3.5　核酸

核酸是由核苷酸縮合形成的另一類重要的生物大分子。每個核苷酸單體由磷酸、堿基和脫氧核糖或核糖組成。堿基由嘌呤和嘧啶構成，脫氧核糖核酸（DNA）中含有腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四個堿基和脫氧核糖，而核糖核酸（RNA）中包含腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）四個堿基和核糖。所有這些基團都是極性的，可以和水形成氫鍵，共同提高核酸大分子在水中的溶解性。脫氧核糖和核糖作為手性基團，決定了DNA和RNA的手性及雙螺旋結構的手性。

DNA形成G·C和A·T兩個堿基對，RNA形成G·C和A·U兩個堿基對。DNA一般以雙螺旋結構存在，雙螺旋結構是一類典型的生物自組裝結構。由于G·C堿基對有三個氫鍵，而A·T堿基對只有兩個，G·C堿基對的穩定性高于A·T堿基對，G·C含量高的核酸穩定性也較高。除了堿基對間的氫鍵，堿基對的堆積對于雙螺旋結構的形成也起到決定性的作用。這種堆積一方面增加了堿基對的共平面性，有利于氫鍵的形成，更重要的是，堆積使得水分子不能從氫鍵對的上下兩個方向接近，也穩定了氫鍵。

由于嘌呤和嘧啶堿都是雜環，嘌呤可以從Watson-Crick、Hoogsteen及糖三個側面形成氫鍵，而嘧啶也可以從前兩個側面形成氫鍵（圖3-5）。從Watson-Crick側面形成的上述氫鍵是核酸堿基標準的氫鍵模式。但每個堿基都存在不同的形成氫鍵的受體（N原子）和供體（NH）位點，受體N原子在質子化后也可以轉化為供體。因此，除了上述氫鍵堿基對外，這些堿基還可以形成其它形式的氫鍵，如G·C（反）、A·U（Hoogsteen）、A·U（反Hoogsteen）、A·U（反Watson-Crick）、G·U（搖擺）、G·U（反搖擺）、i-模體和A-模體等^［4］。i-模體為胞嘧啶在酸性介質中質子化后與另一個胞嘧啶形成的三氫鍵堿基對，由其構成的兩個雙股結構可以形成互穿的四股結構^［5］。RNA形成這類非標準堿基對的概率遠高于DNA。這些配對模式也可以同時發生，形成三聯堿基。例如，胸腺嘧啶和腺嘌呤形成T×A·T三聯堿基，質子化的胞嘧啶可以和鳥嘌呤形成C⁺×G·C三聯堿基等。這些非Watson-Crick堿基對提供了更多的多堿基相互作用選擇性，是多股DNA重要的結合模體^［4，6］。

圖3-5　核酸的嘌呤和嘧啶堿基側面的定義

在形成一個堿基對后，堿基的其它部位的氫鍵供體和受體還可以進一步被利用。比如可以與蛋白質氨基酸的側鏈或核苷酸鏈中的磷酸二酯O原子等相互作用，這對于核酸與蛋白間的相互作用及維持RNA分子的三級結構等非常重要。

在正離子比如K⁺的存在下，鳥嘌呤可以通過Hoogsteen氫鍵形成平面的G-四聚體（tetrad），金屬離子與羰基O之間的靜電作用穩定了這一氫鍵組裝體。如果一個核酸序列含有連續的鳥嘌呤堿基，它們可以形成四聚體的四重復合物（G-quadruplex）。