核酸(英語:nucleic acid)是一種通常位於細胞內的大型生物分子,主要負責生物體遺傳信息的攜帶和傳遞。核酸有兩大類,分別是脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。

兩個主要的核酸的比較:RNA (左) 和 DNA (右),顯示分別的螺旋結構和核鹼基

核酸的單體結構為核苷酸。每一個核苷酸分子由三部分組成:一個五碳糖、一個含氮鹼基和一個或多個磷酸基團。如果其五碳糖是去氧核糖則為去氧核糖核苷酸,此單體之聚合物是DNA。如果其五碳糖是核糖則為核糖核苷酸,此單體之聚合物是RNA

核酸是最重要的生物大分子(其餘為胺基酸/蛋白質醣類/碳水化合物脂質/脂肪)。它們大量存在於所有生物,功能有編碼、傳遞和表達遺傳信息。換句話說,遺傳訊息通過核酸序列被傳遞。DNA分子含有生物物種的所有遺傳信息,為雙鏈分子,其中大多數是鏈狀結構大分子,也有少部分呈環狀結構,分子量一般都很大。RNA主要是負責DNA遺傳信息的翻譯和表達,為單鏈分子,分子量要比DNA小得多。

核酸存在於所有動植物細胞、微生物病毒噬菌體內,是生命的最基本物質之一,對生物的成長遺傳變異等現象起着重要的決定作用。

研究歷史

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瑞士科學家弗雷德里希·米歇爾於1869年發現核酸(DNA)。[2] 之後,他提出它們可參與遺傳的想法。[3]

核酸實驗研究構成了現代生物學醫學研究的重要組成部分,形成了基因組法醫學,以及生物技術製藥行業的基礎[7][8][9]

核酸類型

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核酸可以分為脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA),以及人工合成的核酸類似物。

脫氧核糖核酸

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脫氧核糖核酸(DNA)。

脫氧核糖核酸(DNA)是由脫氧核糖核苷酸構成的一種核酸。其主要負責生物體遺傳信息的攜帶。組成DNA的鹼基有四種:腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)與胞嘧啶(C)。DNA主要為雙鏈構成的雙螺旋結構,但病毒中也有單鏈DNA[4]。利用體外分子進化技術,也可合成出類似核酶脫氧核酶[10]

核糖核酸

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核糖核酸(RNA)由核糖核苷酸構成,其功能包括遺傳信息的傳遞核酶等,而一些病毒使用RNA攜帶遺傳信息。組成RNA的鹼基中,尿嘧啶(U)代替了胸腺嘧啶。RNA一般為單鏈。


DNA與RNA的比較
項目 DNA RNA 解說
組成主幹之糖類分子[11] 2-去氧核糖磷酸 核糖和磷酸
骨架結構 規則的[需要較佳來源][12]:50雙螺旋結構[13] 單螺旋結構[需要較佳來源][13]莖環結構[4] 即脫氧核糖核酸由兩條脫氧核苷酸鏈構成,而核糖核酸由一條核糖核苷酸鏈構成。[12]:49
核苷酸 通常上百萬 通常數百至數千個
鹼基種類[14][13] 腺嘌呤(A)··· 胸腺嘧啶(T)
胞嘧啶(C)··· 鳥嘌呤(G)
腺嘌呤(A)··· 尿嘧啶(U)
胞嘧啶(C)··· 鳥嘌呤(G)
除部分例外,DNA為胸腺嘧啶(5-甲基尿嘧啶),RNA為尿嘧啶,使RNA更易被水解。
五碳糖種類[13] 脫氧核醣 核醣
五碳糖連接組成分 氫原子 羥基 五碳糖的第二個原子上連接的組成分不同。
存在於(對於真核細胞而言)[13] 細胞核(少量存在於線粒體葉綠體 細胞質


核酸類似物

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除此之外,也可以通過人工合成出核酸類似物英語Nucleic_acid_analogue(Nucleic acid analogues)。如肽核酸鎖核酸GNA蘇糖核酸等。核酸類似物通過不同的分子骨架而與自然產生的DNA或RNA區分開來。

結構和組成

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組成

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核酸由核苷酸組成,而核苷酸又是由含氮鹼基五碳糖磷酸基構成。

 
核苷酸的結構及所有常規的鹼基

核苷酸

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核酸的單體結構為核苷酸。每一個核苷酸分子有三部分組成:一個含氮鹼基,一個五碳糖和一個或多個磷酸基團。由含氮鹼基和五碳糖組成的結構叫做核苷

鹼基

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含氮鹼基是兩種母體分子嘌呤嘧啶的衍生物。一般,組成核酸的鹼基有五種,分別是:

除了以上五種鹼基之外,部分核酸還含有特殊鹼基。即稀有鹼基。

核苷

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核苷是由含氮鹼基和戊糖組成的糖苷[5]。核苷加上一個磷酸基就是核苷酸。

結構

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核酸的四大結構示意圖。

核酸的結構可分為一級結構二級結構三級結構四級結構

一級結構

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核酸的鏈上各核苷酸殘基的排列順序被稱作核酸的一級結構,即核酸序列。核酸序列在生物學中非常重要,它們不僅能區分核酸,還帶有編碼所有生物分子、分子裝配體、亞細胞的和細胞的結構器官的信息,和生物體的最終指令。

二級結構

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三級結構

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四級結構

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參考資料

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  1. ^ Dahm, R. Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research. Human Genetics. January 2008, 122 (6): 565–81. ISSN 0340-6717. PMID 17901982. doi:10.1007/s00439-007-0433-0. 
  2. ^ He called them nuclein.
  3. ^ Bill Bryson, A Short History of Nearly Everything, Broadway Books, 2005, p. 500.
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 Setubal, João Carlos. Meidanis, João. Introduction to computational molecular biology. 主编 聂理.《分子生物学导论》. World Pub. Corperation. 2003 [2020-07-12]. ISBN 7-5062-6574-5. OCLC 880306796. (原始內容存檔於2020-06-13).  引用錯誤:帶有name屬性「分子生物學導論」的<ref>標籤用不同內容定義了多次
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  6. ^ DNA Structure. What is DNA. Linda Clarks. [6 August 2016]. (原始內容存檔於2021-02-24). 
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  8. ^ Venter, JC; et al. The sequence of the human genome. (PDF). Science. 2001, 291 (5507): 1304–1351 [2015-11-20]. Bibcode:2001Sci...291.1304V. PMID 11181995. doi:10.1126/science.1058040. (原始內容存檔 (PDF)於2007-07-13). 
  9. ^ Budowle B, van Daal A. Extracting evidence from forensic DNA analyses: future molecular biology directions. BioTechniques. April 2009, 46 (5): 339–40, 342–50. PMID 19480629. doi:10.2144/000113136. 
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  11. ^ Berg J., Tymoczko J. and Stryer L. (2002) Biochemistry. W. H. Freeman and Company ISBN 0-7167-4955-6
  12. ^ 12.0 12.1 薛金星. 中学教材全解 工具版 高中生物必修1 分子与细胞. 陝西人民教育出版社. ISBN 9787545015751. 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 人民教育出版社. 生物1 必修 分子与细胞. ISBN 9787107176708. 
  14. ^ 生命的螺旋-DNA與RNA. 國立科學工藝博物館. 

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