3.8: 核酸

核酸是维持生命延续的最重要大分子。它们携带着细胞的遗传蓝图，并携带着细胞功能的指令。

DNA 和 RNA

的两种主要类型是脱氧核糖核酸 （DNA） 和核糖核酸 （RNA）。DNA 是所有生物体的遗传物质，从单细胞细菌到多细胞哺乳动物。它位于真核生物的细胞核以及细胞器、叶绿体和线粒体中。在原核生物中，DNA 没有被包裹在膜包膜中。

细胞的整个遗传内容就是它的基因组，而基因组的研究就是基因组学。在真核细胞中而不是在原核生物中，DNA 与组蛋白形成复合物，形成染色质，这是真核染色体的物质。一条染色体可以包含数以万计的基因。许多基因包含制造蛋白质的信息。其他基因编码 RNA 产物。DNA 通过”打开”或”关闭”基因来控制所有细胞活动。

另一种类型的核酸 RNA 主要参与蛋白质合成。DNA 分子永远不会离开细胞核，而是使用中介与细胞的其他部分进行交流。这个中介是信使 RNA （mRNA）。其他类型的 RNA（如 rRNA、tRNA 和 microRNA）参与蛋白质合成及其调节。

DNA 和 RNA 由称为核苷酸的单体组成。每个核苷酸由三个组分组成:含氮碱基、戊糖（五碳）糖和磷酸基团。核苷酸中的每个含氮碱基都连接到一个糖分子上，该糖分子连接到一个或多个磷酸基团。含氮碱基是核苷酸的重要组成部分，是有机分子，之所以如此命名，是因为它们含有碳和氮。它们是碱，因为它们包含一个氨基，该氨基有可能结合额外的氢，从而降低其环境中的氢离子浓度，使其更碱性。DNA 中的每个核苷酸都包含四种可能的含氮碱基之一:腺嘌呤 （A）、鸟嘌呤 （G）、胞嘧啶 （C） 和胸腺嘧啶 （T）。腺嘌呤和鸟嘌呤被归类为嘌呤。嘌呤的主要结构是两个碳氮环。胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶被归类为嘧啶，其主要结构为单个碳氮环。这些碱性碳氮环中的每一个都连接着不同的官能团。在分子生物学速记中，我们通过它们的符号 A、T、G、C 和 U 来了解含氮碱基。DNA 包含 A、T、G 和 C;而 RNA 包含 A、U、G 和 C。

DNA 中的戊糖是脱氧核糖，而 RNA 中的糖是核糖。糖之间的区别在于核糖的第二个碳上存在羟基，脱氧核糖的第二个碳上存在氢。磷酸盐残基连接到一种糖的 5′ 碳的羟基和下一个核苷酸的糖的 3′ 碳的羟基上，形成 5’–3′ 磷酸二酯键。

DNA 双螺旋结构

DNA 具有双螺旋结构。糖和磷酸盐位于螺旋的外侧，形成 DNA 的骨架。含氮碱基堆积在内部，就像一对楼梯台阶一样。氢键将对物相互结合。双螺旋中的每个碱基对与下一个碱基对相距 0.34 nm。螺旋线的两条链沿相反的方向运行，这意味着一根链的 5′ 碳端将面向其匹配链的 3′ 碳端。只允许某些类型的碱基配对 – A 可以与 T 配对，G 可以与 C 配对。这是互补基本规则。换句话说，DNA 链是互补的。

核糖核酸

核糖核酸或 RNA 主要参与 DNA 指导下的蛋白质合成过程。RNA 通常是单链的，由通过磷酸二酯键连接的核糖核苷酸组成。

RNA 有四种主要类型:信使 RNA （mRNA）、核糖体 RNA （rRNA）、转移 RNA （tRNA） 和 microRNA （miRNA）。第一种是 mRNA，它携带来自 DNA 的信息，DNA 控制着细胞中的所有细胞活动。如果一个细胞需要某种蛋白质，它的基因就会”打开”，信使 RNA 就会在细胞核中合成。RNA 碱基序列与复制它的 DNA 编码序列互补。在细胞质中，mRNA 与核糖体和其他细胞机制相互作用。

mRNA 以三个碱基为一组读取，称为密码子。每个密码子编码一个氨基酸。通过这种方式，读取 mRNA 并制造蛋白质产物。核糖体 RNA （rRNA） 是 mRNA 结合的核糖体的主要成分。rRNA 确保 mRNA 和核糖体的正确对齐。核糖体的 rRNA 还具有酶活性（肽基转移酶）并催化两个对齐氨基酸之间形成肽键。转移 RNA （tRNA） 是四种 RNA 中最小的一种，通常长达 70-90 个核苷酸。它将正确的氨基酸携带到蛋白质合成位点。正是 tRNA 和 mRNA 之间的碱基配对允许正确的氨基酸将自身插入多肽链中。MicroRNA 是最小的 RNA 分子，它们的作用包括通过干扰某些 mRNA 信息的表达来调节基因表达。

尽管 RNA 是单链的，但大多数 RNA 类型在互补序列之间显示出广泛的分子内碱基配对，从而形成了对其功能至关重要的可预测的三维结构。

本文改编自 Openstax，生物学 2e，第 3.5 章:核酸。