1869年，瑞士科学家弗雷德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）在分离白血球细胞核时得到一种酸性物质，就称之为核酸。科学家们后来发现核酸是生物体内中重要的大分子化合物，对遗传信息的储存、蛋白质的合成起着决定性的作用。

1.核酸的结构

核酸是由核糖、磷酸、碱基这三类物质组成的。

（1）核糖。核糖是含有五个碳原子的糖，有两种，就是核糖和脱氧核糖（见图5-34），它们都是戊醛糖。脱氧核糖在第二个碳原子上没有羟基，少了一个氧原子。

图5-34　核糖和脱氧核糖

核糖的羟基可以与磷酸形成长链。长链的结构式如图5-35所示（含有3个相连的磷酸）。

5-35　核糖与3个磷酸和1个碱基相连的长链结构式

（2）碱基。碱基有两类，即嘌呤和嘧啶，共五种。它们都是含氮的化合物，基本结构如图5-36所示。嘌呤有两种，嘧啶有三种，如图5-37所示。

图5-36　嘌呤和嘧啶的基本结构

图5-37　核酸中常见的两种嘌呤碱基和三种嘧啶碱基

（3）核苷和核苷酸。核糖与碱基脱水缩合生成的化合物称之为核苷（见图5-38），如再与磷酸连接就叫作核苷酸。

图5-38是由胞嘧啶与核糖生成的胞嘧啶核苷。图5-39是八种核苷酸的结构式。

图5-38　核苷

图5-39

图5-39　八种核苷酸的结构

从图5-39中可以看到，核糖没有能与胸腺嘧啶形成的核苷酸，脱氧核糖则没有能与尿嘧啶形成的核苷酸，因此总共只有八种核苷酸。

2.脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）

20世纪初，德国化学家科塞尔（Kossel）发现了核酸是由四种碱基（A，G，C，T）参与组成的化合物。他的学生莱文（Levine）又进一步弄清了细胞里的核酸有两种，一种叫脱氧核糖核酸（DNA），另一种叫核糖核酸（RNA），它们都是由几千到几千万个核苷酸组成的。直到1953年华生（J.D.Waston）和克里克（F.H.C.Crick）提出能够解释DNA的物理特性和化学特性的一种构型后，该分子的结构才被确定下来。华生和克里克发现：DNA的结构是由两条螺旋形多核苷酸链环绕同一根轴形成双螺旋（见图5-40）。核苷酸的亲水的糖和磷酸酯组分在螺旋的外缘，疏水的碱基则在内部。华生和克里克的这一发现是生命科学史上的重大事件，它导致一些全新学科的诞生并影响到许多学科的发展进程。

图5-40　DNA带状、棒状模型

1969年2月，美国加利福尼亚工学院的杰克·格里菲思发表了第一张用电子显微镜拍摄的DNA双螺旋结构照片，放大730万倍，可以看到DNA的两条细丝缠绕在一起，如图5-41所示。

图5-41　电镜拍摄的DNA双螺旋结构照片

DNA中，连接两条核苷酸链的碱基对叫作互补碱基对，而且腺嘌呤（A）只与胸腺嘧啶（T）以氢键结合，而鸟嘌呤（G）只与胞嘧啶（C）以氢键结合，也就是说，氢键只能在A-T，T-A，C-G，G-C这些碱基对之间形成（请看图5-40的带状模型）。DNA分子的部分结构如图5-42所示。

图5-42　DNA分子的部分结构

DNA相对分子质量为600万～1600万；RNA相对分子质量则在2500～100万以上。RNA分子和DNA不一样，不是双链的，而是由单股的核酸组成（见图5-43）。DNA大部分存在于细胞核内，是遗传信息的携带者；RNA则大部分存在于细胞质内。

细胞里还发现有三种不同的RNA：信使核糖核酸（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）和转移RNA（tRNA）。mRNA是在细胞核里合成的，只包含四种碱基：腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和尿嘧啶（U）。它是在DNA螺旋的一股上合成的，所以它的碱基顺序与DNA的碱基顺序互补，并且是用RNA中的U来代替DNA中的T与DNA中的A互补。

DNA上的碱基对的排列对于每一个人来说是独特无二的。1992年耶鲁大学科学家比较了7000人的DNA碱基对的排列，进行的760万次DNA排列比较中，结果只有一例是相同的，两个人DNA排列完全相同的可能性最多只是百万分之一，因此碱基对的不同排列可以作为“DNA指纹”。这种DNA指纹技术首先在有争议的亲子鉴定及确定亲缘关系中显示了它的作用。虽然两个人DNA吻合概率在80万分之一至10亿分之一之间，但由于调查人员获得的血液和唾液样本经常是混合型样本，是多个不同个体的DNA样本混合体，因此，检验的准确性将大打折扣。

图5-43　RNA分子的单条多核苷酸链

3.染色体

科学家发现在细胞核中存在着主要是由蛋白质与DNA相结合而构成的生命的细丝，由于在显微镜下观察它时，容易给它染上颜色，因此被叫做染色体（见图5-44）。染色体要比DNA本身粗大得多，它是核酸-蛋白质的复合体。

图5-44　显微镜下的染色体

病毒和细菌仅有一条DNA生命细丝，遗传密码就排列在这条细丝上。蚕豆有12条，玉米是20条，果蝇是8条，人类是46条、23对（见图5-45）。有人计算过，人类细胞的DNA细丝直径为五百万分之一厘米，每个细胞里的细丝总长度是1.5～2米，人体约有100兆个细胞，全部细胞的细丝总长15亿～20亿千米，而地球到太阳的距离也不过只有1.5亿千米。一条DNA链重约1/2000亿（克），全球60亿人，全部加起来其质量也不过相当于一粒米的质量，可见生命遗传物质的细微，但它却掌握着生命特征之大权。生物体DNA分子最短的约为4000个碱基对，最长的约有40亿个碱基对，事实上，为了能将所有的DNA装进细胞核，DNA必须被折叠、扭曲、再折成紧密的形状。单个DNA分子有几厘米长，而一个细胞核只有几个纳米宽，这就很容易明白为什么DNA必须折成这样紧密了。

图5-45　正常人的染色体核型

在细胞分裂期间的末期，一个细胞刚要一分为二时，每个细胞的染色体，都分裂为完全相同的染色单体对。染色单体就是亲代染色体的复制物，它们由亲代染色体中DNA分子的复制而产生。

一个DNA分子可能含有多达几千万个核苷酸，这核苷酸的排列顺序就是生命遗传信息的遗传密码，或者说是一套编码指令，它能被活细胞用来合成蛋白质。DNA分子有能力通过复制过程来进行自我复制，这样就保证了遗传信息从一个世代传递到下一个世代。DNA还可合成RNA，而RNA再负担蛋白质的合成。因此，我们看到核酸决定了所有生物体的最终类型（结构蛋白）和功能（酶）。