核酸——定义、结构、性质、类型

由生物体产生的任何分子都称为生物分子。包括蛋白质、多糖、脂质和核酸在内的大分子，以及许多较小的化合物。生物化合物是这类化学物质的更广泛的术语。

核酸

Nucleic acids are macromolecules that are found in every living cell, either alone or in conjunction with other substances. End-to-end polymerisation of a vast number of units called nucleotides linked by phosphodiester linkages forms these lengthy strands. The word “nucleic acid” is used to describe specific big molecules found in cells.

核酸的性质：

• 核苷酸是核酸的组成部分。
• 这些构成了所有生物的遗传物质。
• 在活细胞中，脱氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 是核酸的两种形式。
• 1969 年，弗里德里希·米歇尔发现了 DNA 和 RNA。
• 核苷酸由三种化学成分不同的成分组成。杂环碱基或含氮碱基是一个，单糖戊糖是另一个，磷酸或磷酸基团是第三个。
• 含氮碱基由一个或两个包含氮原子的杂环组成。腺嘌呤 (A)、鸟嘌呤 (G)、尿嘧啶 (U)、胞嘧啶 (C) 和胸腺嘧啶 (5-甲基尿嘧啶) 是五个碱基 (T)。
• 腺嘌呤和鸟嘌呤是具有两个杂环的取代嘌呤，而尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶是具有三个杂环（1 个杂环）的取代嘧啶。
• DNA具有含氮碱基A、T、G和C，而RNA具有含氮碱基A、U、G和C。
• 多核苷酸包括β-核糖（在RNA中）或β2'脱氧核糖（在DNA中）（在DNA中）。
• 核苷：糖+碱基
• 核苷酸由三部分组成：碱基、糖和磷酸盐。
• DNA 链的主链由磷酸二酯键组成，即糖和磷酸残基。
• 由于存在磷酸基团，它们呈酸性并带负电荷。

Functions of Nucleic Acids: Nucleic acids are genetic material for all living cells, meaning they pass on hereditary characteristics from one generation to the next. Nucleic acid can also determine an organism’s phenotypic. Some nucleic acids, such as ribozymes, may have enzymatic activity. Nucleic acids play a role in protein production, either directly or indirectly.

核酸的结构

核苷酸是一种微小的单一结构，由连接核酸的磷酸二酯键组成。每个核苷酸包括

• 氮基
• 一种戊糖
• 磷酸

N-糖苷键将戊糖与含氮碱基连接形成核苷。

氮碱基 + 戊糖 = 核苷

• 氮碱基：氮碱基是核苷酸的含氮成分。嘌呤和嘧啶是两种形式的杂环碱基，用于制造五个含氮碱基。
  • 嘌呤具有二环结构。腺嘌呤 (A) 和鸟嘌呤 (G) 是在 DNA 和 RNA (G) 中发现的两个嘌呤碱基。
  • 嘧啶是只有一个环的碱基。胞嘧啶 (C) 和胸腺嘧啶 (T) 是在 DNA 分子中发现的嘧啶碱基，而胞嘧啶 (C) 和尿嘧啶是在 RNA 分子 (U) 中发现的嘧啶碱基。

• 戊糖：戊糖是具有五个碳原子的糖分子或单糖。在核酸中，戊糖是醛糖。 RNA是含有核糖的核酸，而DNA是含有β-2'-脱氧核糖的核酸。在化学上，这两种糖是不一样的。核糖的化学式为 C ₅ H ₁₀ O ₅ ，而 Beta-2'-脱氧核糖的分子式为 C ₅ H ₁₀ O ₄ 。对于 5' 和 3' 碳的 OH 基团，这些糖与磷酸基团形成键，而对于含氮碱基，它们与 1' 碳的 OH 基团形成键。

• 磷酸： H ₃ PO ₄是化学式。在磷酸中可以找到三个反应性 -OH 基团。其中两个参与使用磷酸二酯键形成糖-磷酸骨架。

不同核苷酸单位之间的键

在核苷酸单元的组件中可以找到以下类型的连接或键：

1. N-糖苷键：为了生成核苷，含氮碱基通过 N-糖苷键连接到戊糖上。嘌呤核苷具有 1'–9' 糖苷键（糖碳 1'，A/G 氮 9'）。在嘧啶核苷中发现了 1'-1' 键（T/C 的糖碳 1' 和 1' 氮）。
2. 磷酸酯键：当磷酸基团通过磷酸二酯键连接到核苷的戊糖的 5'-OH 时，会产生匹配的核苷酸。二核苷酸由通过 3'-5' 磷酸二酯键连接在一起的两个核苷酸组成。

核酸的类型

核酸有两种类型：

1. 脱氧核糖核酸 (DNA)
2. 核糖核酸 (RNA)

脱氧核糖核酸

所有活的物种都有 DNA 作为它们的主要遗传物质。它是一个有两条链的核酸分子。

发生： DNA主要存在于动植物细胞核的染色体中。它也存在于线粒体和叶绿体中。它存在于原核生物细胞质的圆形和超螺旋染色体中。然而，它存在于含有组蛋白和鱼精蛋白等蛋白质的真核生物中。

结构： Watson 和 Crick 的双链双螺旋模型是最广泛接受的 DNA 结构模型（1953 年）。根据模型，DNA的结构如下：

• 每条DNA链形成一个右旋螺旋，两条链相互缠绕形成双螺旋。
• 磷酸二酯键是糖和磷酸分子之间的联系，碱基在里面突出。
• 链条沿反平行方向运行，其中一条来自 5'→3' 方向，另一条来自 3'→5' 方向。
• 一条链上的含氮碱基与另一条链上的碱基形成氢键。腺嘌呤与胸腺嘧啶 (AT) 形成 2H 键，鸟嘌呤与胞嘧啶 (GC) 形成 3H 键。螺旋结构通过这种耦合稳定。
• 这些链是互补的，因为对于一条链中的每个腺嘌呤，另一条链中都会有胸腺嘧啶；对于一条链中的每一个鸟嘌呤，另一条链中就会有胞嘧啶，依此类推。
• DNA 具有 2nm 的一致厚度。
• 双螺旋每轮的螺距为 3.4nm。
• 每转包括大约 10 个碱基对。两个相邻碱基对之间的距离约为 0.34 纳米。
• 螺旋的骨架由糖和磷酸组成，碱基沿轴排列。

核糖核酸

RNA是一种单链核酸，存在于少数病毒中，如逆转录病毒和类病毒，作为遗传物质。

发生：大部分RNA位于细胞的细胞质中。核仁和核质都含有它。除少数病毒具有双链RNA外，一般发现为单链多核苷酸。

结构：

1. 单条 RNA 链自行折叠，完全或部分产生发夹状结构。
2. 在一些植物病毒中，遗传物质是双链但非螺旋的 RNA。
3. 每条 RNA 链由大量核糖核苷酸组成，这些核苷酸通过磷酸二酯键连接在一起。
4. 腺嘌呤和尿嘧啶 (AU) 形成一对，鸟嘌呤和胞嘧啶形成一对 (GC)。
5. 信使RNA、核糖体RNA和转移RNA是三种RNA。

DNA和RNA之间的区别

DNA	RNA
It contains deoxyribose sugar.	It contains ribose sugar.
It can be present in the nucleus, mitochondria, and chloroplast chromosomes.	It is related to chromosomes and can be found in the cytoplasm, nucleolus, and nucleoplasm.
Double-stranded structure.	Single-stranded structures generally except a few viruses.
Adenine, guanine, cytosine, and thymine are the nitrogenous bases found.	Adenine, guanine, cytosine, and uracil are the nitrogenous bases found.
A long molecule with high molecular weight.	A relatively short molecule with low molecular weight.
Purines and pyrimidines occur in equal proportion	Purines and pyrimidines do not occur in equal proportion.
DNA is the hereditary material.	Only a few viruses and viroids have RNA as their genetic material.

示例问题

问题1：什么是核酸？

回答：

Nucleic acids are macromolecules that can be found alone or in combination with other chemicals in every live cell. These long strands are formed by the end-to-end polymerization of a large number of nucleotide units coupled by phosphodiester bonds. The term “nucleic acid” refers to a class of large molecules found in cells.

问题2：什么是核苷？

回答：

A nucleoside is formed when a nitrogenous base is connected to a pentose sugar via an N-glycosidic bond.

问题3：核酸的主要函数是什么？

回答：

Nucleic acid has the ability to store and transfer genetic information from one generation of cells to the next.

问题4：什么是DNA？

回答：

The molecule found inside cells that contains the genetic information necessary for an organism’s development and function. This information is handed down through the generations thanks to DNA molecules. Adenine (A) coupled with thymine (T) and guanine (G) paired with cytosine (C) form a double-stranded helix that is kept together by weak hydrogen interactions between purine-pyrimidine nucleotide base pairs (C). Also known as deoxyribonucleic acid (DNA).

问题5：什么是磷酸酯键？

回答：

When a phosphate group is connected to the 5′–OH of a nucleoside’s pentose sugar via phosphoester linkage, a matching nucleotide is formed. A dinucleotide is composed of two nucleotides linked by a 3′–5′ phosphodiester linkage.

问题6：什么是N-糖苷键？

回答：

A nitrogenous base is connected to the pentose sugar via a N– glycosidic bond to produce a nucleoside. A 1’–9′ glycosidic bond exists between purine nucleosides (sugar carbon 1′, A/G nitrogen 9′). Pyrimidine nucleosides have the 1’–1′ connection (sugar carbon 1′ and 1′ nitrogen of T/C).