核酸与核苷酸¶

核酸由兼具碱基识别、糖连接方向和磷酸电荷的核苷酸组成。链内共价键规定序列的连续性，碱基配对与堆积塑造局部构象，离子、溶剂和蛋白质又决定长链怎样折叠、压缩和被读取。脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）通常承担较长期的信息保存；核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）除了传递信息，还可作为某些病毒的基因组，并充当模板、接头、结构骨架、调控分子和催化组分。

游离核苷酸还承担核酸原料之外的多种功能。三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）、三磷酸鸟苷（guanosine triphosphate，GTP）等把放能过程与合成、运动和运输相耦联，核苷酸糖和核苷酸脂质活化待转移的化学基团，环磷酸腺苷（cyclic adenosine monophosphate，cAMP）、环磷酸鸟苷（cyclic guanosine monophosphate，cGMP）等参与信号传递，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD\(^+\)）、黄素腺嘌呤二核苷酸（flavin adenine dinucleotide，FAD）和辅酶 A（coenzyme A，CoA）则在更大的辅酶结构中保留核苷酸样模块。理解核酸要从这些共同的化学构件出发，再逐层进入序列、构象和高阶复合物。

核苷酸的化学层级¶

核苷由含氮碱基与戊糖组成；核苷再被一个或多个磷酸基团酯化，才成为核苷酸。嘌呤碱基的 N9 或嘧啶碱基的 N1 通常通过 β-N-糖苷键连接戊糖 C1′。核糖核苷含 2′-羟基，脱氧核糖核苷在该位置为氢；这个看似很小的差别改变糖环构象、双链几何、酶的识别以及骨架对碱的稳定性。假尿苷等修饰核苷采用 C—C 糖苷键，说明“碱基经氮连接糖”是规范核苷的主型，而不是没有例外的定义边界。国际纯粹与应用化学联合会—国际生物化学与分子生物学联合会（IUPAC–IUBMB）的命名建议把碱基、核苷、核苷酸与核酸链区分为不同层级，也规定了残基、末端和序列方向的表示方式。¹

DNA 与 RNA 的典型差异同时涉及糖、碱基组成和结构倾向。典型 DNA 由 2′-脱氧核糖、A/G/C/T 和磷酸组成，典型 RNA 由核糖、A/G/C/U 和磷酸组成；RNA 中也可出现胸腺嘧啶衍生残基，DNA 与 RNA 都有大量酶促修饰。5-甲基胞嘧啶是 DNA 中重要的调控性修饰，转运 RNA（transfer RNA，tRNA）、核糖体 RNA（ribosomal RNA，rRNA）等则富含假尿苷、甲基化核苷和其他修饰。修饰会改变配对边缘、堆积、构象、稳定性和蛋白识别。RNAcentral 把多种专家数据库的非编码 RNA 序列、结构和修饰信息整合在一起，也从侧面显示 RNA 类型远超过信使 RNA（messenger RNA，mRNA）、tRNA、rRNA 三类。²

碱基的芳香杂环在近紫外区有显著吸收，并可发生互变异构。生理条件下常见的酮式或氨基式主导典型 Watson–Crick 配对，稀有互变异构体、质子化状态或化学修饰则可能暂时改变供氢体和受氢体的排列，增加错配概率。将某次复制错误归因于稀有异构体需要直接证据；实际错误率还受到聚合酶选择、校对与修复共同约束。

游离核苷酸的代谢、基团转移与信号功能¶

核苷三磷酸水解常伴随较大的负自由能变化，原因包括产物的共振稳定、静电排斥缓解、水化改变以及细胞内反应物与产物的实际浓度。所谓“高能磷酸键”是热力学便利语，不表示断开一根化学键本身会释放能量；断键需要能量，净释放来自整个水解反应形成更稳定的产物。ATP 或 GTP 的价值在于酶能把这种有利反应与不利反应放在同一机制中耦联。³

这些分子在后续代谢页会按反应网络展开：生物能学讨论自由能耦联，核苷酸生物合成与核酸降解和核苷酸分解代谢则分别处理核苷酸池的建立与回收。

核酸链的方向性与序列¶

核酸主链通常由一个残基的 3′-氧与下一个残基的 5′-磷酸形成 3′→5′ 磷酸二酯键。每个磷酸在接近生理 pH 时带负电，使 DNA 和 RNA 成为多阴离子。线性链两端在化学上不等价：5′ 端可带磷酸或羟基，3′ 端通常带羟基或特定加工基团。序列按惯例从 5′ 向 3′ 书写；两条互补序列若直接上下排列，必须明确是否已把其中一条写成反向互补，不能只看字母能否成对。

生物合成时，聚合酶通常让生长链的 3′-OH 进攻进入的核苷三磷酸 α-磷，形成新的磷酸二酯键并释放焦磷酸。焦磷酸的后续水解有助于把净反应拉向聚合方向。这里的“5′→3′ 合成”描述的是新残基加入生长链 3′ 端的方向；它不等于所有核酸化学过程都只能沿同一方向发生，也不适用于后文所述从固相载体 3′ 端开始的常规化学合成。⁴

一级结构是残基种类、顺序、连接方式和必要修饰的完整描述。仅写一串 A、G、C、T/U，默认了规范 3′→5′ 骨架和未修饰残基；一旦存在支链 RNA、环状核酸、非规范连接或位点修饰，就要把这些信息显式加入结构描述。线性与环状两种拓扑都可见于核酸：质粒、许多细胞器基因组和部分病毒基因组可以是环状 DNA，细胞中也存在由反向剪接或其他机制形成的环状 RNA。

序列怎样被实验读出属于另一层问题。Sanger 测序、高通量测序、长读长测序和 RNA 测序的信号产生与数据误差见测序技术，样品提取、核酸酶处理、电泳和杂交操作见核酸实验。

DNA 双螺旋的结构化学¶

双螺旋稳定性与沟槽识别¶

典型 B-DNA 中，两条链反向平行，A·T 和 G·C 的 Watson–Crick 配对把嘌呤与嘧啶组合成宽度相近的碱基对，糖—磷酸骨架位于外侧，碱基堆积在内部。氢键使互补边缘具有方向与几何选择性，堆积、色散作用、疏水效应、水化、反离子屏蔽和骨架构象共同决定双链的热力学稳定性。把双链稳定性完全归功于氢键，或反过来宣称“氢键只负责特异性、稳定全由堆积提供”，都忽略了这些相互耦合的贡献。⁵

碱基对相对螺旋轴的偏移使双链表面形成大沟和小沟。每一类碱基对在沟面暴露不同的供氢体、受氢体、甲基和氢原子组合，蛋白质因而能在保持整体双链的情况下读取序列；大沟通常提供更丰富的判别图样，小沟的宽度、静电势和水化模式也能被蛋白质和小分子识别。DNA 的局部几何随序列改变，包括扭转、滚转、弯曲和沟宽，蛋白结合还可诱导弯折、解旋或碱基翻出。PDB-101 汇集的结构展示了这些局部变化以及 A、B、Z 三类规则螺旋的差异。⁶

规则构象与非经典结构¶

表中的数值来自理想化或代表性结构，用于辨认构象家族，不是每一段天然核酸必须满足的尺规。双链还可形成发夹与十字形、三链体、G-四链体等非经典结构。反向重复序列在负超螺旋或局部解链条件下有机会挤出十字形；富含鸟嘌呤的序列可由 Hoogsteen 型配对形成 G-四分体并在单价阳离子参与下堆叠成四链体。这些结构在染色体、端粒和调控区域中有不少生物学证据，但“具有形成潜力”不自动等于某段序列在所有细胞状态下稳定存在或具有确定功能。

RNA 的局部折叠与结构多样性¶

RNA 二级与三级结构¶

RNA 的 2′-羟基限制糖环和主链可取的构象，并提供额外氢键位点；连续 Watson–Crick 配对的 RNA 双链通常属于 A 型家族。单链 RNA 可以在链内形成茎、发夹环、内环、凸起和多分支连接，并大量采用 G·U 摆动配对、Hoogsteen 边缘及其他非 Watson–Crick 接触。所谓 RNA 二级结构是对主要配对和局部螺旋拓扑的简化表示，而不是已经确定的三维坐标；假结在二维图中造成配对弧交叉，常被单独标注或在部分算法中暂时排除。

远距离相互作用把这些局部元件装配为三级结构。螺旋同轴堆积、发夹—受体结合、A-minor 接触、核糖拉链、碱基三联体和假结都可稳定特定折叠；Mg\(^{2+}\) 等离子既屏蔽骨架负电，也可通过内层或外层配位组织局部结构。RNA 虽常以单链合成，却可通过 Watson–Crick、Hoogsteen 型接触和碱基三联体形成复杂配对。结构数据库中的 motif 分类帮助比较反复出现的几何模块，实际 RNA 往往把多个 motif 重叠组合。⁷

RNA 功能类别与催化¶

RNA 具有催化能力的经典证据之一是细菌核糖核酸酶 P（ribonuclease P，RNase P）：其 RNA 组分在适当条件下能够催化前体 tRNA 加工。这一发现否定了“所有生物催化剂都是蛋白质”，但不表示每个核酶在细胞内都不需要蛋白质；许多核糖核蛋白复合物（ribonucleoprotein complex，RNP）中的蛋白质负责折叠、定位、底物选择或调节。⁸

核酸拓扑与高阶组织¶

DNA 拓扑与超螺旋¶

共价闭合的双链环状 DNA，或两端不能自由旋转的线性 DNA 结构域，具有可定义的链环数 \(Lk\)。它可分解为双链围绕自身轴的扭转数 \(Tw\) 与双螺旋轴在空间中的缠绕数 \(Wr\)：

\(Lk\) 是拓扑约束下的整数不变量，\(Tw\) 和 \(Wr\) 却可彼此转换。相对于同条件下的松弛参照状态，欠绕通常对应负的 \(\Delta Lk\)，过绕对应正的 \(\Delta Lk\)；应力可以表现为局部扭转改变、超螺旋、局部解链或其他结构转变。对一个两端自由旋转的普通线性片段，直接套用固定 \(Lk\) 没有意义。拓扑异构酶通过暂时切开并重接一条或两条链改变拓扑状态，使复制、转录、重组和染色体分离产生的扭转应力得以消散。⁹

琼脂糖凝胶中的超螺旋质粒常比开环或线性分子迁移更快，但这只是常用条件下的经验图景。分子大小、拓扑分布、凝胶浓度、电场与嵌入剂都会改变迁移次序；条带位置必须由合适的拓扑对照解释，不能仅凭“跑得快”认定某一种超螺旋手性。

染色质与拟核组织¶

真核染色质的基本重复单元是核小体核心颗粒：约 147 个碱基对（base pairs，bp）的 DNA 围绕由 H2A、H2B、H3、H4 各两份组成的组蛋白八聚体缠绕约 1.7 圈。相邻核心之间的连接 DNA 长度可变，H1 类连接组蛋白在核小体入口、出口和连接区附近促进更高阶组织。组蛋白尾部和球状表面都参与相互作用，修饰及变体会改变结合伙伴和动力学；核小体因而同时压缩 DNA、限制可接近性，又能被重塑和局部拆装。¹⁰

部分古菌具有与真核组蛋白同源的 histone fold 蛋白，其装配方式具有自身特征。结构研究显示某些古菌组蛋白二聚体可沿 DNA 连续聚合成长度可变的超螺旋。细菌拟核则主要由超螺旋、核质相关蛋白、转录与复制活动以及大尺度区室共同组织，不同物种采用的蛋白组合差异很大。¹¹

核酸—蛋白质复合体¶

核酸与蛋白质还组成染色质之外的多类复合物。核糖体、剪接体、端粒酶、信号识别颗粒和 RNase P 都是 RNP；复制体、转录复合物和 DNA 修复机器则围绕 DNA 动态装配。RNA、DNA 和蛋白质在不同复合物中分别承担骨架、识别或催化任务，具体分工须依据组成和机制分析。

溶液中的电荷、吸收与相行为¶

磷酸二酯使核酸在广泛的中性 pH 范围内保持强负电，碱基的质子化与去质子化通常只在更极端 pH 下显著改变配对。因此，像蛋白质那样用一个固定、实验上实用的等电点概括完整核酸并不合适；核酸的迁移、溶解和凝聚更常由链长、构象、反离子、离子强度及多价阳离子共同决定。多胺、碱性蛋白或高价离子可以屏蔽电荷并促进压缩，但过量也可能引起非特异聚集或沉淀。

紫外吸收与碱基环境¶

嘌呤和嘧啶的共轭杂环使核酸在约 260 nm 处有吸收峰。相邻碱基进入有序堆积后，吸收相对于游离核苷酸下降，称为减色效应；双链解链或结构破坏会使 \(A_{260}\) 上升，称为增色效应。这个信号能连续追踪熔解，却不直接告诉是哪一段序列解链，也不能把吸光变化等同于磷酸二酯键断裂。¹²

实验中常用“光程 1 cm 时，\(A_{260}=1\) 约对应 50 μg/mL 双链 DNA、40 μg/mL RNA 或单链 DNA、33 μg/mL 短寡核苷酸”作快速换算。这些是混合序列和特定测量条件下的经验系数；精确定量应使用具体序列的消光系数、实际光程和空白，并排除浑浊、酚、胍盐等吸收或散射干扰。

\(A_{260}/A_{280}\) 约 1.8 常被视作较纯 DNA、约 2.0 常被视作较纯 RNA 的经验参考，但比值受 pH、离子强度、仪器光路和样品浓度影响。一个“漂亮”的比值既不能证明核酸完整，也不能排除不在两个波长上显著吸收的污染；浓度很低时，两个小吸光值的比值尤其不稳定。Wilfinger 等的实验直接显示，改变溶液 pH 与离子强度即可显著改变这项纯度判断。¹³

核酸沉淀与黏度的影响因素¶

乙醇或异丙醇降低溶剂介电环境和核酸水化，Na\(^+\)、NH\(_4^+\) 等反离子又部分中和磷酸电荷，于是 DNA 和 RNA 都可从水相沉淀。产率依赖链长、核酸浓度、盐、醇比例、温度和共沉淀剂；短寡核苷酸与极低浓度样品尤其容易损失。沉淀不会选择性保证纯度，盐、去污剂和其他大分子也可能共沉淀。

长而较刚性的双链 DNA 会显著提高溶液黏度，并对剪切敏感；断裂可使黏度下降。RNA 的形状和链长分布更为多样，其黏度和柔性须按具体构象判断。浓度、拓扑、温度和离子条件也会改变黏度，因此这一测量提供的是分子状态的整体读出。

变性、复性与分子杂交¶

核酸变性是有序配对和堆积的破坏。加热、极端 pH、低离子强度或变性剂可使双链解开；在常规熔解实验时间尺度内，加热主要改变非共价结构，并不等于把磷酸二酯主链水解。RNA 在碱中则有特殊风险：去质子化的 2′-OH 可分子内进攻邻近磷酸，形成 2′,3′-环磷酸中间体并切断主链。DNA 缺少 2′-OH，较能耐受碱性水解，但酸会促进嘌呤碱基的 N-糖苷键水解，产生无嘌呤位点。所谓“DNA 比 RNA 稳定”必须说明比较的是哪一种 pH、温度、时间和损伤反应。¹⁴

熔解温度的条件依赖性¶

对定义明确并近似两态转变的核酸样品，熔解温度 \(T_m\) 是指定条件下约一半分子或一半碱基对处于解链状态的温度。它不是某条序列脱离环境的固有常数。序列和最近邻排列、长度、GC 含量、错配与悬垂末端、盐和 Mg\(^{2+}\)、pH、变性剂以及链浓度都可能改变 \(T_m\)；对于非自互补短双链，互补链的总浓度还进入结合平衡。

只按 GC 百分比或长度给出的简式适合受限条件下的粗略估计，不能跨越寡核苷酸、长基因组 DNA 和含错配探针通用。短寡核苷酸通常采用最近邻热力学参数，把相邻碱基步的 \(\Delta H^\circ\) 与 \(\Delta S^\circ\)、起始项、对称项、盐校正和浓度项合并计算。SantaLucia 的统一参数工作说明，相同 GC 比例但排列不同的序列可有不同稳定性。¹⁵

复性动力学、互补性与序列复杂度¶

降温并恢复适当离子条件后，互补链须先通过少量正确配对成核，再快速“拉链式”延伸。对片段长度较接近、充分随机混合且互补链浓度相当的简单体系，早期复性可近似二级反应；温度过低会稳定错误配对，温度过高又不利于成核。基因组 DNA 还受到片段长度、重复序列比例、序列组成和扩散的共同影响。

经典 \(C_0t\) 分析以初始单链核苷酸浓度 \(C_0\) 与复性时间 \(t\) 的乘积比较复性曲线。高拷贝重复序列更快遇到互补伙伴，低拷贝序列较慢，因此真核基因组可出现快、中、慢多个动力学组分。Britten 与 Kohne 的工作由此揭示大量重复 DNA；现代测序已能直接描绘重复序列，但 \(C_0t\) 仍是理解“序列复杂度如何进入碰撞动力学”的经典例子。¹⁶

分子杂交把同一原理用于检测：带标记的探针与互补靶序列形成双链，洗涤条件再淘汰稳定性不足的配对。严格度不是单一试剂的名称，而是温度、盐、甲酰胺等变性剂、探针长度和错配位置的合成结果。提高严格度通常更不容忍错配，但也可能损失低丰度或部分互补靶标；“有信号”仍需阳性、阴性和非特异结合对照。

人工核酸与化学合成¶

肽核酸（peptide nucleic acid，PNA）用重复的 N-(2-aminoethyl)glycine 单元替代糖—磷酸骨架，碱基仍按互补规则识别 DNA 或 RNA。中性骨架减少同号电荷排斥，并提高对许多核酸酶和蛋白酶的耐受性；1991 年的原始工作通过胸腺嘧啶取代的聚酰胺展示了序列选择性的 DNA 识别。高亲和力并不自动转化为体内药效，细胞摄取、组织递送、溶解性、脱靶结合和毒理仍须逐项解决。¹⁷

常规自动化寡核苷酸化学合成多采用固相亚磷酰胺法。首个核苷从 3′ 端固定在固相上，每轮依次暴露生长链 5′-OH、偶联活化的下一个核苷亚磷酰胺、封闭未反应链端并把不稳定的三价磷中间体氧化为五价磷；重复循环后再从载体切下并去保护。因此产物在固相上通常按 3′→5′ 方向增长，恰与聚合酶合成方向相反。RNA 单体还需保护 2′-OH，硫代磷酸酯等骨架则在氧化步骤采用相应硫化化学。¹⁸

若每轮正确偶联比例为 \(y\)，经历 \(n\) 轮后未经纯化的全长理论比例近似为 \(y^n\)。随着链长增加，缺失序列、去嘌呤、支化或不完全去保护等副产物累积，化学合成因而更适合寡核苷酸；较长构建体通常由短片段酶促组装，或采用仍在发展的模板非依赖酶合成。质谱或色谱确认长度与纯度之后，仍需用杂交、酶反应或细胞实验验证预期功能。

参考资料与延伸阅读¶

• IUPAC–IUB Joint Commission on Biochemical Nomenclature. Abbreviations and Symbols for Nucleic Acids, Polynucleotides and their Constituents. Pure and Applied Chemistry 55, 1273–1280 (1983).
• Alberts, B. et al. The Chemical Components of a Cell. Molecular Biology of the Cell, 4th ed.
• Cooper, G. M. The Molecular Composition of Cells. The Cell: A Molecular Approach, 2nd ed.
• RCSB PDB-101. DNA；Nucleosome。
• RNAcentral Consortium. About RNAcentral.
• SantaLucia, J. Jr. A unified view of polymer, dumbbell, and oligonucleotide DNA nearest-neighbor thermodynamics. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 95, 1460–1465 (1998).
• Luger, K. et al. Crystal structure of the nucleosome core particle at 2.8 Å resolution. Nature 389, 251–260 (1997).