生命科學方法與概念/核酸的結構與功能
肺
核酸是所有已知生命形式所必需的大型生物分子。核酸包括 **脫氧核糖核酸 (DNA)** 和 **核糖核酸 (RNA)**，由稱為核苷酸的單體組成。每個核苷酸包含三個組分：一個五碳糖、一個磷酸基團和一個含氮鹼基。如果糖是脫氧核糖，聚合物就是 DNA。如果糖是核糖，聚合物就是 RNA。
與蛋白質一起，核酸是最重要的生物大分子；它們在所有生物體中大量存在，在編碼、傳遞和表達遺傳資訊方面發揮作用——換句話說，資訊透過核酸序列傳遞，或者說 DNA 或 RNA 分子中核苷酸的順序。以特定序列連線在一起的核苷酸鏈是透過蛋白質合成儲存和傳遞遺傳資訊的機制。
**脫氧核糖核酸 (DNA)** 包含所有已知生物體 (除 RNA 病毒外) 發育和功能中使用的遺傳指令。攜帶這種遺傳資訊的 DNA 片段稱為基因。同樣，其他 DNA 序列具有結構目的，或參與調節這種遺傳資訊的利用。
DNA 是一種由稱為核苷酸的重複單元組成的長聚合物。DNA 最初由弗里德里希·米歇爾發現並分離，而 DNA 的雙螺旋結構是由詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克發現的，他們利用了羅莎琳·富蘭克林和莫里斯·威爾金斯收集的實驗資料。所有物種的 DNA 結構都包含兩條螺旋鏈，每條鏈都繞著同一個軸線盤旋，每條鏈的螺距為 34 埃 (3.4 奈米)，半徑為 10 埃 (1.0 奈米)。
在活生物體中，DNA 通常並不以單個分子存在，而是以一對形成雙螺旋結構的分子存在。核苷酸重複包含分子主鏈的片段（將鏈連線在一起），以及核鹼基（與螺旋結構中另一條 DNA 鏈相互作用）。與糖連線的核鹼基稱為核苷，而與糖和一個或多個磷酸基團連線的鹼基稱為核苷酸。包含多個連線的核苷酸的聚合物（如 DNA 中的聚合物）稱為多核苷酸。
DNA 鏈的主鏈由交替的磷酸基團和糖殘基組成。DNA 中的糖是 2-脫氧核糖，它是一種戊糖（五碳）糖。糖透過磷酸基團連線在一起，在相鄰糖環的第三和第五個碳原子之間形成磷酸二酯鍵。這些不對稱鍵意味著 DNA 鏈具有方向性。在雙螺旋結構中，一條鏈中核苷酸的方向與另一條鏈中核苷酸的方向相反：鏈是 *反平行的*。DNA 鏈的不對稱末端分別稱為 5'（*五號碳*）末端和 3'（*三號碳*）末端，5' 末端具有末端磷酸基團，而 3' 末端具有末端羥基。DNA 和 RNA 之間的主要區別之一是糖，DNA 中的 2-脫氧核糖被 RNA 中的另一種戊糖核糖替代。
DNA 雙螺旋結構主要由兩種力穩定：核苷酸之間的氫鍵和芳香族核鹼基之間的鹼基堆積相互作用。在細胞的水性環境中，核苷酸鹼基的共軛 π 鍵垂直於 DNA 分子的軸線排列，從而最大程度地減少它們與溶劑化層的相互作用，因此也最大程度地減少吉布斯自由能。DNA 中發現的四種鹼基是腺嘌呤（縮寫為 A）、胞嘧啶（縮寫為 C）、鳥嘌呤（縮寫為 G）和胸腺嘧啶（縮寫為 T）。這四種鹼基連線到糖/磷酸上，形成完整的核苷酸。
核鹼基分為兩種型別：嘌呤，A 和 G，是融合的五元和六元雜環化合物；嘧啶，六元環 C 和 T。第五種嘧啶核鹼基，尿嘧啶 (U)，通常在 RNA 中代替胸腺嘧啶，與胸腺嘧啶的不同之處在於其環上缺少一個甲基。除了 RNA 和 DNA 之外，還建立了大量人工核酸類似物，用於研究核酸的性質，或用於生物技術。
雙螺旋鍊形成 DNA 主鏈。另一個雙螺旋結構可能沿著鏈之間的間隙或溝槽追蹤。這些空隙位於鹼基對旁邊，可能提供一個結合位點。由於鏈不是對稱地彼此定位，因此溝槽的大小不均勻。一個溝槽，主要溝槽，寬 22 埃，另一個溝槽，次要溝槽，寬 12 埃。主要溝槽的寬度意味著鹼基邊緣在主要溝槽中比在次要溝槽中更容易接近。因此，如轉錄因子等可以與雙鏈 DNA 中特定序列結合的蛋白質通常與主要溝槽中暴露的鹼基側面接觸。這種情況在細胞內 DNA 的異常構象中有所不同（*參見下文*），但主要溝槽和次要溝槽始終命名以反映如果 DNA 扭曲回到普通 B 形狀會看到的尺寸差異。
在 DNA 雙螺旋結構中，一條鏈上的每種型別的核鹼基都與另一條鏈上的僅一種型別的核鹼基結合。這稱為互補鹼基配對。這裡，嘌呤形成氫鍵與嘧啶結合，腺嘌呤僅與胸腺嘧啶形成兩個氫鍵，胞嘧啶僅與鳥嘌呤形成三個氫鍵。這種跨越雙螺旋結構的兩個核苷酸結合的排列稱為鹼基對。由於氫鍵不是共價鍵，因此它們可以相對容易地斷裂和重新連線。因此，雙螺旋結構中的兩條 DNA 鏈可以像拉鍊一樣被拉開，無論是透過機械力還是高溫。由於這種互補性，DNA 雙螺旋結構中所有資訊都複製在每條鏈上，這對於 DNA 複製至關重要。事實上，這種互補鹼基對之間可逆且特異的相互作用對於生物體中 DNA 的所有功能至關重要。
由於鳥嘌呤和胞嘧啶形成三個氫鍵而不是兩個，因此具有高 GC 含量（胞嘧啶和鳥嘌呤含量）的 DNA 比具有低 GC 含量的 DNA 更穩定。
如上所述，大多數 DNA 分子實際上是兩條聚合物鏈，以螺旋狀方式透過非共價鍵結合在一起；這種雙鏈結構（**dsDNA**）主要由鏈內鹼基堆積相互作用維持，對於 G、C 堆積來說，這種相互作用最強。兩條鏈可以分開 - 這一過程稱為融化 - 形成兩個單鏈 DNA 分子 (**ssDNA**）分子。融化發生在高溫、低鹽和高 pH 下（低 pH 也會融化 DNA，但由於 DNA 由於酸性脫嘌呤而變得不穩定，因此很少使用低 pH）。
dsDNA 形式的穩定性不僅取決於 GC 含量，還取決於序列（因為堆積是序列特異性的），以及長度（較長的分子更穩定）。穩定性可以用多種方法測量；一種常見的方法是“融化溫度”，即 50% 的 ds 分子轉化為 ss 分子的溫度；融化溫度取決於離子強度和 DNA 濃度。因此，DNA 雙螺旋結構的 GC 鹼基對百分比和總長度決定了 DNA 兩條鏈之間締合的強度。具有高 GC 含量長 DNA 螺旋結構具有更強的相互作用鏈，而具有高 AT 含量短螺旋結構具有較弱的相互作用鏈。在生物學中，需要容易分離的 DNA 雙螺旋結構部分，例如某些啟動子中的 TATAAT Pribnow 盒，往往具有高 AT 含量，這使得鏈更容易拉開。
在實驗室中，這種相互作用的強度可以透過找到打破氫鍵所需的溫度來測量，即它們的融化溫度（也稱為 *Tm* 值）。當 DNA 雙螺旋結構中的所有鹼基對融化時，鏈會分離，以兩個完全獨立的分子形式存在於溶液中。這些單鏈 DNA 分子（*ssDNA*）沒有單一的共同形狀，但某些構象比其他構象更穩定。
如果 DNA 序列與其被翻譯成蛋白質的信使 RNA 複製序列相同，則稱為“正義”序列。相反鏈上的序列稱為“反義”序列。正義和反義序列都可以在同一 DNA 鏈的不同部分存在（即，兩條鏈都可以包含正義和反義序列）。在原核生物和真核生物中，都會產生反義 RNA 序列，但這些 RNA 的功能尚不清楚。一種說法是，反義 RNA 透過 RNA-RNA 鹼基配對參與調節基因表達。
在原核生物和真核生物中，有一些 DNA 序列，而在質粒和病毒中更多，透過具有重疊基因來模糊正義和反義鏈之間的界限。在這些情況下，某些 DNA 序列可以兼任兩種功能，在沿一條鏈讀取時編碼一種蛋白質，而在沿另一鏈相反方向讀取時編碼第二種蛋白質。在細菌中，這種重疊可能參與基因轉錄的調控，而在病毒中，重疊基因增加了可以在小型病毒基因組中編碼的資訊量。
DNA 可以像繩子一樣被扭曲，這個過程被稱為 DNA 超螺旋。在 DNA 的“鬆弛”狀態下，一條鏈通常每 10.4 個鹼基對繞雙螺旋軸旋轉一次，但如果 DNA 被扭曲，鏈就會變得更加緊密或鬆散地纏繞。如果 DNA 沿螺旋方向扭曲，這稱為正超螺旋，鹼基被更緊密地結合在一起。如果它們沿相反方向扭曲，這稱為負超螺旋，鹼基更容易分開。在自然界中，大多數 DNA 具有輕微的負超螺旋，這是由稱為拓撲異構酶的酶引入的。這些酶對於在轉錄和 DNA 複製等過程中引入 DNA 鏈的扭曲應力也是必需的。
DNA 存在於許多可能的構象中，包括 A 型 DNA、B 型 DNA 和 Z 型 DNA，儘管只有 B 型 DNA 和 Z 型 DNA 在功能性生物體中被直接觀察到。DNA 採用的構象取決於水合水平、DNA 序列、超螺旋的量和方向、鹼基的化學修飾、金屬離子的型別和濃度，以及溶液中是否存在多胺。
雖然“B 型 DNA 形式”在細胞中發現的條件下是最常見的，但它不是一個明確定義的構象，而是一系列相關的 DNA 構象，它們發生在活細胞中存在的高水合水平下。
與 B 型 DNA 相比，A 型 DNA 形式是更寬的右手螺旋，具有淺而寬的小溝和更窄、更深的大溝。A 型形式在非生理條件下發生在部分脫水的 DNA 樣品中，而在細胞中，它可能在 DNA 和 RNA 鏈的雜交配對中產生，以及在酶-DNA 複合物中產生。鹼基被甲基化等化學修飾的 DNA 片段可能會發生更大的構象變化，並採用 Z 型形式。在這裡，鏈繞螺旋軸以左手螺旋的形式旋轉，與更常見的 B 型形式相反。這些不尋常的結構可以被特定的 Z 型 DNA 結合蛋白識別，並且可能參與轉錄的調控。
核糖核酸在將遺傳資訊從基因轉換為蛋白質的氨基酸序列中起作用。三種普遍存在的 RNA 型別包括轉移 RNA (tRNA)、信使 RNA (mRNA) 和核糖體 RNA (rRNA)。信使 RNA 充當在 DNA 和核糖體之間傳遞遺傳序列資訊的載體，指導蛋白質合成。核糖體 RNA 是核糖體的主要成分，並催化肽鍵的形成。轉移 RNA 充當用於蛋白質合成的氨基酸的載體分子，並負責解碼 mRNA。此外，現在已知許多其他類別的 RNA。
RNA 的化學結構與 DNA 非常相似，但在三個主要方面有所不同
- 與雙鏈 DNA 不同，RNA 在其許多生物學作用中是單鏈分子，並且具有更短的核苷酸鏈。然而，RNA 可以透過互補鹼基配對形成鏈內雙螺旋，就像在 tRNA 中一樣。
- 雖然 DNA 包含脫氧核糖，但 RNA 包含核糖（在脫氧核糖中，在 2' 位置的戊糖環上沒有連線羥基）。這些羥基使 RNA 比 DNA 穩定性更低，因為它更容易發生水解。
- 腺嘌呤的互補鹼基不是胸腺嘧啶，就像在 DNA 中一樣，而是尿嘧啶，它是胸腺嘧啶的未甲基化形式。
與 DNA 一樣，大多數生物活性 RNA，包括 mRNA、tRNA、rRNA、snRNA 和其他非編碼 RNA，都包含自互補序列，這些序列允許 RNA 的部分摺疊並與自身配對形成雙螺旋。對這些 RNA 的分析表明，它們具有高度結構性。與 DNA 不同，它們的結構不包含長雙螺旋，而是由短螺旋集合包裝在一起形成類似於蛋白質的結構。透過這種方式，RNA 可以實現化學催化，就像酶一樣。例如，對核糖體結構的測定表明，其活性位點完全由 RNA 組成。