸。

鹼效應：當pH值超出生理範圍（pH7~8）時，對DNA結構將產生更為微妙的影響。鹼效應使鹼基的互變異構態發生變化。這種變化影響到特定鹼基間的氫鍵作用，結果導致DNA雙鏈的解離，稱為DNA的變性。pH較高時，同樣的變性發生在RNA的螺旋區域中，但通常被RNA的鹼性水解所掩蓋。

化學變性：一些化學物質能夠使DNA或RNA在中性pH下變性。由堆積的疏水鹼基形成的核酸二級結構在能量上的穩定性被削弱，則核酸變性。

黏性：DNA的高軸比等性質使得其水溶液具有高黏性，很長的DNA分子又易於被機械力或超聲波損傷，同時黏度下降。

浮力密度：可根據DNA的密度對其進行純化和分析。在高濃度分子質量的鹽溶液（CsCl）中，DNA具有與溶液大致相同的密度，將溶液高速離心，則CsCl趨於沉降於底部，從而建立密度梯度，而DNA最終沉降於其浮力密度相應的位置，形成狹帶，這種技術成為平衡密度梯度離心或等密度梯度離心。

穩定性：核酸的結構相當穩定，其主要原因有鹼基對間的氫鍵、鹼基的堆積作用和環境中的陽離子。

減色性：dsDNA相對於ssDNA是減色的，而ssDNA相對於dsDNA是增色的。

DNA純度：通過測量A260/A280和A260/A230進行判斷。

在一定理化因素作用下，核酸雙螺旋等空間結構中鹼基之間的氫鍵斷裂，變成單鏈的現象稱為變性（denaturation）。

引起核酸變性的常見理化因素有加熱、酸、鹼、尿素和甲酰胺等。在變性過程中，核酸的空間構象被破壞，理化性質發生改變。由於雙螺旋分子內部的鹼基暴露，其A260值會大大增加。A260值的增加與解鏈程度有一定比例關係，這種關係稱為增色效應（hyperchromic effect）。如果緩慢加熱DNA溶液，並在不同温度測定其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窄的温度內完成的。

當A260值開始上升前DNA是雙螺旋結構，在上升區域分子中的部分鹼基對開始斷裂，其數值隨温度的升高而增加，在上部平坦的初始部分尚有少量鹼基對使兩條鏈還結合在一起，這種狀態一直維持到臨界温度，此時DNA分子最後一個鹼基對斷開，兩條互補鏈徹底分離。通常把加熱變性時DNA溶液A260升高達到最大值一半時的温度稱為該DNA的熔解温度（melting temperature Tm），Tm是研究核酸變性很有用的參數。Tm一般在85～95℃之間，Tm值與DNA分子中G C含量成正比。

變性DNA在適當條件下，可使兩條分開的單鏈重新形成雙螺旋DNA的過程稱為復性（renaturation）。當熱變性的DNA經緩慢冷卻後復性稱為退火（annealing）。DNA復性是非常複雜的過程，影響DNA復性速度的因素很多：DNA濃度高，復性快；DNA分子大復性慢；高温會使DNA變性，而温度過低可使誤配對不能分離等等。最佳的復性温度為Tm減去25℃，一般在60℃左右。離子強度一般在0.4mol/L以上。

具有互補序列的不同來源的單鏈核酸分子，按鹼基配對原則結合在一起稱為核酸雜交（hybridization）。雜交可發生在DNA-DNA、RNA-RNA和DNA-RNA之間。雜交是分子生物學研究中常用的技術之一，利用它可以分析基因組織的結構，定位和基因表達等，常用的雜交方法有Southern印跡法，Northern印跡法和原位雜交等。

2023年5月10日晚，天舟六號貨運飛船上行了98件科學實驗產品，其中，在空間生命科學與生物技術領域，問天實驗艙生物技術實驗櫃將開展蛋白與核酸共起源及密碼子起源的分子進化研究等4項科學實驗。 ^[12]