「知乎知識庫」- 核酸

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概述

核酸，是一類由核苷酸構成的生物大分子，主要分為脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic acid，DNA）和核糖核酸（Ribonucleic acid，RNA）兩類。

除朊病毒外，核酸是構成生命所必需的生物大分子，它在生命系統中主要起到作為遺傳信息載體的作用，除此之外，還有部分核酸可作為及參與構成具有生物活性的酶分子或其他分子機器，主要是核酶（Ribozyme）和脫氧核酶（Deoxyribozyme）及其參與構成的複合體。

核酸的化學本質

核酸是核苷酸多聚體，核苷酸由磷酸基團、戊糖、鹼基構成，參與構成核酸的核苷酸有很多種，其主要的區分在於戊糖2的脫氧和鹼基的不同。帶有脫氧核糖的稱之為脫氧核糖核酸，DNA。

不同的鹼基主要分為嘌呤和嘧啶兩種，一般來說，戊糖的1號碳與嘌呤的9號氮連接，與嘧啶的1號碳連接，特殊情況比如φ核苷酸，其尿嘧啶的5號碳與戊糖的1號碳相連。

DNA的高級結構

DNA在細胞中的主要存在形式是形成染色體，在原核細胞擬核和細胞質中的DNA無組蛋白包被，在真核細胞核內的DNA有組蛋白包被形成染色體。

在通常狀況下，環裝的DNA會處於超螺旋狀態，這是因為環裝的線性分子內的張力無法得到釋放，因此會像電話線一樣發生超螺旋，如下圖所示：

在細胞中，B型DNA雙螺旋結構是最常見的DNA細微結構，此外在體外條件下DNA還有A型Z型等多種構象，以及三鏈DNA和四螺旋（G四聯體）等特殊構象。

值得一提的是，我們常見的DNA構象圖有兩種形態，一種看起來像是兩條線扭起來的，一種看起來像是兩條線纏在一根不存在的桿上（上圖中），其中前者是對雙螺旋結構的錯誤認知，在B型雙螺旋結構中，兩條核苷酸鏈是成36°夾角且偏向同側、反向平行的右手螺旋，並且在「纏繞」過程中，DNA雙螺旋還會交替產生大溝和小溝，這是由於鹼基之間形成的夾角小於180°因此鄰近磷酸基團間相互靠近形成的，磷酸骨架靠近的一側形成小溝，另一側為大溝。

鹼基堆積力是DNA雙螺旋結構保持穩定的主要原因，這種作用力是由相鄰鹼基對雜環電子云共享形成π-π鍵導致的，除此之外，疏水作用也是DNA雙螺旋保持穩定的原因。

除了雙螺旋結構外，DNA還有三鏈體、G-四聯體兩種高級結構。

RNA的高級結構

在細胞內，tRNA和rRNA都具有與其功能密切相關的高級結構，除了它們以外，很多核酶也有著各式各樣的高級結構。

核酸可作為分子機器（Molecular machine）在細胞中發揮作用。常見的核酸分子機器有：mRNA、tRNA、rRNA、RNAi、circRNA、snRNA、lncRNA、Small RNA、其他核酶和脫氧核酶等。

RNAi（RNA interference, RNA干擾）是指在進化過程中高度保守的、由雙鏈RNA誘發的、同源mRNA高效特異性降解的現象。使用RNAi技術可以特異性剔除或關閉特定基因的表達，該技術已被廣泛用於探索基因功能和傳染性疾病及惡性腫瘤的治療領域。

circRNA（Circular RNA，環形RNA分子）是一類不具有5 末端帽子和3 末端poly(A)尾巴，並以共價鍵形成環形結構的非編碼RNA分子。部分circRNA分子含miRNA應答元件(MRE)，可充當競爭性內源RNA(ceRNA)，與miRNA結合，在細胞中起到miRNA海綿的作用，進而解除miRNA對其靶基因的抑制作用，上調靶基因的表達水平。

IncRNA (Long non-coding RNA,長鏈非編碼RNA)是長度大於 200 個核苷酸的非編碼 RNA。lncRNA 在劑量補償效應、表觀遺傳調控、細胞周期調控和細胞分化調控等眾多生命活動（如干擾下游基因的表達;干擾mRNA的剪切；調節相應蛋白的活性；改變該蛋白質的細胞定位等）中發揮重要作用。

Small RNA分兩類:一類是snRNA，存在於細胞核中；另一類是scRNA，存在於細胞質中。snRNA是細胞內有小核RNA。它是真核生物轉錄後加工過程中RNA剪接體的主要成分，參與mRNA前體的加工過程。snRNA中的蛋白質部分具有核酸酶和連接酶活性，能把轉錄在內含子-外顯子接點處切斷，並把兩個遊離端連接起來。

scRNA（small cytoplasmic RNA，細胞質小RNA）主要位於細胞質內，種類較多，參與蛋白質的合成和運輸，其主要功能是識別信號肽, 並將核糖體引導到內質網。

參考資料

1. "What is DNA". What is DNA. Linda Clarks. Retrieved 6 August 2016.
2. Dahm, R (January 2008). "Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research". Human Genetics. 122 (6): 565–81. doi:10.1007/s00439-007-0433-0. ISSN 0340-6717. PMID 17901982.
3. 【孢子學院基礎知識專題】專題一：核酸化學與細胞中的核酸 V1

Wikipedia and Textbook：

https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleic_acid#Artificial_nucleic_acid

《生物化學（第四版）》朱聖庚 王鏡岩著