任务一 核酸的化学组成
核酸的基本化学元素有C、H、O、N和P五种元素，其中P的含量比较恒定，约占到核酸含量的9％～10％，以磷酸分子的形式作为基本成分存在于核酸分子中，可通过定磷法进行核酸含量的测定，测定样品中磷的含量即可计算出核酸含量。核酸其余两种成分为戊糖和含氮碱基，戊糖分为脱氧戊糖和戊糖两类，分别为DNA和RNA的组成成分。含氮碱基为嘌呤和嘧啶，嘌呤有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）两种，嘧啶有胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）三种。
在生物体内，核酸常与蛋白质形成核蛋白形式存在，食物中的核蛋白在胃内经胃酸水解成核苷酸和蛋白质。核苷酸及其代谢产物可被机体吸收利用，戊糖和磷酸可参与核苷酸的生物合成，而嘌呤和嘧啶碱基则由相应的代谢途径降解后排出体外，较少被机体利用。实际上，人体核酸合成的原料主要来自于葡萄糖、氨基酸代谢产物，由生物体内的细胞自身合成。
一、戊糖
核酸中所含的糖为五碳糖，即戊糖。RNA所含的糖为β-D-核糖，DNA所含的糖为β-D-2-脱氧核糖，均为呋喃型结构，其结构见图4-2。脱氧核糖和核糖的区别在于脱氧核糖的第2’位没有连接羟基。因此，DNA分子相对更稳定，成为遗传物质的基础。
图4-2 β-D-核糖和β-D-2-脱氧核糖化学结构式
二、碱基
碱基也称含氮碱基，有嘌呤碱（purine）和嘧啶碱（pyrimidine）两类。常见的嘌呤碱基有腺嘌呤（adenine，A）和鸟嘌呤（guanine，G）两类。常见嘧啶碱基有尿嘧啶（uracil，U）、胞嘧啶（cytosine，C）和胸腺嘧啶（thymine，T）三类。DNA分子中含有的碱基有ATGC，而RNA含有的碱基有AUGC。在tRNA分子中，还存在稀有碱基（minor bases）或经化学修饰的碱基，如次黄嘌呤、7-甲基鸟嘌呤、5-甲基胞嘧啶和二氢尿嘧啶等。
1.嘌呤碱
嘌呤碱主要有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）两种，次黄嘌呤（hypoxanthine）与黄嘌呤（xanthine）是腺嘌呤的代谢产物。常见嘌呤碱及腺嘌呤代谢产物的化学结构见图4-3。
图4-3 常见嘌呤碱及腺嘌呤代谢产物的化学结构
2.嘧啶碱
嘧啶碱主要有胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）及胸腺嘧啶（T）三种。DNA含胸腺嘧啶（T），不含尿嘧啶（U）。在高等植物、胸腺和小胚DNA中含少量5-甲基胞嘧啶。在大肠杆菌（E.coli）和噬菌体DNA中发现有5-羟甲基胞嘧啶代替胞嘧啶的现象。几种细菌DNA中含少量6-甲氨基嘌呤，这些稀有碱基衍生物称为稀有碱基或修饰碱基，修饰方式主要有甲基化。常见嘧啶碱的化学结构见图4-4。
图4-4 常见嘧啶碱化学结构
RNA和DNA在组分上有一定的区别，主要体现在组成的核糖和碱基上，其区别见表4-1。
表4-1 RNA和DNA组分区别
三、核苷
核苷由戊糖与碱基脱水缩合形成。由含氮碱基与戊糖通过糖苷键形成的化合物称为核苷。戊糖的C1与嘧啶碱基N1或嘌呤碱基N9之间形成N-糖苷键。核苷分为脱氧核糖核苷和核糖核苷两类。如尿嘧啶为核糖核苷、腺嘌呤脱氧核苷为脱氧核糖核苷，其化学结构见图4-5。其他的核苷如胸苷、鸟苷、胞苷结构基本类似，但碱基不同。为了区别核糖核苷和脱氧核糖核苷，常在脱氧核糖核苷前面加入“d”以示区别，如dA、dT、dG和dC。
图4-5 脱氧腺苷和尿苷化学结构
四、核苷酸及其衍生物
（一）核苷酸
核苷酸是构成核酸的基本结构单元，是核苷的磷酸酯，由嘌呤碱或嘧啶碱、核糖或脱氧核糖和磷酸共同组成。含核糖的核苷酸称为核（糖核）苷酸，含脱氧核糖的核苷酸称为脱氧核（糖核）苷酸。RNA和DNA的基本核苷酸见表4-2。
表4-2 DNA和RNA基本核苷酸类别
5'-腺嘌呤核苷酸和5'-腺嘌呤脱氧核苷酸的结构见图4-6。
图4-6 5'-腺嘌呤核苷酸和5'-腺嘌呤脱氧核苷酸结构
（二）生物体内重要的核苷酸衍生物
在生物体内除普通的核苷酸外，还存在一些游离的核苷酸，它们有重要的生理功能，如多磷酸核苷酸、环核苷酸和辅酶类核苷酸等。
1.多磷酸核苷酸
多磷酸核苷酸是指核苷酸分子结构中含有多个磷酸基团的核苷酸，主要是指NDP、NTP（N为可变碱基，包括AGCU）和dNDP（N为可变碱基，包括AGCT）及dNTP等。在生物体内存在磷酸型高能化合物和非磷酸型高能化合物，如NDP、NTP、dNDP、dNTP、磷酸烯醇式丙酮酸、1，3-二磷酸甘油酸、乙酰CoA、琥珀酰CoA、脂肪酰CoA等。其中，以ATP最为重要。ATP是生物体内能量的直接利用来源，在耗能代谢中发挥重要作用。此外，CTP、GTP和UTP等也可以提供能量。CTP还参与磷脂的生物合成，GTP还参与蛋白质的生物合成，UTP还参与糖的生物合成，它们可激活代谢物并生成活泼的物质，如S-腺苷蛋氨酸（SAM）、尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）等。AMP、ADP和ATP化学结构见图4-7。
图4-7 AMP、ADP和ATP化学结构
常用的核苷酸及其简化符号见表4-3。
表4-3 常用的核苷酸及简化符号
2.环化核苷酸
在生物体内，重要的环化核苷酸有3'，5'-环核苷酸，由5'-核苷酸的磷酸基与戊糖上的3'-OH缩合形成，如3'，5'-环化腺苷酸（cAMP）和3'，5'-环化鸟苷酸（cGMP）。这两个环化核苷酸是某些激素产生作用的媒介物质，参与细胞代谢的调节，它们在组织细胞中起着传递信息的作用，称为“第二信使”。其化学结构见图4-8。
图4-8 3'，5'-环化腺苷酸和3'，5'-环化鸟苷酸化学结构
3.辅酶类核苷酸
在生物体内，有一些辅酶也是核苷酸衍生物，如辅酶Ⅰ（NAD+）和辅酶Ⅱ（NADP+）均为腺嘌呤与尼克酰胺生成的化合物。黄素单核苷酸（FMN）是异咯嗪、核醇和磷酸缩合生成的化合物。黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）由黄素单核苷酸与腺嘌呤核苷酸组成。辅酶A（CoA-SH）由腺嘌呤、氨基乙硫醇和叶酸组成。这些辅酶类核苷酸在生物氧化过程中起了重要作用，是糖、蛋白质和脂肪代谢途径中的重要物质。