核酸组成

image.png

一、核酸的基本组成单位

（一）碱基

碱基是含氮的芳香杂环化合物，可分为嘌呤(purine)和嘧啶(pyrimidine)两类(图2-1)。
image.png
常见的嘌呤包括腺嘌呤(adenine,简写为A)和鸟嘌呤(guanine,简写为 G)，常见的嘧啶包括尿嘧啶(uracil,简写为U)、胸腺嘧啶(thymine,简写为T)和胞嘧啶(cytosine,简写为C)。A、G、C和T是构成DNA的碱基，A、G、C和U是构成RNA的碱基。
image.png
受到所处环境pH的影响，碱基的酮基和氨基可以形成酮-烯醇(keto-eol)互变异构体或氨基-亚氨基(amino-imino)互变异构体（图2-2），这为碱基之间以及碱基与其他化学功能团之间形成氢键提供了结构基础。

（二）核糖

核糖是构成核苷酸的另一个基本组分。为了有别于碱基的原子，核糖的碳原子标以 C-1'、C-2'、…、C-5'(图2-3)。脱氧核糖的化学稳定性优于核糖。
image.png

（三）核苷和核苷酸

核苷(nucleoside)是碱基与核糖的缩合反应的产物。核糖的C-1'原子和嘌呤的N-9原子或者嘧啶的N-1原子通过缩合反应形成了β-N-糖苷键(β-N-glycosidic bond)。在天然条件下，由于空间位阻效应，核糖和碱基处在反式构象(trans conformation)。同理，碱基与脱氧核糖的反应可以生成脱氧核苷(deoxynucleoside)(图2-4)。
image.png
核苷或脱氧核苷C-5'原子上的羟基可以与磷酸反应，脱水后形成一个磷酯键，生成核苷酸(ucle otide)或脱氧核苷酸(deoxynucleotide)。根据连接的磷酸基团的数目多少，核苷酸可分为核苷一磷酸(nucleoside 5'-monophosphate,NMP)、核苷二磷酸(nucleoside 5'-diphosphate,NDP)和核苷三磷酸(nucleoside 5'-triphosphate,NTP)。核苷三磷酸的磷原子分别命名为α、β和γ磷原子（图2-5）。
image.png
构成核酸的碱基、核苷（或脱氧核苷）以及核苷酸（或脱氧核苷酸）的中英文名称见表2-1和表2-2。表中核苷和核苷酸名称均采用缩写，如腺苷代表腺嘌呤核苷。
image.png

（四）核苷酸衍生物

在生物体内，核苷酸还会以其他衍生物的形式存在，并参与各种物质代谢的调控和蛋白质功能的调节。

首先，核苷酸是细胞内化学能的载体。核苷二磷酸和核苷三磷酸均属于高能有机磷酸化合物（酸酐键）。细胞活动所需的化学能主要来自核苷三磷酸，其中ATP是最重要的能量载体。

其次，核苷三磷酸ATP和GTP可以环化形成环腺苷酸(cyclic AMP,cAMP)和环鸟苷酸(cyclic GMP,cGMP)，它们都是细胞信号转导分子中的第二信使，具有调控基因表达的作用（图2-5）。

此外，细胞内一些参与物质代谢的酶分子的辅酶结构中都含有腺苷酸，如辅酶I（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)、辅酶Ⅱ（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADP+)、黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin adenine dinucleotide,FAD)及辅酶A(coenzyme A,CoA)等，它们是生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中发挥重要的作用。

最后，核苷酸及核苷酸组分的衍生物具有临床药用价值。6-巯基嘌呤(6-mercaptopurine,6-MP)、阿糖胞苷(cytosine arabinoside, araC)和5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)都是碱基的衍生物，可以通过干扰肿瘤细胞的核苷酸代谢、抑制核酸合成来发挥抗肿瘤作用。

二、多聚核苷酸

image.png

三、一级结构

核酸分子的大小常用核苷酸数目(nucleotide或nt,用于单链DNA和RNA)或碱基对数目(base pair,bp或kilobase pair,kb,用于双链DNA)来表示。
image.png
长度短于50个核苷酸的核酸的片段常被称为寡核苷酸(oligonucle- otide)。自然界中的DNA的长度可以高达几十万个碱基对。DNA携带的遗传信息完全依靠碱基排列顺序变化。