3.5　核酸

核酸是由核苷酸缩合形成的另一类重要的生物大分子。每个核苷酸单体由磷酸、碱基和脱氧核糖或核糖组成。碱基由嘌呤和嘧啶构成，脱氧核糖核酸（DNA）中含有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四个碱基和脱氧核糖，而核糖核酸（RNA）中包含腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和尿嘧啶（U）四个碱基和核糖。所有这些基团都是极性的，可以和水形成氢键，共同提高核酸大分子在水中的溶解性。脱氧核糖和核糖作为手性基团，决定了DNA和RNA的手性及双螺旋结构的手性。

DNA形成G·C和A·T两个碱基对，RNA形成G·C和A·U两个碱基对。DNA一般以双螺旋结构存在，双螺旋结构是一类典型的生物自组装结构。由于G·C碱基对有三个氢键，而A·T碱基对只有两个，G·C碱基对的稳定性高于A·T碱基对，G·C含量高的核酸稳定性也较高。除了碱基对间的氢键，碱基对的堆积对于双螺旋结构的形成也起到决定性的作用。这种堆积一方面增加了碱基对的共平面性，有利于氢键的形成，更重要的是，堆积使得水分子不能从氢键对的上下两个方向接近，也稳定了氢键。

由于嘌呤和嘧啶碱都是杂环，嘌呤可以从Watson-Crick、Hoogsteen及糖三个侧面形成氢键，而嘧啶也可以从前两个侧面形成氢键（图3-5）。从Watson-Crick侧面形成的上述氢键是核酸碱基标准的氢键模式。但每个碱基都存在不同的形成氢键的受体（N原子）和供体（NH）位点，受体N原子在质子化后也可以转化为供体。因此，除了上述氢键碱基对外，这些碱基还可以形成其它形式的氢键，如G·C（反）、A·U（Hoogsteen）、A·U（反Hoogsteen）、A·U（反Watson-Crick）、G·U（摇摆）、G·U（反摇摆）、i-模体和A-模体等^［4］。i-模体为胞嘧啶在酸性介质中质子化后与另一个胞嘧啶形成的三氢键碱基对，由其构成的两个双股结构可以形成互穿的四股结构^［5］。RNA形成这类非标准碱基对的概率远高于DNA。这些配对模式也可以同时发生，形成三联碱基。例如，胸腺嘧啶和腺嘌呤形成T×A·T三联碱基，质子化的胞嘧啶可以和鸟嘌呤形成C⁺×G·C三联碱基等。这些非Watson-Crick碱基对提供了更多的多碱基相互作用选择性，是多股DNA重要的结合模体^［4，6］。

在形成一个碱基对后，碱基的其它部位的氢键供体和受体还可以进一步被利用。比如可以与蛋白质氨基酸的侧链或核苷酸链中的磷酸二酯O原子等相互作用，这对于核酸与蛋白间的相互作用及维持RNA分子的三级结构等非常重要。

在正离子比如K⁺的存在下，鸟嘌呤可以通过Hoogsteen氢键形成平面的G-四聚体（tetrad），金属离子与羰基O之间的静电作用稳定了这一氢键组装体。如果一个核酸序列含有连续的鸟嘌呤碱基，它们可以形成四聚体的四重复合物（G-quadruplex）。