核酸是生物體內極其重要的生物大分子,是生命的最基本的物質之一.最早是瑞士的化學家米歇爾于1870年從膿細胞的核中分離出來的,由于它們是酸性的,并且最先是從核中分離的,故稱為核酸.核酸的發(fā)現(xiàn)比蛋白質晚得多.核酸分為脫氧核糖核酸（簡稱DNA）和核糖核酸（簡稱RNA）兩大類,它們的基本結構單位都是核苷酸（包含脫氧核苷酸）.
1．核酸的基本單位——核苷酸
每一個核苷酸分子由一分子戊糖（核糖或脫氧核糖）、一分子磷酸和一分子含氮堿基組成.堿基分為兩類：一類是嘌呤,為雙環(huán)分子；另一類是嘧啶,為單環(huán)分子.嘌呤一般均有A、G2種,嘧啶一般有C、T、U3種.這5種堿基的結構式如下圖所示.
由上述結構式可知：腺嘌呤是嘌呤的6位碳原子上的H被氨基取代.鳥嘌呤是嘌呤的2位碳原子上的H被氨基取代,6位碳原子上的H被酮基取代.3種嘧啶都是在嘧啶2位碳原子上由酮基取代H,在4位碳原子上由氨基或酮基取代H而成,對于T,嘧啶的5位碳原子上由甲基取代了H.凡含有酮基的嘧啶或嘌呤在溶液中可以發(fā)生酮式和烯醇式的互變異構現(xiàn)象.結晶狀態(tài)時,為這種異構體的容量混合物.在生物體內則以酮式占優(yōu)勢,這對于核酸分子中氫鍵結構的形成非常重要.例如尿嘧啶的互變異構反應式如下圖.
酮式（2,4–二氧嘧啶）烯酸式（2,4–二羥嘧啶）
在一些核酸中還存在少量其他修飾堿基.由于含量很少,故又稱微量堿基或稀有堿基.核酸中修飾堿基多是4種主要堿基的衍生物.tRNA中的修飾堿基種類較多,如次黃嘌呤、二氫尿嘧啶、5–甲基尿嘧啶、4–硫尿嘧啶等,tRNA中修飾堿基含量不一,某些tRNA中的修飾堿基可達堿基總量的10％或更多.
核苷是核糖或脫氧核糖與嘌呤或嘧啶生成的糖苷.戊糖的第1碳原子（C1）通常與嘌呤的第9氮原子或嘧啶的第1氮原子相連.在tRNA中存在少量5–核糖尿嘧啶,這是一種碳苷,其C1是與尿嘧啶的第5位碳原子相連,因為這種戊糖與堿基的連接方式特殊（為C—C連接）,故稱為假尿苷如下圖.
腺苷（A）脫氧胸苷（dT）假尿苷（ψ）
核苷酸是由核苷中糖的某一羥基與磷酸脫水縮合而成的磷酸酯.核苷酸的核糖有3個自由的羥基,可與磷酸酯化分別生成2’–、3’–和5’–核苷酸.脫氧核苷酸的脫氧核糖只有2個自由羥基,只能生成3’–和5’–脫氧核苷酸.生物體內游離存在的核苷酸都是5’–核苷酸.以RNA的腺苷酸為例：當磷酸與核糖5位碳原子上羥基縮合時為5’–腺苷酸,用5’–AMP表示；當磷酸基連接在核糖3位或2位碳原子上時,分別為3’–AMP和2’–AMP.5’–腺苷酸和3’–脫氧胞苷酸的結構式如下圖所示.
核苷酸結構也可以用下面簡式（如下圖）表示.B表示嘌呤或嘧啶堿基,直線表示戊糖,P表示磷酸基.
2’–核苷酸3’–核苷酸5’–核苷酸
3’–或5’–核苷酸簡式也可分別用Np和pN表示（N代表核苷）.即當P在N右側時為3’–核苷核,P在N左側的為5’–核苷酸,如3’–核苷酸和5’–核苷酸可分別用Ap和pA表示.
在生物體內,核苷酸除了作為核酸的基本組成單位外,還有一些核苷酸類物質自由存在于細胞內,具有各種重要的生理功能.
（1）含高能磷酸基的ATP類化合物：5’–腺苷酸進一步磷酸化,可以形成腺苷二磷酸和腺苷三磷酸,分別為ADP和ATP表示.ADP是在AMP接上一分子磷酸而成,ATP是由AMP接上一分子焦磷酸（PPi）而成,它們的結構式如下圖所示.
腺苷二磷酸（ADP） 腺苷三磷酸（ATP）
這類化合物中磷酸之間是以酸酐形式結合成鍵,磷酸酐鍵具有很高的水解自由能,習慣上稱為高能鍵,通常用“～”表示.ATP分子中有2個磷酸酐鍵,ADP中只含1個磷酸酐鍵.
在生活細胞中,ATP和ADP通常以Mg2＋或Mn2＋鹽的復合物形式存在.特別是ATP分子上的焦磷酸基對二價陽離子有高親和力；加上細胞內常常有相當高濃度的Mg2＋,使ATP對Mg2＋的親和力遠大于ADP.在體內,凡是有ATP參與的酶反應中,大多數(shù)的ATP是以Mg2＋—ATP復合物的活性形式起作用的.當ATP被水解時,有兩種結果：一是水解形成ADP和無機磷酸；另一種是水解生成AMP和焦磷酸.ATP是大多數(shù)生物細胞中能量的直接供體,ATP－ADP循環(huán)是生物體系中能量交換的基本方式.
在生物細胞內除了ATP和ADP外,還有其他的5’–核苷二磷酸和三磷酸,如GDP、CDP、UDP和GTP、CTP、UTP；5’–脫氧核苷二磷酸和三磷酸,如dADP、dGDP、 dTDP、dCDP和dATP、dCTP、dGTP、dTTP,它們都是通過ATP的磷酸基轉移轉化來的,因此ATP是各種高能磷酸基的主要來源.除ATP外,由其他有機堿構成的核苷酸也有重要的生物學功能,如鳥苷三磷酸（GTP）是蛋白質合成過程中所需要的,鳥苷三磷酸（UTP）參與糖原的合成,胞苷三磷酸（CTP）是脂肪和磷脂的合成所必需的.還有4種脫氧核糖核苷的三磷酸酯.即dATP、dCTP、dGTP、dTTP則是DNA合成所必需的原材料.
（2）環(huán)狀核苷酸；核苷酸可在環(huán)化酶的催化下生成環(huán)式的一磷酸核苷.其中以3’,5’–環(huán)狀腺苷酸（以cAMP）研究最多,它是由腺苷酸上磷酸與核糖3’,5’碳原子酯化而形成的,它的結構式如下圖所示.
正常細胞中cAMP的濃度很低.在細胞膜上的腺苷酸環(huán)化酶和Mg2＋存在下,可催化細胞中ATP分子脫去一個焦磷酸而環(huán)化成cAMP,使cAMP的濃度升高,但cAMP又可被細胞內特異性的磷酸二酯酶水解成5’–AMP,故cAMP的濃度受這兩種酶活力的控制,使其維持一定的濃度.該過程可簡單表示如下：
ATPcAMP＋焦磷酸5’–AMP
現(xiàn)認為cAMP是生物體內的基本調節(jié)物質.它傳遞細胞外的信號,起著某些激素的“第二信使”作用.不少激素的作用是通過cAMP進行的,當激素與膜上受體結合后,活化了腺苷酸環(huán)化酶,使細胞內的cAMP含量增加.再通過cAMP去激活特異性的蛋白激酶,由激酶再進一步起作用.近年來發(fā)現(xiàn)3’、5’–環(huán)鳥苷酸（cGMP）也有調節(jié)作用,但其作用與cAMP正好相拮抗.它們共同調節(jié)著細胞的生長和發(fā)育等過程.此外,在大腸桿菌中cAMP也參與DNA轉錄的調控作用.
2．核酸的化學結構（或一級結構）
核酸分子是由核苷酸單體通過3’,5’–磷酸二酯鍵聚合而成的多核苷酸長鏈.核苷酸單體之間是通過脫水縮合而成為聚合物的,這點與蛋白質的肽鏈形成很相似.在脫水縮合過程中,一個核苷酸中的磷酸給出一個氫原子；另一個相鄰核苷酸中的戊糖給出一個羥基,產(chǎn)生一分子水,每個單體便以磷酸二酯鍵的形式連接起來.由許多個核苷酸縮合而形成多核苷酸鏈.如果用脾磷酸二酯酶來水解多核苷酸鏈,得到的是3’–核苷酸,而用蛇毒磷酸二酯酶來水解得到的卻是5’–核苷酸.這證明多核苷酸鏈是有方向的,一端叫3’–未端,一端叫5’–末端.所謂3’–末端是指多核苷酸鏈的戊糖上具有3’–磷酸基（或羥基）的末端,而具有5’–磷酸基（或羥基）的末端則稱為5’末–端.多核苷酸鏈兩端的核苷酸為末端核苷酸,末端磷酸基與核苷相連的鍵稱為磷酸單酯鍵.書寫多核苷酸鏈時,通常將5’端寫在左邊,3’端寫在右邊.但在書寫一條互補的雙鏈DNA時,由于二條鏈是反向平行的,因此每條鏈的末端必須注明5’或3’.通常寡核苷酸鏈可用右面的簡式表示（如右圖所示）.
述簡式還可簡化為pApCpGpUOH,若進一步簡化,還可將核苷酸鏈中的p省略,或在核苷酸之前加小點,則變?yōu)閜ACGUOH或pA·C·G·UOH.
3．核酸的性質
(1)一般性質
核酸和核苷酸既有磷酸基,又有堿性基團,為兩性電解質,因磷酸的酸性強,通常表現(xiàn)為酸性.核酸可被酸、堿或酶水解成為各種組分,其水解程度因水解條件而異.RNA在室溫條件下被稀堿水解成核苷酸而DNA對堿較穩(wěn)定,常利用該性質測定RNA的堿基組成或除去溶液中的RNA雜質.DNA為白色纖維狀固體,RNA為白色粉末；都微溶于水,不溶于一般有機溶劑.常用乙醇從溶液中沉淀核酸.
（2）核酸的紫外吸收性質
核酸中的嘌呤堿和嘧啶堿均具有共軛雙鍵,使堿基、核苷、核苷酸和核酸在240～290nm的紫外波段有一個強烈的吸收峰,最大吸收值在260nm附近.不同的核苷酸有不同的吸收特性.由于蛋白質在這一光區(qū)僅有很弱的吸收,蛋白質的最大吸收值在280nm處,利用這一特性可以鑒別核酸純度及其制劑中的蛋白質雜質.
（3）核酸的變性和復性
①核酸的變性：是指核酸雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂,堿基有規(guī)律的堆積被破壞,雙螺旋松散,發(fā)生從螺旋到單鍵線團的轉變,并分離成兩條纏繞的無定形的多核苷酸單鍵的過程.變性主要是由二級結構的改變引起的,因不涉及共價鍵的斷裂,故一級結構并不發(fā)生破壞.多核苷酸骨架上共價鍵（3’,5’—磷酸二酯?。┑臄嗔逊Q為核酸的降解,降解引起核酸分子量降低.引起核酸變性的因素很多,如加熱引起熱變性,pH值過低（如pH＜4＝的酸變性和pH值過高（pH＞11.5）的堿變性,純水條件下引起的變性以及各種變性試劑,如甲醇、乙醇、尿素等都能使核酸變性.此外,DNA的變性還與其分子本身的穩(wěn)定性有關,由于C—C中有三對氫健而A－T對只有兩對氫鍵,故C＋G百分含量高的DNA分子就較穩(wěn)定,當DNA分子中A＋T百分含量高時就容易變性.環(huán)狀DNA分子比線形DNA要穩(wěn)定,因此線狀DNA較環(huán)狀DNA容易變性.
核酸變性后,一系列物理和化學性質也隨之發(fā)生改變,如260nm區(qū)紫外吸收值升高,粘度下降,浮力密度升高,同時改變二級結構,有的可以失去部分或全部生物活性.DNA的加熱變性一般在較窄的溫度范圍內發(fā)生,很像固體結晶物質在其熔點突然熔化的情況,因此通常把熱變性溫度稱為“熔點”或解鍵溫度,用Tm表示.對DNA而言,通常把DNA的雙螺旋結構失去一半時的溫度（或變性量達最大值的一半時的溫度）稱為該DNA的熔點或解鏈溫度.在此溫度可由紫外吸收（或其他特性）最大變化的半數(shù)值得到.DNA的Tm值一般在70℃～85℃.RNA變性時發(fā)生與DNA變性時類似的變化,但其變化程度不及DNA大,因為RNA分子中只有部分螺旋區(qū).
②核酸的復性：變性DNA在適當條件下,又可使兩條彼此分開的鏈重新締合成為雙螺旋結構,這個過程稱為復性.DNA復性后,許多物理、化學性質又得到恢復,生物活性也可以得到部分恢復.DNA的片段越大,復性越慢；DNA的濃度越高,復性越快.
DNA或RNA變性或降解時,其紫外吸收值增加,這種現(xiàn)象叫做增色效應,與增色效應相反的現(xiàn)象稱為減色效應,變性核酸復性時則發(fā)生減色效應.它們是由堆積堿基的電子間相互作用的變化引起的.