弄懂一节，就懂了整条链
在化学那一关里，你学过单体—聚合物原理：生命把小小的、大体相同的单元扣成链，从而搭起它的长分子。DNA 和 RNA 正是这个思路，而我们终于要在这里与它们那唯一的建筑模块面对面了。这个单元就是核苷酸，整个这一关的诀窍很简单——弄懂一节，你就懂了整条链，因为一条 DNA 链不过是成千上万乃至上百万个核苷酸首尾相接，就像自行车链条上的链节。
每个核苷酸都由恰好三个部分扣在一起。第一是含氮碱基——携带信息的“字母”（A、G、C、T 或 U）。第二是一个五碳糖，碱基就挂在它上面。第三是一个或多个磷酸基团，也就是你在“反应偶联”里见过的那种由磷和氧组成、带负电的小团块。碱基朝侧面伸出来拼出一段信息；糖和磷酸接起来形成链条。把这三个部分牢牢记住，分子其余的行为都能从中推得出来。
一字之差的陷阱：核苷与核苷酸
有两个词只差一个字母，几乎把每个人都绊倒，我们现在就把它们厘清。核苷就是碱基连着糖——三个部分里的两个，没有磷酸。核苷酸则是获得了一个或多个磷酸基团的核苷——三个部分齐全。区别就在那个磷酸，仅此而已。一个简单的记法：核苷“酸”里多了个“酸”字，磷“酸”也有这个字——带“酸”的那个，就是带磷酸的那个。
这不是咬文嚼字——细胞是真的在意。只有带着带电磷酸的核苷酸才能被连进链里，因为正是磷酸去和下一个糖成键。光秃秃的核苷无可成键。这也正是为什么有些抗病毒和抗癌药物是“核苷类似物”：假的碱基加糖，细胞误以为是真货、把它加到正在延长的链上，从而卡住复制机器。那一个磷酸，就是一个惰性的备用零件和一个能用的链节之间的差别。
四字母的字母表——以及它的两种尺寸
信息完全活在碱基里。含氮碱基是一种扁平、富含氮的环状分子（名字由此而来），重要的只有五种：腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）。DNA 用 A、G、C、T；RNA 把 T 换成 U，用 A、G、C、U。这就是全部的字母表——一个约三十亿个字母的人类基因组，通篇只是这四个字符反复出现，就像图书馆里每一本书都是用同样的二十六个字母写成的。
下面这个细节稍后会派上用场：这四个字母分两种尺寸。嘌呤——腺嘌呤和鸟嘌呤——由两个稠合环构成，是大的、双环的字母。嘧啶——胞嘧啶、胸腺嘧啶、尿嘧啶——由一个环构成，是小的字母。一个好记的口诀是“嘌呤是 A、G 一伙”——PURine 对应 Adenine 与 Guanine。这种尺寸差异并非冷知识：在下一篇你会看到，大嘌呤总是伸过去与小嘧啶配对（A 配 T、G 配 C），于是螺旋的每一级横档都一样宽。这正是本关后面讲双螺旋那篇能成立的原因。
不过得对这个简化说法坦诚一点。“四字母字母表”是标准的讲法，也大体公允——但细胞确实悄悄还用着几个别的字符。甲基化的胞嘧啶，以及 RNA 中许多经过化学修饰的碱基都很常见，并承载着真实含义。（这些碱基在化学上还略带碱性，这一点连同其中的氮，正是“含氮碱基”这个名字的由来。）真正的字母表带有化学脚注；其中一些我们会在后面的关卡里再谈。
那个糖：一个氧分出 DNA 与 RNA
碱基携带信息，但悄悄决定你手里是 DNA 还是 RNA 的，是那个糖。两者都用一种五碳环糖，区别只在一个氧原子。RNA 的糖是核糖，它在编号为 2' 的碳上带着一个羟基（一个 OH）。DNA 的糖是脱氧核糖——字面意思就是在那个 2' 位上“少了一个氧”的核糖。所以两种糖在结构上唯一的区别，就是 2' 碳上的一个 OH：核糖有，脱氧核糖没有。这就是藏在 DNA 与 RNA 名字里的那个 D 与 R 之别。
这一个缺失的氧解释了出奇多的事。多出的 2' OH 让核糖更活泼、远不如脱氧核糖稳定——RNA 能攻击自己的骨架并断裂——这部分解释了为什么 RNA 是短命的工作副本，而 DNA 是耐久的主档案。人们已经从数万年前的骨头里读出过古代 DNA；却没有人指望能用同样方式回收完整的古代 RNA。等我们讲到中心法则（DNA -> RNA -> 蛋白质）时，正是这种稳定性差异，让细胞把信息存放在结实的 DNA 里，再派出用完即弃的 RNA 副本去做日常工作。
- 从糖开始——一个五角的环，碳从 1' 编到 5'。
- 在 1' 碳上扣一个碱基。现在你有了一个核苷（碱基＋糖）。
- 在 5' 碳上挂一到三个磷酸。现在它是个核苷酸了——完工的链节。
- 要长出一条链，细胞就把新链节 5' 角上的磷酸接到上一节空着的 3' 角上——再重复，重复几千次。
同一种分子，也是细胞的燃料
下面这个联系，把这一篇接回到化学那一关。取核苷腺苷（腺嘌呤＋核糖），给它挂上三个磷酸，你就得到了ATP——正是我们谈“把一个不利反应偶联到一个有利反应”时认识的那个能量货币。ATP 并不是另外某种独立的能量化学品；它实实在在就是一个带着三个磷酸（而非一个）的 RNA 核苷酸。细胞的信息分子和它的动力供应，原来是用同一套零件做成的。
为什么是三个磷酸？这些磷酸各自带负电，把三个挤在一起就像压紧一根弹簧——它储存了能量。掰掉最外侧那个磷酸会释放这份能量（一个强烈为负的 delta G，也就是你早先认识的自由能变化），细胞便用它来驱动做功。这同时也解答了本关里的一个谜题：搭建一条链要耗能，所以细胞并不添加光秃秃的核苷酸——它添加的是核苷三磷酸（比如做 DNA 用的 dATP），让两个磷酸掰掉、为每一个新链节扣到位提供动力。信息与能量，一族分子身兼两职。
ASSEMBLE A LINK: base --on 1'--> sugar = NUCLEOSIDE (e.g. adenosine) nucleoside --on 5'--> phosphate = NUCLEOTIDE (AMP, 1 phosphate) add 2 more phosphates = ATP (still a nucleotide; the cell's fuel) CHAIN THEM (always 5' -> 3'): 5'-(P)-sugar-base ... 3'-OH + (P-P-P)-sugar-base-3' -> new bond joins 3' of the chain to 5'-phosphate of the next link -> 2 phosphates snap off, releasing energy