核酸二級結構

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核酸二級結構（英語：Nucleic acid secondary structure）是單個核酸聚合物內或兩個聚合物之間的鹼基對相互作用。它可以被表示為在核酸分子中配對的鹼基的一個列表^[1]。 生物DNA的和RNA的二級結構往往有所不同：生物DNA主要以完全鹼基配對的雙螺旋的形式存在，而生物RNA是單鏈的，並且由於來自核糖中額外的羥基增加的形成氫鍵的能力而形成錯綜複雜的鹼基配對相互作用。

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Interactive image of nucleic acid structure (primary, secondary, tertiary, and quaternary) using DNA helices and examples from the VS ribozyme and telomerase and nucleosome. (PDB ADNA)

在非生物學背景下，由於鹼基對的模式最終決定了分子的整體結構，因此二級結構對於DNA納米技術和DNA運算的核酸結構的核酸設計（英語：Nucleic acid design）至關重要。

基本概念

鹼基配對

上圖為AT鹼基對，顯示兩個分子間氫鍵；下圖為GC鹼基對，顯示三個分子間氫鍵。

主條目：鹼基對

在分子生物學中，通過氫鍵連接的互補DNA或RNA鏈上的兩個核苷酸稱為鹼基對（通常縮寫為bp）。在典型的沃森-克里克鹼基配對中，DNA中的腺嘌呤(A) 與胸腺嘧啶(T)形成鹼基對，鳥嘌呤(G)與胞嘧啶(C)形成鹼基對。在RNA中，胸腺嘧啶被尿嘧啶(U)取代。交替氫鍵模式，如搖擺鹼基對和胡斯坦鹼基對，也會出現——尤其是在RNA中——從而產生複雜且有功能的三級結構。重要的是，配對是蛋白質翻譯過程中信使RNA分子上的密碼子（codon）被轉移RNA上的反密碼子識別的機制。一些DNA或RNA結合酶可以識別特定的鹼基配對模式，從而識別基因的特定調控區域。氫鍵是上述鹼基配對規則背後的化學機制。氫鍵供體和受體的適當幾何對應關係只允許「正確」的配對穩定形成。GC含量高的DNA比GC含量低的DNA更穩定，但與普遍看法相反，氫鍵並不能顯著穩定DNA，穩定主要是由於堆積相互作用。^[2]

較大的核鹼基腺嘌呤和鳥嘌呤屬於雙環化學結構，稱為嘌呤；較小的核鹼基胞嘧啶和胸腺嘧啶（以及尿嘧啶）屬於單環化學結構，稱為嘧啶。嘌呤只能與嘧啶互補：嘧啶-嘧啶配對在能量上是不利的，因為分子之間相距太遠，無法建立氫鍵；嘌呤-嘌呤配對在能量上是不利的，因為分子之間相距太近，導致重疊排斥。唯一可能的配對是GT和AC；這些配對屬於錯配，因為氫供體和受體的模式不一致。在RNA中，有兩個氫鍵的GU搖擺鹼基對確實經常出現。

二級結構模體

主要的核酸螺旋結構（A-，B-和Z-形式）

核酸二級結構通常分為螺旋（連續鹼基對）和各種環（螺旋包圍未配對的核苷酸）。 通常將這些元素或它們的組合進一步分類為其他類別，包括例如四元環（英語：Tetraloop）(Tetraloop)，假結結構和莖環。

雙螺旋

主條目：雙股螺旋

雙股螺旋是核酸分子中重要的核酸三級結構，與分子的二級結構緊密相連。雙股螺旋由許多連續鹼基對的區域形成。

核酸雙螺旋是螺旋聚合物，通常是右旋的，含有兩個鹼基對配對的核苷酸鏈。單螺旋圈構成約十個核苷酸，並且包含大溝和小溝，大溝比小溝寬^[3]。鑑於大溝和小溝寬度的差異，許多與DNA結合的蛋白質通過侵入較寬的大溝來實現^[4]。對於DNA而言，許多雙螺旋形式在理論上是可能的，三種生物中存在的形式是A-DNA，B-DNA和Z-DNA，而RNA雙鏈只能形成與A形DNA相似的A形雙螺結構旋。

莖環結構

一個RNA莖環的二級結構

主條目：莖環

核酸分子的二級結構通常可以獨特地分解成莖(stem)和環(loop)。 莖環結構（通常也稱為「髮夾(hairpin)」），其中鹼基配對的螺旋終止於短的不配對環中，是非常常見的，並且是用於較大結構基序如三葉草結構的構建模塊，是四個螺旋結的連接，如轉運RNA中被發現的那些。 內部環（較長的配對螺旋中的一系列不配對的鹼基）和突起（螺旋的一條鏈具有「額外」插入的鹼基而在相對鏈中沒有對應物的區域）也是常見的。

假結結構

一個假結結構，例如，人端粒酶的RNA組分^[5]

主條目：假結結構

一個假結結構是含有至少兩個莖環結構的核酸二級結構，其中一個莖的一半嵌入另一莖的兩半之間。假結結構摺疊成節狀三維構象，但不是真正的拓撲結。 假結構中的鹼基對不能很好地嵌套; 也就是說，鹼基對出現在序列位置上彼此「重疊」。這使得核酸序列中一般假結的出現無法通過動態規劃的標準方法來預測，該方法使用遞歸評分系統來識別配對的莖，並因此不能使用常用算法檢測非嵌套鹼基對。 然而，使用修改後的動態程序可以預測（英語：Nucleic acid structure prediction） 有限的假結點的子類^[6]。 較新的結構預測技術，如隨機上下文無關文法也無法考慮假結結構。

二級結構預測

大多數核酸二級結構預測方法都依賴於最近鄰熱力學模型。^[7][8]給定核苷酸序列，確定最可能結構的常用方法是使用動態規劃算法，該算法尋求尋找具有低自由能的結構。^[9] 動態規劃算法通常禁止假結結構或其他鹼基對未完全嵌套的情況，因為即使對於較小的核酸分子，考慮這些結構的計算成本也非常高。其他方法，如隨機上下文無關文法，也可用於預測核酸二級結構。

對於許多RNA分子而言，二級結構對於RNA的正確功能非常重要 — 通常比實際序列更重要。這一事實有助於分析有時稱為「RNA基因」的非編碼RNA。生物信息學的一個應用是使用預測的RNA二級結構在基因組中搜索非編碼但有功能的RNA形式。例如，microRNA具有典型的長莖環結構，被小的內部環打斷。

RNA二級結構適用於某些物種的RNA剪接。研究表明，在人類和其他四足動物中，如果沒有U2AF2（英語：U2AF2）蛋白，剪接過程就會受到抑制。然而，在斑馬魚和其他真骨類魚類中，即使沒有U2AF2（英語：U2AF2），某些基因上仍會發生RNA剪接過程。這可能是因為斑馬魚中10%的基因在每個內含子的3'剪接位點 (3'ss) 和5'剪接位點 (5'ss) 上分別有交替的TG和AC鹼基對，從而改變了RNA的二級結構。這表明RNA的二級結構可以影響剪接，可能無需使用U2AF2等被認為是剪接發生所必需的蛋白質。^[10]

二級結構測定

RNA二級結構可以通過X射線晶體學獲得的原子坐標（三級結構）來確定，這些坐標通常存儲在蛋白質資料庫中。目前的方法包括3DNA/DSSR^[11] 和 MC-annotate^[12]。

參閱

• 分子與細胞生物學主題

• DNA納米技術
• DNA的分子模型（英語：Molecular models of DNA）
• DiProDB（英語：DiProDB） -- 該資料庫旨在收集和分析熱力學，結構和其他二核苷酸特性。