第一節(jié)　核酸分子的化學(xué)組成

一、核酸的元素組成

核酸是一類主要由C、H、O、N、P組成的化合物。其中磷在各種核酸中含量比較恒定，元素分析表明，RNA的平均含磷量為9.4%，DNA的平均含磷量為9.9%。因此只要測出核酸樣品的含磷量，就可以計(jì)算出該樣品的核酸含量。

二、核酸分子的基本結(jié)構(gòu)單位——核苷酸

（一）核苷酸的化學(xué)組成

核酸在核酸酶的水解下生成核苷酸（nucleotide），核苷酸進(jìn)一步水解生成核苷（nucleoside）和磷酸，核苷再水解生成堿基和戊糖（圖2-1）。DNA的基本結(jié)構(gòu)單位是脫氧核苷酸，而RNA的基本組成單位是核苷酸。核苷酸是由堿基、戊糖和磷酸組成。

1.堿基

堿基是構(gòu)成核苷酸的基本組分之一。核酸中的堿基是含氮雜環(huán)化合物，分為兩類：嘌呤堿（purine）和嘧啶堿（pyrimidine）。

（1）嘌呤堿　核酸中的嘌呤堿有腺嘌呤（adenine，A）和鳥嘌呤（guanine，G）（圖2-2）。

（2）嘧啶堿　核酸中的嘧啶堿有胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）（圖2-3）。

構(gòu)成DNA的堿基有A、G、C和T，而構(gòu)成RNA的堿基有A、G、C和U。尿嘧啶是RNA中特有的堿基。

（3）稀有堿基　核酸中除上述5中主要堿基外，還有一些含量甚少的堿基，統(tǒng)稱為稀有堿基。稀有堿基種類較多，大多為甲基化的堿基。如1-甲基腺嘌呤（m1A）、N6-甲基腺嘌呤（m6A）、次黃嘌呤（Ⅰ）、二氫尿嘧啶（DHU）等堿基。

2.戊糖

戊糖是構(gòu)成核苷酸的另一個(gè)基本組分。為避免與堿基原子序號(hào)混同，核苷中的戊糖的C原子編號(hào)均加上“'”（如1'、2'…）。核酸中的戊糖有兩種，均為β-呋喃糖，即β-D-核糖、β-D-2'-脫氧核糖。兩者的唯一區(qū)別在于C2'原子所連接的基團(tuán)是否含氧（圖2-4）。核糖存在于RNA分子中，而脫氧核糖存在于DNA分子中。戊糖化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異使得DNA在化學(xué)性質(zhì)上比RNA更加穩(wěn)定。

兩種核酸中的化學(xué)組成成分列于表2-1。

（二）核苷酸的分子結(jié)構(gòu)

1.核苷

核苷是堿基與戊糖之間以糖苷鍵相連構(gòu)成的化合物。戊糖的第1位碳原子（C1'）與嘧啶堿的第1位氮原子（N1）或與嘌呤堿的第9位氮原子（N9）通過縮合后連接。連接的化學(xué)鍵是N—C鍵，一般稱為N-糖苷鍵，并且戊糖環(huán)的C1'—OH為β構(gòu)型，所以堿基與戊糖的連接鍵為β-糖苷鍵。

根據(jù)核苷中所含戊糖不同，可將核苷分成核糖核苷和脫氧核糖核苷兩大類。對核苷進(jìn)行命名時(shí)，必須先冠以堿基的名稱，如腺嘌呤核苷、腺嘌呤脫氧核苷等（圖2-5）。

2.核苷酸

核苷或脫氧核苷上的C5'原子上的羥基與磷酸通過脫水縮合形成酯鍵相連構(gòu)成核苷酸或脫氧核苷酸（圖2-6）。

核苷有3個(gè)游離羥基（2'、3'、5'），因此可形成三種核苷酸（2'-核苷酸、3'-核苷酸和5'-核苷酸）。脫氧核苷只有兩個(gè)游離羥基（3'、5'），只能形成兩種脫氧核苷酸（3'-脫氧核苷酸、5'-脫氧核苷酸）。自然界中存在的游離核苷酸多為5'-核苷酸（其代號(hào)可略去5'），如5'-腺嘌呤核苷酸，簡稱腺苷酸或腺苷一磷酸；5'-胞嘧啶脫氧核苷酸，簡稱脫氧胞苷酸或脫氧胞苷一磷酸；其他核苷酸的命名可照此類推。

三、核苷酸的衍生物

（一）多磷酸核苷

含有一個(gè)磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷一磷酸（nucleoside monophosphate，NMP），其中5'-核苷一磷酸的磷酸基可進(jìn)一步磷酸化，生成5'-核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，NDP）和5'-核苷三磷酸（nucleoside triphosphate，NTP），后二者稱為核苷多磷酸。如腺苷一磷酸磷酸化生成腺苷二磷酸，腺苷二磷酸再磷酸化生成腺苷三磷酸。根據(jù)磷原子與C5'原子距離的遠(yuǎn)近，依次將各個(gè)磷原子標(biāo)以α、β和γ以示區(qū)別（圖2-7）。

在生物體內(nèi)核苷多磷酸具有重要的生物學(xué)功能。四種核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）是合成RNA的重要原料，四種脫氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）是合成DNA的重要原料。ATP是生物體內(nèi)能量的直接來源和利用形式，在代謝中發(fā)揮重要的作用；UTP參加糖的互相轉(zhuǎn)化與合成；CTP參加磷脂的合成；GTP參加蛋白質(zhì)和嘌呤的合成。

（二）環(huán)核苷酸

5'-核苷酸的磷酸基可與戊糖環(huán)的3'-OH脫水縮合形成3'，5'-環(huán)核苷酸。重要的環(huán)核苷酸有3'，5'-環(huán)腺苷酸（cAMP）和3'，5'-環(huán)鳥苷酸（cGMP）（圖2-8）。cAMP和cGMP雖然不是核酸的組成成分，但在組織細(xì)胞中起著傳遞信息的作用，因此稱為“第二信使”。

（三）輔酶類核苷酸

一些輔酶屬于核苷酸類衍生物。如腺苷酸是輔酶Ⅰ（NAD+）和輔酶Ⅱ（NADP+）、FAD、輔酶A等的組成成分。

四、核苷酸的連接方式

構(gòu)成核酸的基本單位是核苷酸。很多實(shí)驗(yàn)證明核酸是沒有分支的多聚核苷酸長鏈，鏈中前一個(gè)核苷酸的3'-羥基和下一個(gè)核苷酸的5'-磷酸以磷酸二酯鍵相連，稱為3'，5'-磷酸二酯鍵。由相間排列的戊糖和磷酸構(gòu)成磷酸大分子的主鏈（圖2-9中框內(nèi)部分），而代表其特性的堿基則可以看成是有次序地連接在其主鏈上的側(cè)鏈基團(tuán)。主鏈上的磷酸基是酸性的，在細(xì)胞的生理pH條件下帶負(fù)電荷；而嘌呤和嘧啶堿基因相對不溶于水而具有疏水性質(zhì)。另外，由于所有核苷酸間的磷酸二酯鍵有相同的走向，RNA和DNA鏈都有嚴(yán)格的方向性，而每條線性核酸鏈都有一個(gè)5'-末端（游離磷酸基）和一個(gè)3'-末端（游離羥基），通常以5'→3'方向?yàn)檎?，書寫時(shí)將5'-末端寫在左側(cè)（頭），3'-末端寫在右側(cè)（尾）（圖2-10）。

各核苷酸殘基沿多核苷酸鏈排列的順序（序列）稱為核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)。核苷酸的種類雖不多，但可因核苷酸的數(shù)目、比例和序列的不同構(gòu)成多種結(jié)構(gòu)不同的核酸。由于核苷酸之間的差異在于堿基的不同，因此也可用堿基序列表示核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)。