核酸
核酸(nucleic acid)起初因其溶于碱、不溶于酸而被命名为核酸。
本章主要介绍核酸的化学结构，为日后的深入学习奠定基础。
一、分类
根据分子中所含戊糖的类型，核酸可分为核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)和脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)。
DNA主要存在于细胞核和线粒体内，是生物遗传的物质基础，承担体内遗传信息的贮存和发布。
约90%的RNA在细胞质中，在细胞核内的含量约占10%，它直接参与体内蛋白质的合成。根据在蛋白质合成过程中所起的作用，RNA又可分为核糖体RNA、信使RNA和转运RNA。
二、核苷和核苷酸
（一）核酸的化学组成
核酸中所含有的主要元素为C、H、O、N、P，其中含磷量为9%~10%，由于各种核酸分子中含磷量比较接近恒定，故常用含磷量来测定组织中核酸的含量。
核酸的基本组成单位是核苷酸(nucleotide)。
核苷酸由磷酸和核苷(nucleoside)组成，核苷由碱基和戊糖组成（表18-1）。
1.戊糖
核酸中的戊糖有两种，即D-核糖和D-2-脱氧核糖，都为β-构型，D-核糖存在于RNA中，而 D-2-脱氧核糖存在于DNA中。它们的结构及编号如下：
2.碱基
DNA和RNA中所含的嘌呤碱基相同，均为腺嘌呤(adenine)和鸟嘌呤(guanine)。而所含的嘧啶碱基不同，DNA含有胞嘧啶(cytosine)和胸腺嘧啶(thymine)，RNA中含有胞嘧啶和尿嘧啶(uracil)。组成核酸的碱基结构如下：
两类碱基均可发生酮式-烯醇式互变，在生理条件下或者在酸性、中性介质中，它们均以酮式为主。
除以上常见碱基外，核酸中还含有稀有碱基，如DNA中的5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine)、 RNA中的二氢尿嘧啶(dihydrouracil)等。
（二）核苷
核苷是由戊糖C1上的β-OH与碱基含氮杂环上的-NH脱水形成的氮苷。
在核苷的结构式中，戊糖上的碳原子的编号以1'~5'表示，以区别于碱基上原子的编号。
核苷的名称由碱基和戊糖组成，常常缩写，如腺嘌呤与核糖形成的氨苷称为腺嘌呤核苷，简写为腺苷。RNA中常见的四种核苷的结构及名称如下：
（三）核苷酸
核苷酸是核苷中戊糖的C5-OH或C3-OH与磷酸脱水形成的磷酸酯，生物体内大多数核苷酸为5'核苷酸。
组成RNA的核苷酸为腺苷酸(AMP)、鸟苷酸(GMP)、胞苷酸(CMP)和尿苷酸(UMP);组成DNA的核苷酸为脱氧腺苷酸(dAMP)、脱氧鸟苷酸(dGMP)、脱氧胞苷酸(dCMP)和脱氧胸苷酸(dTMP)。
核苷酸的命名包括核苷的名称和磷酸，并标出磷酸与戊糖连接的位置。例如：腺苷酸又称为腺苷-5'-磷酸(adenosine-5'-phosphate)或腺苷一磷酸(adenosine monophosphate)。
三、结构和理化性质
（一）核酸的一级结构
核酸分子中各种核苷酸的排列顺序为核酸的一级结构，又称为核苷酸序列。
由于核苷酸间的差别主要是碱基差异，因此也称为碱基序列。
在核酸分子中，核苷酸彼此间是通过3'和5'-磷酸二酯键连接的。即一个核苷酸的3'-羟基与另一个核苷酸5'-磷酸脱水形成磷酯键，从而形成没有支链的核酸大分子。
DNA和RNA的部分多核苷酸链可用简式表示如下：
以上表示方法直观易懂，但书写麻烦。为了简化结构式，常用P表示磷酸，用竖线表示戊糖，表示碱基的相应英文字母置于竖线之上，用斜线表示磷酸和糖基酯键。以上RNA、DNA的部分结构可表示如下：
还可用更简单的字符表示：
RNA 5'pApCpGpU-OH 3'或5'ACGU 3'
DNA 5'pApCpGpT-OH 3'或5'ACGT 3'
根据核酸的书写规则，DNA和RNA的书写应从5'端到3'端。
由于RNA中戊糖C2-OH的存在，使其可在碱性物质作用下发生分子内亲核反应，从而使磷酸酯键断裂。因此RNA链通常较DNA链短，稳定性较DNA差。
tRNA的3'端碱基为CCA，其末端的A的3'-OH可与氨基酸中的羰基发生亲核加成反应，从而完成氨基酸的转运。
（二）核酸的二级结构
1.DNA的二级结构
DNA分子由两条核苷酸链组成，沿着一个共同轴心以反平行走向盘旋成右手双螺旋结构（图18-1）。
双螺旋直径为2000pm，相邻两个碱基对间的平面距离为340pm，每10对碱基组成一个螺旋周期，即DNA双螺旋的螺距为3400pm。
亲水的脱氧戊糖基和磷酸基位于双螺旋的外侧，而碱基朝向内侧。
碱基间的疏水作用可导致碱基堆积，这种堆积力维系着双螺旋的纵向稳定，而维系双螺旋横向稳定的因素是碱基对间的氢键。
通过氢键连接的碱基始终是腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)，即A=T、G≡C配对，这一规律称为碱基互补规律(complementary base pairing rule)或碱基配对规律。两个相互配对的碱基，彼此互称为“互补碱基”。由碱基互补规律可知，当DNA分子中一条多核苷酸链的碱基序列确定后，即可推知另一条链的碱基序列。
碱基配对规律是由双螺旋结构的几何形状决定的。因为只有嘌呤碱基和嘧啶碱基配对才能使碱基对合适地安置在双螺旋内。若两个嘌呤碱基配对，则体积太大无法容纳；若两个嘧啶碱基配对，由于两条链之间距离太远，难以形成氢键。
腺嘌呤与胸腺嘧啶而不是胞嘧啶配对，是因为这样可以使碱基间形成最多的氢键。另外，这两组碱基对的形状大小非常接近，具备适宜的键长与键角，也创造了形成氢键的条件。
沿螺旋轴方向观察，碱基对并不充满双螺旋的空间。由于碱基对的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此在双螺旋的外部形成了一个大沟(major groove)和一个小沟(minor groove)。
这些沟对DNA和蛋白质的相互识别是非常重要的。因为只有在沟内才能觉察到碱基的顺序，而在双螺旋结构的表面，是脱氧核糖和磷酸的重复结构，不能提供遗传信息。
DNA右手双螺旋结构模型是DNA分子在水溶液和生理条件下最稳定的结构，称为B-DNA。此外，人们还发现了Z-DNA和A-DNA，可见，自然界DNA的存在形式不是单一的。
2.RNA的二级结构
大多数天然RNA以单链形式存在，在某些区域形成自身回折。在回折区内，碱基彼此配对(A=U、G≡C)。配对的RNA链（约占40%~70%）形成双螺旋结构，不能配对的碱基则形成突环(loop)。
（三）核酸的理化性质
1.物理性质
DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末。两者均微溶于水，易溶于稀碱溶液，其钠盐在水中的溶解度比较大。DNA和RNA都不溶于乙醇、乙醚、氯仿等有机溶剂，而易溶于2-甲氧基乙醇中。
核酸分子中的碱基有共轭结构，其最大紫外吸收波长为260m，因此紫外分光光度法可用于核酸、核苷酸、核苷及碱基的定量分析。通过同时测定在260nm和280nm的紫外吸光度的比值(A260/A280)可以估算核酸的纯度。DNA的比值为1.8，RNA的比值为2.0。若DNA比值高于1.8，说明其中的RNA尚未除尽。RNA、DNA中含有蛋白质将导致比值降低。
核酸溶液的黏度比较大，DNA的黏度比RNA更大，这是DNA分子的不对称性引起的。
2.酸碱性
核酸分子中既含磷酸基，又含有嘌呤和嘧啶碱基，所以它是两性物质，但酸性大于碱性。
它能与金属离子成盐，也能与一些碱性化合物生成复合物。它还能与一些染料结合，在组织化学研究中，此性质可用来帮助观察细胞内核酸成分的各种细微结构。
核酸在不同的pH值溶液中，带有不同电荷，因此它可像蛋白质一样，在电场中发生迁移（电泳）。迁移的方向和速率与核酸分子的电荷量、分子的大小和分子的形状有关。
四、核酸的复制与转录
DNA的生物合成称为复制。
复制时DNA的双螺旋在酶的作用下解旋，按照从5'-端到3'-端的方向，依据碱基互补规律排列新的多核苷酸链。
其中一条链连续复制，另一条链不连续复制，由酶催化接合，从而使得多核苷酸链具有高度保真性。
在DNA链中具有编码蛋白质、多肽或RNA的多核苷酸片段称为基因，生物体内形形色色的遗传信息均由DNA中的碱基顺序决定。
RNA的生物合成称为转录，合成方向也是5'-端至3'-端。