第一節　核酸分子的化學組成

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，就可以計算出該樣品的核酸含量。

二、核酸分子的基本結構單位——核苷酸

（一）核苷酸的化學組成

核酸在核酸酶的水解下生成核苷酸（nucleotide），核苷酸進一步水解生成核苷（nucleoside）和磷酸，核苷再水解生成堿基和戊糖（圖2-1）。DNA的基本結構單位是脫氧核苷酸，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

堿基是構成核苷酸的基本組分之一。核酸中的堿基是含氮雜環化合物，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）。

構成DNA的堿基有A、G、C和T，而構成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

戊糖是構成核苷酸的另一個基本組分。為避免與堿基原子序號混同，核苷中的戊糖的C原子編號均加上“'”（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。兩者的唯一區別在于C2'原子所連接的基團是否含氧（圖2-4）。核糖存在于RNA分子中，而脫氧核糖存在于DNA分子中。戊糖化學結構的差異使得DNA在化學性質上比RNA更加穩定。

兩種核酸中的化學組成成分列于表2-1。

（二）核苷酸的分子結構

1.核苷

核苷是堿基與戊糖之間以糖苷鍵相連構成的化合物。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。連接的化學鍵是N—C鍵，一般稱為N-糖苷鍵，并且戊糖環的C1'—OH為β構型，所以堿基與戊糖的連接鍵為β-糖苷鍵。

根據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。對核苷進行命名時，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成核苷酸或脫氧核苷酸（圖2-6）。

核苷有3個游離羥基（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

含有一個磷酸基團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。根據磷原子與C5'原子距離的遠近，依次將各個磷原子標以α、β和γ以示區別（圖2-7）。

在生物體內核苷多磷酸具有重要的生物學功能。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是生物體內能量的直接來源和利用形式，在代謝中發揮重要的作用；UTP參加糖的互相轉化與合成；CTP參加磷脂的合成；GTP參加蛋白質和嘌呤的合成。

（二）環核苷酸

5'-核苷酸的磷酸基可與戊糖環的3'-OH脫水縮合形成3'，5'-環核苷酸。重要的環核苷酸有3'，5'-環腺苷酸（cAMP）和3'，5'-環鳥苷酸（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

構成核酸的基本單位是核苷酸。很多實驗證明核酸是沒有分支的多聚核苷酸長鏈，鏈中前一個核苷酸的3'-羥基和下一個核苷酸的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成磷酸大分子的主鏈（圖2-9中框內部分），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鏈基團。主鏈上的磷酸基是酸性的，在細胞的生理pH條件下帶負電荷；而嘌呤和嘧啶堿基因相對不溶于水而具有疏水性質。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鏈都有嚴格的方向性，而每條線性核酸鏈都有一個5'-末端（游離磷酸基）和一個3'-末端（游離羥基），通常以5'→3'方向為正向，書寫時將5'-末端寫在左側（頭），3'-末端寫在右側（尾）（圖2-10）。

各核苷酸殘基沿多核苷酸鏈排列的順序（序列）稱為核酸的一級結構。核苷酸的種類雖不多，但可因核苷酸的數目、比例和序列的不同構成多種結構不同的核酸。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結構。