核酸：特征，功能，结构 - 生物学 - 2025

所述核酸是由被称为核苷酸单元或单体形成大的生物分子。他们负责遗传信息的存储和传输。它们也参与蛋白质合成的每个步骤。

在结构上，每个核苷酸由磷酸基团，五碳糖和杂环氮碱基（A，T，C，G和U）组成。在生理pH下，核酸带负电荷，可溶于水，形成粘性溶液，并且非常稳定。

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核酸有两种主要类型：DNA和RNA。两种核酸的组成相似：在两种核酸中，我们发现了一系列通过磷酸二酯键连接的核苷酸。但是，在DNA中找到胸腺嘧啶（T），在RNA尿嘧啶（U）中发现。

DNA更长，呈双螺旋结构，RNA由单链组成。这些分子存在于所有活生物体中，从病毒到大型哺乳动物。

历史的角度

核酸发现

核酸的发现可以追溯到1869年Friedrich Miescher鉴定出染色质。在他的实验中，Miescher从核心提取了一种凝胶状物质，发现该物质富含磷。

最初，具有神秘性质的材料被称为“核蛋白”。后来对核蛋白的实验得出结论，它不仅富含磷，而且还富含碳水化合物和有机碱。

Phoebus Levene发现核素是线性聚合物。尽管已知核酸的基本化学性质，但认为该聚合物与生物遗传物质之间没有关系。

DNA功能的发现

在1940年代中期，对于生物学家来说，令人难以置信的是，负责传递和存储生物信息的分子驻留在一个结构像DNA一样简单的分子中，该分子由四个非常相似的单体（核苷酸）组成每。

蛋白质，由20种氨基酸组成的聚合物，在当时似乎是遗传分子最合理的候选者。

1928年，研究人员弗雷德·格里菲思（Fred Griffith）怀疑核蛋白与遗传有关，这一观点发生了变化。最终，在1944年，奥斯瓦尔德·埃弗里（Oswald Avery）做出了有力的结论，即DNA包含遗传信息。

因此，DNA从无聊的单调分子（仅由四个组成部分组成）发展成为一种可以存储大量信息并可以精确，准确和有效地保存和传输信息的分子。

DNA结构的发现

1953年对于生物科学而言是革命性的一年，研究人员James Watson和Francis Crick阐明了DNA的正确结构。

根据对X射线反射图的分析，Watson和Crick的结果表明该分子是双螺旋，其中磷酸基团形成外部骨架，并且碱基伸入内部。

通常使用梯子的类比，其中扶手对应于磷酸酯基团，梯级对应于碱基。

DNA测序的发现

在过去的二十年中，在DNA测序的引领下，生物学取得了非凡的进步。由于技术的进步，今天我们有了必要的技术来以相当高的精度知道DNA序列-“序列”是指碱基的顺序。

最初，阐明序列是一个昂贵的事件，并且需要很长时间才能完成。目前，了解整个基因组的序列不是问题。

特点

电荷和溶解度

顾名思义，核酸的性质是酸性的，它们是在水中具有高溶解度的分子。也就是说，它们是亲水的。在生理pH下，由于磷酸基团的存在，分子带负电。

结果，与DNA缔合的蛋白质富含带正电荷的氨基酸残基。DNA的正确结合对其在细胞中的包装至关重要。

黏度

核酸的粘度取决于其是双带还是单带。双带DNA形成高粘度溶液，因为其结构坚固，可以抵抗变形。此外，相对于它们的直径，它们是极长的分子。

相反，也存在以低粘度为特征的单条带核酸溶液。

稳定性

核酸的另一个特征是其稳定性。自然地，具有诸如继承性存储这样必不可少的任务的分子必须非常稳定。

相比较而言，DNA比RNA更稳定，因为它没有羟基。

这种化学特性可能在核酸的进化以及DNA作为遗传物质的选择中起重要作用。

根据一些作者提出的假设转换，在进化过程中RNA被DNA取代。但是，今天有些病毒使用RNA作为遗传物质。

紫外线吸收

核酸的吸收还取决于是双频带还是单频带。环在其结构中的吸收峰为260纳米（nm）。

随着双带DNA链开始分离，由于构成核苷酸的环被暴露，因此在上述波长处的吸收增加。

该参数对实验室中的分子生物学家很重要，因为通过测量吸收率，他们可以估算样品中存在的DNA量。通常，对DNA特性的了解有助于实验室的纯化和处理。

分类（类型）

两个主要核酸是DNA和RNA。两者都是所有生物的组成部分。DNA代表脱氧核糖核酸，RNA代表核糖核酸。两种分子在遗传和蛋白质合成中都起着基本作用。

DNA是存储生物体发育所必需的所有信息的分子，并且被分为称为基因的功能单元。RNA负责获取这些信息，并与蛋白质复合物一起将信息从核苷酸链翻译为氨基酸链。

RNA链的长度可以是几百或几千个核苷酸，而DNA链则可以超过数百万个核苷酸，如果将它们染上染料，则可以在光学显微镜下观察到。

两种分子之间的基本结构差异将在下一部分中详细介绍。

核糖核酸

在细胞中，有不同类型的RNA共同协调蛋白质的合成。RNA的三种主要类型是信使，核糖体和转移。

信使RNA

Messenger RNA负责复制DNA中存在的信息，并将其传递到发生在称为核糖体的结构中的蛋白质合成中。

核糖体或核糖体RNA

核糖体RNA被发现为该基本机制的一部分：核糖体。在核糖体中，有60％由核糖体RNA组成，其余被几乎80种不同的蛋白质占据。

转移RNA

转移RNA是一种将氨基酸（蛋白质的组成部分）运输到核糖体中的分子衔接子。

小RNA

除了这三种基本类型，最近还发现了许多其他的RNA，它们在蛋白质合成和基因表达中起着至关重要的作用。

小核RNA（缩写为snRNA）作为催化实体参与信使RNA的剪接（包括去除内含子的过程）。

小核仁RNA或snoRNA参与形成核糖体亚基一部分的核糖体前RNA转录物的加工。这发生在核仁中。

短干扰RNA和微小RNA是小的RNA序列，其主要作用是调节基因表达。MicroRNA是从DNA编码的，但不会继续翻译成蛋白质。它们是单链的，可以补充信息RNA，抑制其翻译成蛋白质。

结构和化学成分

核酸是由称为核苷酸的单体单元组成的长聚合物链。每个由以下部分组成：

磷酸基

核苷酸有四种类型，它们具有共同的结构：通过磷酸二酯键与戊糖连接的磷酸基团。磷酸盐的存在使分子具有酸性。磷酸基团在细胞的pH值上解离，因此带负电。

该负电荷允许核酸与带正电荷的分子缔合。

可以在细胞内以及细胞外液中发现少量核苷。这些是由核苷酸的所有成分组成的分子，但缺少磷酸基团。

根据该命名法，核苷酸是具有位于5'碳的羟基上被酯化的一个，两个或三个磷酸基团的核苷。具有三种磷酸酯的核苷虽然还可以在细胞中发挥其他功能，但仍参与核酸的合成。

戊糖

戊糖是由五个碳原子组成的单体碳水化合物。在DNA中，戊糖是脱氧核糖，其特征在于在碳2'处羟基的丢失。在RNA中，戊糖是核糖。

含氮碱

戊糖又与有机碱结合。核苷酸的身份由碱基的身份提供。有五种类型，以其缩写缩写：腺嘌呤（A），鸟嘌呤（G），胞嘧啶（C），胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。

在文献中常见的是，我们发现这五个字母用于表示整个核苷酸。但是，严格来说，这些仅仅是核苷酸的一部分。

前三个（A，G和C）是DNA和RNA共有的。T是DNA特有的，而尿嘧啶只限于RNA分子。

在结构上，碱基是杂环化合物，其环由碳和氮分子组成。A和G由一对稠合环形成，属于嘌呤类。其余的碱基属于嘧啶，它们的结构由一个单环组成。

通常，在两种类型的核酸中，我们都会发现一系列修饰的碱基，例如一个额外的甲基。

当发生此事件时，我们说该碱基被甲基化。在原核生物中，通常会发现甲基化的腺嘌呤，而在原核生物和真核生物中，胞嘧啶可能还具有一个甲基。

聚合如何发生？

正如我们提到的，核酸是由单体-核苷酸组成的长链。为了形成链，这些链以特定方式链接。

当核苷酸聚合时，在一个核苷酸的糖的3'碳上发现的羟基（-OH）与另一个核苷酸分子的磷酸基形成酯样键。在形成该键的过程中，发生了水分子的去除。

这种类型的反应称为“缩合反应”，它与在两个氨基酸残基之间形成蛋白质中的肽键时发生的反应非常相似。每对核苷酸之间的键称为磷酸二酯键。

如在多肽中一样，核酸链在其末端具有两个化学方向：一个是在末端糖的5'碳上包含一个游离羟基或磷酸基的5'末端，而在3末端´我们发现了碳3´的游离羟基。

假设每个DNA块都是一个Lego集，其一端插入并且有一个自由孔，可以在其中插入另一个块。带有磷酸盐的5'末端将是要插入的末端，而3'类似于自由孔。

其他核苷酸

在细胞中，我们发现了另一种类型的核苷酸，其结构与上述结构不同。尽管它们不是核酸的一部分，但它们起着非常重要的生物学作用。

最相关的是核黄素单核苷酸，称为FMN，辅酶A，腺嘌呤二核苷酸和烟碱胺。

RNA结构

核酸聚合物的线性结构对应于这些分子的一级结构。多核苷酸还具有形成通过非共价力稳定的三维阵列的能力-与蛋白质中的折叠相似。

尽管DNA和RNA的主要成分非常相似（除了上述差异），但其结构组成却明显不同。RNA通常被发现为单核苷酸链，尽管它可以采取不同的排列方式。

例如，转移RNA是由少于100个核苷酸组成的小分子。它典型的二级结构是三臂三叶草的形式。也就是说，RNA分子在内部发现互补碱基并可以自身折叠。

核糖体RNA是具有复杂的三维构象并显示二级和三级结构的较大分子。

DNA结构

双螺旋

与线性RNA不同，DNA排列由两条缠绕的链组成。这种结构上的差异对于执行其特定功能至关重要。由于其糖上存在的额外的OH基团造成空间位阻，因此RNA无法形成这种类型的螺旋。

基础互补

基地之间有互补性。也就是说，由于其大小，形状和化学组成，嘌呤必须通过氢键与嘧啶配对。因此，在天然DNA中，我们发现A几乎总是与T和G与C配对，并与其伴侣形成氢键。

G和C之间的碱基对通过三个氢键连接，而A和T对较弱，只有两个氢键将它们保持在一起。

可以分离DNA链（这在细胞中和实验室程序中均会发生），所需的热量取决于分子中GC的量：其越大，分离它所需要的能量就越多。

股线取向

DNA的另一个特征是其相反的方向：当一条链沿5'-3'方向延伸时，其伴侣沿3'-5'方向延伸。

自然构象和实验室

我们通常在自然界中发现的结构或构象称为DNAB。其特征是每转具有10.4个核苷酸，相距3.4。DNA B向右转。

这种缠绕方式导致出现两个沟槽，一个大一个，一个小一个。

在实验室（合成的）形成的核酸中，可以发现其他构象，这些构象也出现在非常特殊的条件下。它们是DNA A和DNAZ。

变体A也向右转，尽管它比自然变体短且宽一些。当湿度降低时，分子呈这种形状。它每11个碱基对旋转一次。

最后一个变体是Z，其特征是较窄且向左转。它由一组六核苷酸组成，它们被分为反平行链的双链体。

特征

DNA：遗传分子

DNA是可以存储信息的分子。我们在星球上所知的生命取决于存储和翻译此类信息的能力。

对于细胞而言，DNA是一种文库，在其中找到了有关生物体制造，开发和维护的所有必要说明。

在DNA分子中，我们发现了称为基因的离散功能实体的组织。其中一些将被蛋白质吸收，而其他一些将发挥调节功能。

我们在上一节中描述的DNA结构是执行其功能的关键。螺旋必须能够轻松分离和连接-这是复制和转录事件的关键属性。

在原核生物的细胞质中特定位置发现了DNA，而在真核生物中，其位于细胞核内。

RNA：多功能分子

在蛋白质合成中的作用

RNA是我们在蛋白质合成的不同阶段和基因表达的调节中发现的核酸。

蛋白质合成始于将DNA中的加密信息转录成信使RNA分子。接下来，使者必须消除不翻译的部分，即内含子的名称。

为了将RNA信息翻译成氨基酸残基，还需要两个额外的组件：作为核糖体一部分的核糖体RNA和将携带氨基酸并负责在肽链中插入正确氨基酸的转移RNA。在训练中。

换句话说，每种主要类型的RNA在此过程中都起着至关重要的作用。从DNA到信使RNA以及最后到蛋白质的这种传递被生物学家称为“生物学的中心教条”。

但是，由于科学不能建立在教条的基础上，因此存在不满足该前提的不同情况，例如逆转录病毒。

在监管中的作用

上述小RNA间接参与合成，协调信使RNA的合成并参与表达调控。

例如，在细胞中，有不同的信使RNA受小RNA调控，而小RNA具有与此互补的序列。如果小RNA附着在消息上，则可以裂解信使，从而阻止其翻译。以这种方式调节了多个过程。

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