nukleinske kiseline (prema lat. nucleus: jezgra), biološke makromolekule sastavljene od nukleotida (nukleozid-monofosfati). U stanicama živoga svijeta postoje dvije vrste nukleinskih kiselina: deoksiribonukleinska kiselina (DNA ili DNK) i ribonukleinska kiselina (RNA ili RNK), dok virusi obično sadržavaju samo jedan tip. Nazivi DNA i RNA nastali su kao kratice engleskih naziva, danas se smatraju simboličkim imenima pa se ne prevode, već se rabe u izvornome obliku, a stoga su hrvatske kratice istovjetne međunarodnima.
Molekula RNA jednolančana je, no mjestimice može tvoriti dvostruke uzvojnice i stvarati strukture nalik na ukosnice. Polinukleotidni lanac RNA građen je od četiri različita ribonukleotida, gradbenih jedinica sastavljenih od šećera riboze, fosfatne skupine i jedne od dušikovih baza, odnosno nukleobaza (adenin, citozin, gvanin, uracil; kratice A, C, G, U). Molekula DNA linearna je ili kružna, građena od dva polinukleotidna lanca omotana jedan oko drugoga u dvolančanu uzvojnicu. Gradbena jedinica DNA jest deoksiribonukleotid koji sadržava molekulu šećera D-2'-deoksiribozu (riboza bez hidroksilne skupine na drugom C-atomu), fosfatnu skupinu i jednu od nukleobaza (adenin, citozin, gvanin, timin; kratice A, C, G, T). U lancima DNA svaka se nukleobaza uparuje s komplementarnom nukleobazom drugoga lanca: adenin s timinom te citozin s gvaninom (Chargaffovo pravilo). Lanci RNA mogu sadržavati do nekoliko tisuća nukleotida, a lanci DNA i do nekoliko stotina milijuna nukleotida. Mjerna jedinica u molekularnoj biologiji kojom se označava tisuću nukleotida ili tisuću parova baza u nukleinskoj kiselini jest kilobaza (kb ili kbp).
Okosnicu nukleinskih kiselina čini niz pentoza povezanih fosfodiesterskom vezom. Budući da jedna fosfodiesterska veza povezuje 3'-hidroksilnu skupinu jedne deoksiriboze s 5'-hidroksilnom skupinom susjedne, dva se kraja polinukleotidnih lanaca kemijski razlikuju, svaki ima određen smjer pa se označavaju kao 5'-kraj i 3'-kraj. Slijed (specifični raspored) nukleotida, u kojem je zapisana genetička informacija, dogovorno se piše počevši od 5'-kraja prema 3'-kraju, pa se tako sljedovi nukleotida ACG i GCA razlikuju.
Deoksiribonukleinsku kiselinu izolirao je Johannes Friedrich Miescher 1869. iz jezgri ljudskih stanica, a potom iz riblje sperme, te ju nazvao »nuklein«, no tek je u razdoblju između dvaju svjetskih ratova razjašnjena primarna (kovalentna) polimerna struktura nukleinskih kiselina. Zanimanje za nukleinske kiseline poraslo je nakon 1944., kada je Oswald Theodore Avery pokazao da je DNA nositelj genetičke informacije. Osnovno je svojstvo nasljedne tvari mogućnost udvostručivanja, odnosno replikacije, a pretpostavljalo se da će otkriće prostorne građe DNA objasniti taj biološki fenomen. Na temelju kristalografskih istraživanja Mauricea Hugha Fredericka Wilkinsa i Rosalind Franklin, James Dewey Watson i Francis Harry Compton Crick predložili su 1953. model dvostruke uzvojnice DNA i mehanizam njezina udvostručivanja. U tom su modelu dva lanca DNA međusobno omotana jedan oko drugoga duž zajedničke osi, pri čem se nasuprot bazi A u jednom lancu uvijek nalazi baza T u drugome, a nasuprot bazi G uvijek baza C. Prema tome, raspored baza na jednom lancu određuje raspored baza na drugome, komplementarnom lancu jedne molekule. Parovi baza međusobno su povezani vodikovim mostovima. Molekule DNA svakog organizma razlikuju se u redoslijedu parova baza koji je jedinstven za svaki organizam. Pri replikaciji, dvostruka se uzvojnica DNA razmotava i na svakom se lancu sintetizira novi polinukleotidni lanac, poštujući načelo komplementarnosti. Tako nastaju dvije molekule DNA, identične ishodišnoj molekuli. U replikaciji sudjeluju mnogobrojni enzimi i ostali proteini, a među njima je ključan enzim DNA-polimeraza (→ arthur kornberg). On katalizira polimerizaciju deoksiribonukleotida iz deoksiribonukleozid-trifosfata na temelju komplementarnosti s lancem DNA koji služi kao kalup, pri čem nastaje fosfodiesterska veza, a oslobađa se anorganski pirofosfat. Sinteza novoga lanca odvija se uvijek u smjeru od 5'-kraja prema 3'-kraju molekule DNA. Replikacijom nastaju vjerne kopije izvorne genetičke informacije, jer se možebitne nastale pogreške uglavnom odmah enzimski popravljaju. Kemijske promjene nastale u DNA nakon replikacije (spontano, zračenjem ili kemijskim djelovanjem) također neprekidno popravljaju enzimi. To omogućuje dvolančana struktura DNA, jer se nakon oštećenja jednoga lanca genetička informacija ne gubi, već postoji i u drugome lancu.
Sveukupna DNA neke stanice ili virusa naziva se genom, a dio DNA kojim je određena vrsta nekog proteina ili RNA naziva se gen. Molekule DNA najveći su biopolimeri. Duljina im iznosi od nekoliko mikrometara kod virusa i staničnih organela (mitohondriji, kloroplasti) te nekoliko milimetara kod bakterija do 1 m u pojedinim kromosomima sisavaca (→ nukleosom). Promjer je dvostruke uzvojnice samo 2 nm i molekulu DNA moguće je opažati elektronskim mikroskopom.
Tehnikama sekvenciranja moguće je utvrditi točan redoslijed nukleotida u DNA (→ walter gilbert; frederick sanger). Tako je 2001. utvrđen potpuni redoslijed nukleotida u DNA svih kromosoma ljudskoga genoma (približno 3 ∙ 109 nukleotidnih parova). Danas se analiza DNA primjenjuje u različite znanstvene svrhe (npr. u antropologiji), a budući da je ta molekula kemijski vrlo otporna, moguće je analizirati čak i fosilne uzorke. Analiza DNA najpouzdanija je metoda u sudskoj medicini (identifikacija žrtava i počinitelja zločina, utvrđivanje očinstva), a zasniva se na lančanoj reakciji polimerazom (PCR, prema engl. polimerase chain reaction), kojom se na uzorku DNA iz tkiva ili tjelesne tekućine višestruko umnože njezini odabrani mali dijelovi. Biraju se oni dijelovi molekule koji kod svih ljudi sadržavaju nekoliko puta uzastopno ponavljane nizove nukleotida. Dobiveni uzorak jedinstven je za svakoga pojedinca, a sadržava ponovljene nizove naslijeđene od bioloških roditelja. (→ molekularna biologija; molekularna genetika)
Ribonukleinske kiseline služe kao prenositelji genetičke informacije u biosintezi proteina. Tri su osnovne vrste RNA u svim živim stanicama: ribosomska RNA (rRNA), prijenosna ili transfer-RNA (tRNA, prije se označavala kao topljiva ili sRNA), te glasnička ili messenger-RNA (mRNA). Molekule RNA nastaju transkripcijom, tj. prijepisom informacija sadržanih u DNA nastaje tzv. transkript. Taj proces kataliziraju enzimi RNA-polimeraze, koji pri sintezi lanca RNA komplementarnoga jednomu lancu DNA kao supstrate rabe ribonukleozid-trifosfate.
Ribonukleinske kiseline (osim kod nekih virusa) jednolančane su molekule. Približno 80% sveukupne stanične RNA čini rRNA koja je sastavni dio ribosoma. Molekule mRNA služe kao glasnici; kod prokariota one su izravan prijepis strukturnih gena koji sadržavaju kodiranu uputu za primarnu strukturu pojedinih proteina. Kod eukariota mRNA nastaje izrezivanjem introna (nekodirajuća DNA) iz prvobitnoga transkripta (→ gen). Molekule tRNA sadržavaju 60-ak nukleotida, od kojih se neki nakon transkripcije mogu modificirati. One služe kao posrednici u prevođenju genetičke informacije, koja je zapisana u mRNA, u niz aminokiselina polipeptidnoga lanca proteina. Karakteristični je dio svake tRNA antikodon, niz od tri nukleotida komplementaran kodonu u molekuli mRNA (→ genetički kod). Na 3'-kraj tRNA, s pomoću enzima aminoacil-tRNA-sintetaza specifičnim za svaku aminokiselinu, esterski se vežu standardne aminokiseline koje izgrađuju proteine te nastaju aminoacil-tRNA. Genetička se informacija očitava u ribosomima tako da slijed kodona u molekuli mRNA određuje slijed kojim se vežu molekule aminoacil-tRNA. Enzimskom aktivnošću ribosoma aminokiseline se povezuju peptidnim vezama, tj. nastaje polipeptidni lanac proteina. (→ adaptor-hipoteza; centralna dogma)
Osim triju osnovnih vrsta RNA, u stanicama eukariota i nekih arheja postoje i druge vrste RNA, poput male jezgrine RNA (snRNA, prema engl. small nuclear RNA), mikroRNA (miRNA) koja sadržava 21 do 25 nukleotida i male interferirajuće RNA (siRNA, prema engl. small interfering RNA) što sudjeluju u doradbi RNA i regulaciji ekspresije gena, no nisu izravno uključene u biosintezu proteina.
