核酸的化学成分

• 核酸是由什么组成的？
• 核苷酸是怎么连接的？

核酸是由什么组成的？

　　核酸是生物体内的高分子化合物。它包括脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）两大类。DNA和RNA都是由一个一个核苷酸(nucleotide)头尾相连而形成的。RNA平均长度大约为2000个核苷酸，而人的DNA却是很长的，约有3X10⁹个核苷酸。

　　单个核苷酸是由含氮有机碱(称碱基)、戊糖和磷酸三部分构成的。

　　碱基(base)：构成核苷酸的碱基分为嘌呤（purine)和嘧啶 >（pyrimi-dine)二类。前者主要指腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine,G），DNA和RNA中均含有这二种碱基。后者主要指胞嘧啶（cytosine,C）胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil,U），胞嘧啶存在于DNA和RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，尿嘧啶则只存在于RNA中。这五种碱基的结构如图。

　　嘌呤环上的N-9或嘧啶环上的N-1是构成核苷酸时与核糖（或脱氧核糖）形成糖苷键的位置。

　　此外，核酸分子中还发现数十种修饰碱基（themodifiedcomponent),又称稀有碱基，(unusualcomponent)。它是指上述五种碱基环上的某一位置被一些化学基团（如甲基化、甲硫基化等）修饰后的衍生物。一般这些碱基在核酸中的含量稀少，在各种类型核酸中的分布也不均一。如DNA中的修饰碱基主要见于噬菌体DNA，RNA中以tRNA含修饰碱基最多。

　　戊糖:RNA中的戊糖是D－核糖，DNA中的戊糖是D－2－脱氧核糖。D－核糖的Ｃ－2所连的羟基脱去氧就是D－2脱氧核糖。二者的结构式如图。

　　戊糖Ｃ－1所连的羟基是与碱基形成糖苷键的基团，糖苷键的连接都是β－构型。

　　核苷（nucleoside)：由D－核糖或D－2脱氧核糖与嘌呤或嘧啶通过糖苷键连接组成的化合物。核酸中的主要核苷有八种。下图是腺苷的结构式。

　　核苷酸(nucleotide)：核苷酸与磷酸残基构成的化合物，即核苷的磷酸酯。核苷酸是核酸分子的结构单元。核酸分子中的磷酸酯键是在戊糖C-3’和C-5’所连的羟基上形成的，故构成核酸的核苷酸可视为3’－核苷酸或5’－核苷酸。DNA分子中是含有A,G,C,T四种碱基的脱氧核苷酸；RNA分子中则是含A,G,C,U四种碱基的核苷酸。下面是5’－磷酸腺苷的结构式。

　　当然核酸分子中的核苷酸都以形式存在，但在细胞内有多种游离的核苷酸，其中包括一磷酸核苷、二磷核苷和三磷酸核苷。

　　核苷酸分子中的主要化学成分小结于下表。

核苷酸是怎么连接的？

　　3’，5’－磷酸二酯键：核酸是由众多核苷酸聚合而成的多聚核苷酸（polynucleotide），相邻二个核苷酸之间的连接键即：3’，5’－磷酸二酯键。这种连接可理解为核苷酸糖基上的3＇位羟基与相邻5＇核苷酸的磷酸残基之间，以及核苷酸糖基上的5＇位羟基与相邻3＇核苷酸的磷酸残基之间形成的两个酯键。多个核苷酸残基以这种方式连接而成的链式分子就是核酸。无论是DNA还是ＲＮＡ，其基本结构都是如此，故又称DNA链或RNA链。DNA链的结构如下示意图。

　　寡核苷酸（oligonucleotide)：这是与核酸有关的文献中经常出现的一个术语，一般是指二至十个核苷酸残基以磷酸二酯键连接而成的线性多核苷酸片段。但在使用这一术语时，对核苷酸残基的数目并无严格规定，在不少文献中，把含有三十甚至更多个核苷酸残基的多核苷酸分子也称作寡核苷酸。寡核苷酸目前已可由仪器自动合成，它可作为DNA合成的引物（primer)、基因探针（probe)等，在现代分子生物学研究中具有广泛的用途。

　　核酸链的简写式：核酸分子的简写式是为了更简单明了的叙述高度复杂的核酸分子而使用的一些简单表示式。它所要表示的主要内容是核酸链中的核苷酸（或碱基）。下面介绍二种常用的简写式。

　　字符式：书写一条多核苷酸链时，用英文大写字母缩写符号代表碱基（DNA和RNA中所含主要碱基及缩写符号见表１－１），用小写英文字母P代表磷酸残基。核酸分子中的糖基、糖苷键和酯键等均省略不写，将碱基和磷酸相间排列即可。因省略了糖基，故不再注解“脱氧”与否，凡简写式中出现Ｔ就视为DNA链，出现Ｕ则视为RNA链。以5＇和3＇表示链的末端及方向，分别置于简写式的左右二端。下面是分别代表DNA链和RNA链片段的二个简写式：

5＇pＡpＣpＴpＴpＧpＡpＡpＣpＧ3＇DNA
5＇pＡpＣpＵpＵpＧpＡpＡpＣpＧ3＇RNA

此式可进一步简化为：

5＇pＡＣＴＴＧＡＡＣＧ3＇
5＇pＡＣＵＵＧＡＡＣＧ3＇

　　上述简写式的5＇－末端均含有一个磷酸残基（与糖基的Ｃ－5＇位上的羟基相连）,3＇－末端含有一个自由羟基（与糖基的Ｃ－3＇位相连）,若5＇端不写Ｐ，则表示5＇－末端为自由羟基。双链DNA分子的简写式多采用省略了磷酸残基的写法，在上述简式的基础上再增加一条互补链（complentarystrand)即可，链间的配对碱基用短纵线相连或省略，错配（mismatch)碱基对错行书写在互补链的上下两边，如下所示：

5＇ＧＧＡＡＴＣＴＣＡＴ3＇
3＇ＣＣＴＴＡＧＡＧＴＡ5＇

 5＇ＧＧＡＡＴＣ错配）

　　 线条式：在字符书写基础上，以垂线（位于碱基之下）和斜线（位于垂线与Ｐ之间）分别表示糖基和磷酸酯键。如下图所示

　　上式中，斜线与垂线部的交点为糖基的Ｃ－3＇位，斜线与垂线下端的交点为糖基的Ｃ－5＇位。这一书写式也可用于表示短链片段。不难看出，简写式表示的中心含义就是核酸分子的一级结构，即核酸分子中的核苷酸（或碱基）排列顺序。