核酸的组成和结构

核酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸的线性排列顺序。由于核苷酸之间的差异主要由包含的碱基不同造成，因而在表达时也可将其简化成碱基的符号进行表述，核苷酸的不同排列顺序决定了生物的多样性。

核酸二级结构是以碱基之间的氢键来定义的。在DNA中嘧啶碱基与嘌呤碱基之间通过氢键作用相互配对，表现为A与T通过两个氢键相连，而C与G通过三个氢键相连，因而，G-C配对的稳定性高于A-T配对的稳定性。DNA最著名的二级结构是双螺旋结构，由JamesWatson和FrancisCrick在1953年提出。

在双螺旋结构中两条由脱氧核糖和磷酸交替连接形成的主链围绕一个共同轴心盘旋而上，形成外侧的骨架。互补配对的碱基则处于内侧，它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。双螺旋的两条链是反平行的，由于连接于两条主链糖基上的配对碱基并非直接相对，使得在主链间沿螺旋形成空隙大小不一的的沟槽，它们分别被称为大沟(Major groove)和小沟(Minor groove)。

小沟位于双螺旋的互补链之间，而大沟位于相毗邻的双股之间。大沟和小沟可以使部分碱基暴露出来，为双链DNA分子(dsDNA)与蛋白质和其他小分子的相互识别和相互作用提供了空间，具有重要的生物学意义。

自然界中可见的dsDNA结构主要包括A-DNA、B-DNA和Z-DNA三种。其中，B型为最常见的结构，最接近于大量存在于细胞中的DNA构象。

B-DNA为右螺旋结构，与B-DNA相同，A-DNA也为右螺旋结构，但螺旋较短并且紧密，螺旋周期包括11个碱基。研究表明，A-DNA在基因表达中发挥着重要作用，并且可用作蛋白质-DNA复合物中的识别体。

1979年，美国麻省理工学院和荷兰拉依登大学小组的研究成果证明了Z-DNA结构的存在。Z-DNA为左螺旋结构，并呈现锯齿形状。在Z-DNA中鸟嘌呤的一部分碳和氮原子在螺旋结构的表面暴露出来，其在研究致癌机制方面具有重要意义。

除了上述正规的双链结构外，某些单链DNA中显示重复的DNA序列。在人类基因组中有超过50%的序列为重复的DNA序列，而简单重复序列占DNA总数的3%。在一定条件下这些重复序列可以形成独特的结构，例如:DNA三链、发卡结构、G-四链体结构和i-motif结构等，这些不正常的二级结构可能参与基因新陈代谢过程并参与重要的生物过程。

RNA二级结构是RNA分子在自然条件下对自身进行各种形式的回折，在不同的碱基互补对茎区之间，以非匹配的环区形式和最顶部单链形式两者交替出现的茎环结构，也称作局部双螺旋结构。

DNA双螺旋进一步盘绕形成的空间构象称为DNA的三级结构，它是一种超螺旋结构。在真核细胞内的DNA为线性的双螺旋结构，经过组装可形成致密的超螺旋结构。某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体内的DNA也可形成超螺旋结构。

RNA分子在二级结构结构基础上进一步扭曲、折叠则形成三级结构。RNA的三级结构是非编码RNA发挥催化、调控和结构等功能的基础。

通过核酸结构的解析和研究方法的不断进步，人们已经可以在分子层面对核酸进行合成、提取和编辑，从而实现一系列蛋白的表达和生命过程的调控。成功的核酸提取是大多数生命科学实验课题的第一步。