核酸含有五种元素:C、H、O、N和P。其中P的含量比较稳定,通过测定P的含量来推算核酸的含量。RNA的平均含磷量为9.4%,DNA的平均含磷量为9.9%。
核苷酸是核酸的基本组成单位或构件分子。DNA和RNA都是由一个一个核苷酸头尾相连而形成的。RNA平均长度大约为2000个核苷酸,而人类单倍基因组序列含有3.2×10 9 个碱基对(base pairs,bp),即同等数量的核苷酸对。核酸彻底水解后的产物为戊糖、碱基和磷酸(图3-1)。
图3-1 核酸水解及水解产物示意图
组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为 β -D-2-脱氧核糖;RNA所含的糖则为 β -D-核糖。
核酸中的碱基分为两类:嘌呤碱和嘧啶碱。核酸中常见的嘌呤碱有两类:腺嘌呤及鸟嘌呤。嘌呤是由嘧啶环和咪唑环并合而成的。常见的嘧啶碱有三种:胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶。除上述五类基本碱基外,核酸中还有一些含量甚少的碱基,称为稀有碱基,稀有碱基种类极多,大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基。
核苷是由戊糖或脱氧戊糖上半缩醛羟基和嘌呤碱基或嘧啶碱基脱水缩合而成并以NC糖苷键相连而成的化合物。核苷分为核糖核苷和脱氧核苷两大类。RNA中含有腺苷(A),鸟苷(G),胞苷(C),尿苷(U)。DNA中含有脱氧腺苷(dA),脱氧鸟苷(dG),脱氧胞苷(dC),脱氧胸苷(dT)。
核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化,形成核苷酸。核糖上有3个自由羟基,可以酯化分别生成2′,3′,5′-核苷酸。脱氧核糖上只有2个自由羟基,可以酯化分别生成3′,5′-核苷酸。生物体中游离的核苷酸大多数都是5′-核苷酸。RNA中含有腺苷酸(AMP)、鸟苷酸(GMP)、胞苷酸(CMP)、尿苷酸(UMP);DNA中含有脱氧腺苷酸(dAMP)、脱氧鸟苷酸(dGMP)、脱氧胞苷酸(dCMP)和脱氧胸苷酸(dTMP)。
含有两个或两个以上磷酸基团的核苷酸,称为多磷酸核苷酸。5′-核苷酸的磷酸基还可进一步磷酸化生成二磷酸核苷(NDP)及三磷酸核苷(NTP),其中磷酸之间是以高能键相连。其中ATP是人体中最常见的可以直接利用的能量物质。
体内重要的环化核苷酸有3′,5′-环化腺苷酸(cAMP)和3′,5′-环化鸟苷酸(cGMP)(图3-2),它们不是核酸的组成成分,而是重要的调节物质。cAMP和cGMP分别具有放大或缩小某些信号分子(如激素)的作用,因此,被称为激素的第二信使。
含有核苷酸的辅酶主要有辅酶Ⅰ(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸,NAD + )、辅酶Ⅱ(尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,NADP + )、黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)及辅酶A(CoA)。NAD + 及FAD是生物氧化体系的重要组成成分,在传递氢原子或电子中有重要作用。CoA作为有些酶的辅酶成分,参与糖有氧氧化及脂肪酸氧化作用。
图3-2 cGMP和cAMP结构示意图