第一节 核酸分子的化学组成
一、核酸的元素组成
核酸是一类主要由C、H、O、N、P组成的化合物。其中磷在各种核酸中含量比较恒定，元素分析表明，RNA的平均含磷量为9.4%，DNA的平均含磷量为9.9%。因此只要测出核酸样品的含磷量，就可以计算出该样品的核酸含量。
二、核酸分子的基本结构单位——核苷酸
（一）核苷酸的化学组成
核酸在核酸酶的水解下生成核苷酸（nucleotide），核苷酸进一步水解生成核苷（nucleoside）和磷酸，核苷再水解生成碱基和戊糖（图2-1）。DNA的基本结构单位是脱氧核苷酸，而RNA的基本组成单位是核苷酸。核苷酸是由碱基、戊糖和磷酸组成。
图2-1 核苷酸的化学组成
1.碱基
碱基是构成核苷酸的基本组分之一。核酸中的碱基是含氮杂环化合物，分为两类：嘌呤碱（purine）和嘧啶碱（pyrimidine）。
（1）嘌呤碱 核酸中的嘌呤碱有腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）（图2-2）。
图2-2 构成核苷酸的嘌呤碱基的化学结构式
（2）嘧啶碱 核酸中的嘧啶碱有胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U）和胸腺嘧啶（thymine，T）（图2-3）。
图2-3 构成核苷酸的嘧啶碱基的化学结构式
构成DNA的碱基有A、G、C和T，而构成RNA的碱基有A、G、C和U。尿嘧啶是RNA中特有的碱基。
（3）稀有碱基 核酸中除上述5中主要碱基外，还有一些含量甚少的碱基，统称为稀有碱基。稀有碱基种类较多，大多为甲基化的碱基。如1-甲基腺嘌呤（m1A）、N6-甲基腺嘌呤（m6A）、次黄嘌呤（Ⅰ）、二氢尿嘧啶（DHU）等碱基。
2.戊糖
戊糖是构成核苷酸的另一个基本组分。为避免与碱基原子序号混同，核苷中的戊糖的C原子编号均加上“'”（如1'、2'…）。核酸中的戊糖有两种，均为β-呋喃糖，即β-D-核糖、β-D-2'-脱氧核糖。两者的唯一区别在于C2'原子所连接的基团是否含氧（图2-4）。核糖存在于RNA分子中，而脱氧核糖存在于DNA分子中。戊糖化学结构的差异使得DNA在化学性质上比RNA更加稳定。
图2-4 构成核苷酸的核糖和脱氧核糖的化学结构式
两种核酸中的化学组成成分列于表2-1。
表2-1 RNA和DNA的化学组成
（二）核苷酸的分子结构
1.核苷
核苷是碱基与戊糖之间以糖苷键相连构成的化合物。戊糖的第1位碳原子（C1'）与嘧啶碱的第1位氮原子（N1）或与嘌呤碱的第9位氮原子（N9）通过缩合后连接。连接的化学键是N—C键，一般称为N-糖苷键，并且戊糖环的C1'—OH为β构型，所以碱基与戊糖的连接键为β-糖苷键。
根据核苷中所含戊糖不同，可将核苷分成核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。对核苷进行命名时，必须先冠以碱基的名称，如腺嘌呤核苷、腺嘌呤脱氧核苷等（图2-5）。
图2-5 核糖或脱氧核糖与碱基通过糖苷键相连形成核苷
2.核苷酸
核苷或脱氧核苷上的C5'原子上的羟基与磷酸通过脱水缩合形成酯键相连构成核苷酸或脱氧核苷酸（图2-6）。
图2-6 核苷或脱氧核苷与磷酸通过磷酸酯键相连形成核苷酸
核苷有3个游离羟基（2'、3'、5'），因此可形成三种核苷酸（2'-核苷酸、3'-核苷酸和5'-核苷酸）。脱氧核苷只有两个游离羟基（3'、5'），只能形成两种脱氧核苷酸（3'-脱氧核苷酸、5'-脱氧核苷酸）。自然界中存在的游离核苷酸多为5'-核苷酸（其代号可略去5'），如5'-腺嘌呤核苷酸，简称腺苷酸或腺苷一磷酸；5'-胞嘧啶脱氧核苷酸，简称脱氧胞苷酸或脱氧胞苷一磷酸；其他核苷酸的命名可照此类推。
三、核苷酸的衍生物
（一）多磷酸核苷
含有一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（nucleoside monophosphate，NMP），其中5'-核苷一磷酸的磷酸基可进一步磷酸化，生成5'-核苷二磷酸（nucleoside diphosphate，NDP）和5'-核苷三磷酸（nucleoside triphosphate，NTP），后二者称为核苷多磷酸。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。根据磷原子与C5'原子距离的远近，依次将各个磷原子标以α、β和γ以示区别（图2-7）。
图2-7 核苷多磷酸的化学结构式
在生物体内核苷多磷酸具有重要的生物学功能。四种核苷三磷酸（ATP、GTP、CTP、UTP）是合成RNA的重要原料，四种脱氧核苷三磷酸（dATP、dGTP、dCTP、dTTP）是合成DNA的重要原料。ATP是生物体内能量的直接来源和利用形式，在代谢中发挥重要的作用；UTP参加糖的互相转化与合成；CTP参加磷脂的合成；GTP参加蛋白质和嘌呤的合成。
（二）环核苷酸
5'-核苷酸的磷酸基可与戊糖环的3'-OH脱水缩合形成3'，5'-环核苷酸。重要的环核苷酸有3'，5'-环腺苷酸（cAMP）和3'，5'-环鸟苷酸（cGMP）（图2-8）。cAMP和cGMP虽然不是核酸的组成成分，但在组织细胞中起着传递信息的作用，因此称为“第二信使”。
图2-8 环核苷酸的化学结构式
（三）辅酶类核苷酸
一些辅酶属于核苷酸类衍生物。如腺苷酸是辅酶Ⅰ（NAD+）和辅酶Ⅱ（NADP+）、FAD、辅酶A等的组成成分。
四、核苷酸的连接方式
构成核酸的基本单位是核苷酸。很多实验证明核酸是没有分支的多聚核苷酸长链，链中前一个核苷酸的3'-羟基和下一个核苷酸的5'-磷酸以磷酸二酯键相连，称为3'，5'-磷酸二酯键。由相间排列的戊糖和磷酸构成磷酸大分子的主链（图2-9中框内部分），而代表其特性的碱基则可以看成是有次序地连接在其主链上的侧链基团。主链上的磷酸基是酸性的，在细胞的生理pH条件下带负电荷；而嘌呤和嘧啶碱基因相对不溶于水而具有疏水性质。另外，由于所有核苷酸间的磷酸二酯键有相同的走向，RNA和DNA链都有严格的方向性，而每条线性核酸链都有一个5'-末端（游离磷酸基）和一个3'-末端（游离羟基），通常以5'→3'方向为正向，书写时将5'-末端写在左侧（头），3'-末端写在右侧（尾）（图2-10）。
图2-9 多聚核苷酸链的化学式图中是RNA片段。在DNA中，戊糖的2'-OH为2'-H，尿嘧啶为胸腺嘧啶
图2-10 核酸的一级结构及其书写方式
各核苷酸残基沿多核苷酸链排列的顺序（序列）称为核酸的一级结构。核苷酸的种类虽不多，但可因核苷酸的数目、比例和序列的不同构成多种结构不同的核酸。由于核苷酸之间的差异在于碱基的不同，因此也可用碱基序列表示核酸的一级结构。