第一節(jié)　核酸的化學(xué)組成

一、核酸的元素組成

組成核酸的元素有C、H、O、N、P 5種，其中磷的含量在各種核酸中變化范圍不大，平均含磷量為9%～10%。因而，可通過測定生物樣品中磷的含量來計(jì)算樣品中核酸含量。

二、核酸的基本組成單位——核苷酸

核酸在核酸酶的作用下水解為核苷酸，因此核酸的基本組成單位是核苷酸。為區(qū)別多、寡核苷酸，故將核苷酸也稱為單核苷酸。核苷酸完全水解可釋放出等摩爾量的堿基、戊糖和磷酸。

知識鏈接

核苷酸的利用

調(diào)味料：鳥苷酸（GMP）、肌苷酸（IMP）等核苷酸屬于呈味性核苷酸，除了本身具有鮮味之外，在和左旋谷氨酸（味精）組合時(shí)，還有提高鮮味的作用，可作為調(diào)料、湯料的原料使用。

食品添加劑：母乳中含有尿苷酸（UMP）、胞苷酸（CMP）、腺苷酸（AMP）、鳥苷酸（GMP）、肌苷酸（IMP）等多種核苷酸，對提高嬰兒的免疫調(diào)節(jié)功能和記憶力發(fā)揮著作用。在歐美等國家生產(chǎn)的嬰兒奶粉均按照母乳中的含量添加微量核苷酸，也有添加RNA的例子。

藥物：核苷酸作為藥物，可抑制尿道發(fā)炎，在美國也有作為免疫調(diào)節(jié)劑給手術(shù)后的患者使用的例子。

（一）核苷酸的組成成分

1．堿基

核酸中的堿基主要有嘧啶堿（pyrimidine base）和嘌呤堿（purine base）兩種。

（1）嘧啶堿：嘧啶堿是含有兩個(gè)相間氮原子的六元雜環(huán)化合物。核酸中主要的嘧啶堿衍生物有三種：胞嘧啶（cytosine，C）、胸腺嘧啶（thymine，T）和尿嘧啶（uracil，U）。

（2）嘌呤堿：嘌呤堿由嘧啶環(huán)與咪唑環(huán)合并而成。核酸中的嘌呤堿主要有兩種，即腺嘌呤（adenine，A）和鳥嘌呤（guanine，G）。

（3）稀有堿基：核酸中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基（或修飾堿基）。常見的稀有嘧啶堿基有5－甲基胞嘧啶、5，6－二氫尿嘧啶等；常見的稀有嘌呤堿基有7－甲基鳥嘌呤、N6－甲基腺嘌呤等。

知識鏈接

20世紀(jì)90年代，人類基因工程啟動(dòng)，科學(xué)家每天人工測序5000對堿基。21世紀(jì)初期，自動(dòng)測序儀每天可以測序10萬對堿基，而現(xiàn)在，每天可以測序250億對堿基。但是，目前要分析人類所有的基因仍然需要至少幾周的時(shí)間。

韓國KAIST的研究人員讓一個(gè)DNA通過納米通道，每個(gè)堿基就會附著在石墨納米帶狀體上幾微秒。通過改變石墨導(dǎo)電性能的方式分離四種堿基——腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鳥嘌呤。這樣基因測序可以通過觀察導(dǎo)電性變化，更快更準(zhǔn)確地進(jìn)行。預(yù)計(jì)可以在1h內(nèi)分析30億對堿基，這對于基因組測序研究而言具有重要的意義。

這項(xiàng)研究對于基因和生物工程領(lǐng)域研究意義重大，而且還能夠?yàn)橐呻y雜癥的治療提供解決方案。這種方法還將推進(jìn)基于基因信息的醫(yī)療、基因突變、遺傳性疾病、個(gè)體和適應(yīng)性疾病的發(fā)展，甚至推進(jìn)人類進(jìn)化研究的進(jìn)程。

2．戊糖

核酸中所含的糖是核糖（D－ribose）和脫氧核糖（deoxy－D－ribose），均屬于戊糖。戊糖都是以β－D－呋喃糖的環(huán)狀形式存在。由于環(huán)狀糖中的第1位碳原子（C1′）是不對稱碳原子，所以有α－及β－兩種構(gòu)型。核酸中所含的戊糖均為β－型。核糖中的C2′—OH脫氧后形成脫氧核糖（2′－deoxy－D－ribose）。核糖上的碳原子序號上加“′”，是為了區(qū)別于堿基上的碳原子序號。

（二）核苷酸的分子結(jié)構(gòu)

1．核苷

由一個(gè)戊糖（核糖或脫氧核糖）和一個(gè)堿基（嘌呤堿或嘧啶堿）縮合而成。

戊糖第1位碳原子（C1′）上的羥基與嘌呤堿第9位氮原子（N9）或嘧啶堿第1位氮原子（N1）上的氫縮合脫水形成糖苷鍵。核糖與堿基通過糖苷鍵連成核糖核苷，脫氧核糖與堿基通過糖苷鍵連成脫氧核糖核苷。

2．核苷酸

核苷酸由磷酸與一分子核苷通過磷酸酯鍵連成。

核苷中戊糖的羥基與磷酸作用形成磷酸酯鍵，核苷與磷酸通過磷酸酯鍵連接成的化合物即為核苷酸。核苷酸分為核糖核苷酸（nucleoside monophosphate，NMP）和脫氧核糖核苷酸（deoxynucleoside monophosphate，dNMP），分別由核糖核苷和脫氧核糖核苷與磷酸作用形成。體內(nèi)通常由核糖核苷的戊糖C5′的自由羥基（—OH）與磷酸形成酯鍵，構(gòu)成5′－核苷酸。

構(gòu)成DNA和RNA的8種常見核苷酸的組成比較如表3－1所示。

表3－1　兩類核酸的主要堿基、核苷及核苷酸組成

三、體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物

1．多磷酸核苷酸

結(jié)合一個(gè)磷酸的核苷酸稱為核苷一磷酸（NMP），因此，游離的5′－腺苷酸（AMP）和5′－脫氧腺苷酸（dAMP）分別稱為腺苷一磷酸和脫氧腺苷一磷酸。結(jié)合兩個(gè)和三個(gè)磷酸的，則分別稱為核苷二磷酸（NDP）和脫氧核苷三磷酸（NTP），又統(tǒng)稱為多磷酸核苷酸，結(jié)構(gòu)如圖3－1所示。

圖3－1　AMP、ADP、ATP的結(jié)構(gòu)示意圖

核苷三磷酸（NTP和dNTP）是合成核酸（DNA和RNA）的直接原料。

2．體內(nèi)重要的核苷酸衍生物

（1）環(huán)化核苷酸：細(xì)胞中普遍存在兩種環(huán)化核苷酸：3′，5′－環(huán)腺苷酸（cAMP）和3′，5′－環(huán)鳥苷酸（cGMP），其結(jié)構(gòu)如下：

環(huán)化核苷酸不是核酸的組成成分，在細(xì)胞中含量很少，但有重要的生理功能?，F(xiàn)已證明，兩者均可作為激素的第二信使，在細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)中有重要作用。

（2）輔酶類核苷酸：一些核苷酸的衍生物是重要的輔酶（輔基），如輔酶NAD^＋（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，輔酶Ⅰ）、NADP^＋（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，輔酶Ⅱ）、FAD（黃素腺嘌呤二核苷酸）等。