핵산의 구조(DNA와 RNA)편집자 확인

핵산의 기본 단위는 뉴클레오타이드이다. 뉴클레오타이드는 인산기, 당, 핵염기라는 세 가지 구성 요소가 결합하여 형성된다. 이 중 당과 핵염기만이 결합한 분자를 뉴클레오사이드라고 부른다. 즉, 뉴클레오타이드는 뉴클레오사이드에 인산기가 하나 이상 결합한 형태이다.

뉴클레오사이드는 글리코사이드 결합을 통해 핵염기가 당의 1' 탄소에 공유 결합된 구조를 가진다. DNA에서는 당으로 디옥시리보스가, RNA에서는 리보스가 사용된다. 핵염기는 퓨린 계열의 아데닌(A)과 구아닌(G), 그리고 피리미딘 계열의 사이토신(C), 티민(T, DNA 한정), 유라실(U, RNA 한정)로 구분된다. 뉴클레오사이드의 명칭은 포함된 염기에 따라 정해지며, 예를 들어 아데닌과 리보스가 결합하면 아데노신이라고 한다.

뉴클레오타이드는 뉴클레오사이드의 당 부분에 위치한 5' 탄소에 인산기가 인산에스테르 결합을 통해 연결되어 생성된다. 하나의 인산기가 결합하면 뉴클레오타이드 일인산(NMP, 예: AMP), 두 개가 결합하면 이인산(NDP), 세 개가 결합하면 삼인산(NTP)이 된다. 특히 ATP와 같은 뉴클레오타이드 삼인산은 세포 내 에너지 전달체로도 중요한 역할을 한다.

이러한 뉴클레오타이드들이 인산다이에스테르 결합으로 서로 연결되면 긴 사슬, 즉 폴리뉴클레오타이드가 형성된다. 이 결합은 한 뉴클레오타이드의 당 3' 탄소와 다음 뉴클레오타이드의 인산기 사이에서 일어나며, 이로 인해 모든 핵산 사슬은 5' 말단과 3' 말단이라는 방향성을 가지게 된다.

핵산의 기본 구성 단위인 뉴클레오타이드는 염기, 당, 인산기라는 세 가지 구성 요소로 이루어져 있다. 이 세 부분이 특정한 방식으로 결합하여 DNA와 RNA의 구조적, 기능적 다양성의 기초를 형성한다.

첫째, 염기는 질소를 함유한 헤테로고리 화합물로, 퓨린 계열과 피리미딘 계열로 나뉜다. 퓨린 염기에는 아데닌(A)과 구아닌(G)이 있으며, 피리미딘 염기에는 사이토신(C), 티민(T, DNA에만 존재), 유라실(U, RNA에만 존재)이 있다. 이들 염기는 상보적인 수소 결합을 통해 DNA의 이중 나선 구조를 안정화시키는 동시에 유전 정보를 부호화하는 핵심 역할을 담당한다.

둘째, 당 성분은 오탄당으로, DNA에서는 디옥시리보스가, RNA에서는 리보스가 사용된다. 두 당의 차이는 2' 탄소에 결합한 작용기에 있다. 리보스는 2' 위치에 하이드록시기(-OH)를 가지지만, 디옥시리보스는 수소 원자(-H)만을 가진다. 이 작은 차이가 RNA의 가수분해에 대한 취약성과 DNA의 화학적 안정성 차이를 결정하는 주요 요인 중 하나이다.

셋째, 인산기는 인산 분자(H3PO4)에서 유래하며, 당의 5' 탄소에 에스터 결합으로 연결된다. 인산기는 뉴클레오타이드 간에 강한 공유 결합인 인산다이에스터 결합을 형성하여 핵산 사슬의 골격을 만든다. 이 인산-당 골격은 전체 분자에 강한 음전하를 부여하며, 이는 양이온(예: 마그네슘 이온)과의 상호작용 및 단백질 결합에 중요한 영향을 미친다.

1953년, 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭은 네이처 저널에 DNA의 이중 나선 구조 모델을 제안하는 논문을 발표했다[2]. 이 모델은 로절린드 프랭클린이 촬영한 X선 회절 사진(포토 51호)과 모리스 윌킨스의 연구 데이터, 그리고 에르윈 샤르가프가 발견한 염기 조성 법칙(아데닌과 티민, 구아닌과 사이토신의 양이 항상 1:1로 일치함)을 종합하여 완성되었다.

이중 나선 구조의 주요 특징은 다음과 같다.

이 발견은 유전 정보가 DNA의 염기 서열에 저장되어 있으며, 이중 나선 구조가 복제 과정에서 상보적 가닥을 만드는 메커니즘을 제공한다는 점을 보여주었다. 이로 인해 분자생물학 시대가 본격적으로 열렸으며, 왓슨, 크릭, 윌킨스는 1962년 노벨 생리학·의학상을 수상했다. 로절린드 프랭클린은 1958년 사망하여 노벨상 수상 자격에서 제외되었지만, 그녀의 결정적인 데이터는 이 발견의 토대를 제공했다.

DNA는 환경 조건에 따라 다양한 형태의 이중 나선 구조를 취할 수 있다. 가장 일반적으로 알려진 형태는 B-DNA이며, 이는 생체 내 수용액 환경에서 주로 존재하는 형태이다. B-DNA는 오른손 나선 구조를 가지며, 염기쌍이 나선의 중심축에 거의 수직으로 배열된다. 나선의 지름은 약 20Å이고, 한 바퀴 회전당 약 10.5개의 염기쌍을 포함한다[3].

상대적으로 낮은 습도나 특정 염 서열 조건에서는 A-DNA 형태가 나타난다. A-DNA 역시 오른손 나선이지만, B-DNA보다 더 짧고 굵은 형태를 가진다. 염기쌍이 중심축에 기울어져 있어 나선 중심을 따라 큰 홈과 작은 홈의 구분이 B-DNA보다 덜 뚜렷하다. A-DNA는 한 바퀴에 약 11개의 염기쌍을 포함하며, 주로 탈수된 상태에서 관찰된다. 일부 바이러스의 DNA와 DNA-RNA 혼성 이중나선은 A형 구조를 취한다.

Z-DNA는 좌손 나선 구조를 가지는 독특한 형태이다. 나선의 골격이 지그재그 모양을 보여 'Z'라는 이름이 붙었다. Z-DNA는 주로 구아닌과 사이토신이 교대로 반복되는 서열(GCGCGC)에서 형성되며, 고농도의 염분 조건에서 안정화된다. B-DNA에 비해 가늘고 길쭉한 형태를 가지며, 한 바퀴 회전당 약 12개의 염기쌍을 포함한다. Z-DNA는 유전자 발현 조절과 같은 생물학적 과정에서 일시적으로 형성될 수 있다는 가설이 제기된다.

DNA의 이중 나선 구조는 일반적으로 B-DNA와 같은 느슨한 형태로 존재하지만, 실제 세포 내에서는 공간적 제약과 에너지적 요인으로 인해 더욱 조밀하게 꼬인 형태를 취할 수 있다. 이러한 고차 구조를 초나선 구조 또는 초감김이라고 부른다. 초나선 구조는 DNA 분자가 자신의 나선 축을 따라 추가로 꼬여 3차원 공간에서 더욱 조밀하게 응축된 상태를 의미한다.

초나선 구조는 크게 두 가지 형태로 나뉜다. 첫째는 음성 초감김으로, 이는 DNA 이중 나선이 자신의 자연적인 꼬임 방향과 반대 방향으로 꼬인 상태이다. 이 형태는 DNA의 두 가닥을 분리하기 쉽게 만들어 전사나 복제와 같은 과정을 촉진한다. 대부분의 세균과 진핵생물 DNA는 음성 초감김 상태로 존재한다. 둘째는 양성 초감김으로, 자연적인 꼬임 방향과 같은 방향으로 추가로 꼬인 상태이다. 이는 DNA를 더욱 단단하게 만들어 유전자 발현을 억제하는 경향이 있다.

초나선 구조의 형성과 조절에는 토포이소머레이즈 효소가 중요한 역할을 한다. 이 효소는 DNA 가닥을 일시적으로 절단하고 재연결하여 꼬임의 정도를 변경한다. 예를 들어, DNA 복제 과정에서 복제 분기가 진행되면 그 앞쪽의 DNA에 과도한 꼬임 응력이 발생하는데, DNA 자이레이스와 같은 토포이소머레이즈가 이 응력을 해소하여 복제가 원활하게 진행되도록 한다[4].

초나선 구조는 DNA의 물리적 형태를 변화시킬 뿐만 아니라 생물학적 기능에 직접적인 영향을 미친다. DNA의 응축 정도는 유전자 발현 조절의 한 메커니즘이며, 초나선 상태에 따라 특정 프로모터 부위에 RNA 중합효소가 결합하기 쉬워지거나 어려워질 수 있다. 따라서 초나선 구조는 유전 정보의 저장 형태이자 활발히 조절되는 기능적 상태로 이해된다.

RNA는 기본적으로 하나의 뉴클레오타이드 사슬로 이루어진 단일 가닥 구조를 가진다. 이는 두 개의 상보적 가닥이 엉켜 있는 DNA의 이중 나선 구조와 대조적이다. 그러나 RNA의 단일 가닥은 자체 내에서 염기 사이의 상보적 결합을 통해 다양한 2차 구조를 형성한다.

가장 흔한 2차 구조는 헤어핀 구조이다. 이는 RNA 사슬의 한 부분이 뒤로 접혀서 인접한 또는 가까운 서열과 염기쌍을 이룰 때 발생한다. 이렇게 형성된 짧은 이중 나선 영역을 '줄기'라고 하며, 짝을 이루지 못하고 돌출된 고리 부분을 '루프'라고 부른다. 이러한 헤어핀 구조는 더 복잡한 2차 구조의 기본 구성 요소가 된다.

단일 가닥 RNA는 헤어핀 외에도 내부 염기쌍 형성을 통해 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, '불룩'은 줄기 내에 짝을 이루지 않은 염기가 끼어 있는 형태이며, '내부 루프'는 마주보는 두 줄기에 짝을 이루지 않은 염기들이 존재하는 구조이다. 이러한 2차 구조의 형성은 RNA 분자의 3차원적 형태와 안정성, 그리고 다른 분자와의 상호작용 능력을 결정하는 데 중요하다.

RNA의 2차 구조는 그 기능과 밀접한 연관이 있다. 예를 들어, tRNA는 특정한 클로버잎 모양의 2차 구조를 가지며, 이는 아미노산을 운반하고 리보솜에서 코돈을 인식하는 데 필수적이다. rRNA 역시 복잡한 2차 및 3차 구조를 통해 리보솜의 촉매 중심을 형성한다. 따라서 RNA의 단일 가닥 특성은 유연한 구조 형성을 가능하게 하여 다양한 생물학적 역할을 수행할 수 있게 한다.

mRNA는 유전자의 정보를 DNA로부터 전사받아 단백질 합성 장소인 리보솜으로 운반하는 역할을 한다. mRNA는 일반적으로 긴 단일 가닥 구조를 가지며, 특별한 2차 구조를 광범위하게 형성하지 않는다. 그러나 5' 말단에는 캡 구조가, 3' 말단에는 폴리(A) 꼬리가 존재하여 핵에서의 안정성과 세포질에서의 번역 효율을 높인다. 일부 진핵생물의 mRNA는 스플라이싱 후에도 내부에 제한된 헤어핀 구조를 가질 수 있다.

tRNA는 특정 아미노산을 운반하여 리보솜에서 성장하는 폴리펩타이드 사슬에 전달한다. tRNA는 잘 정의된 클로버잎 모양의 2차 구조를 가지며, 이는 L자형의 3차 구조로 접힌다. 그 구조에는 아미노산이 결합하는 3' CCA 말단, 안티코돈이 위치하는 안티코돈 고리, 그리고 아미노아실-tRNA 합성효소 및 리보솜과 상호작용하는 D 고리와 TΨC 고리가 포함된다. 이 독특한 구조는 tRNA가 정확한 아미노산과 코돈을 인식하는 데 필수적이다.

rRNA는 리보솜의 구조적 중심을 이루고 촉매 작용을 한다. rRNA는 단백질과 복합체를 이루어 리보솜의 대소 소단위체를 구성한다. 그 구조는 매우 복잡하고 고도로 접혀 있으며, 다양한 헤어핀 구조, 내부 고리, 가닥 교차를 포함한다. 이 정밀한 3차 구조는 리보솜 내에서 mRNA와 tRNA의 결합 부위, 펩티드 결합을 형성하는 펩티딜 전이효소 중심을 형성한다. rRNA의 구조는 모든 생물에서 보존되어 있으며, 그 기능적 중요성을 반영한다.

DNA와 RNA의 가장 근본적인 구조적 차이 중 하나는 그들을 구성하는 당의 종류에 있다. DNA는 디옥시리보스를, RNA는 리보스를 당 성분으로 사용한다. 두 당 모두 오탄당이며, 펜토스로 분류된다.

두 당의 화학적 차이는 2' 탄소 원자에 결합한 작용기에 있다. 리보스는 2' 탄소에 하이드록시기(-OH)를 가지고 있는 반면, 디옥시리보스는 그 자리에 수소 원자(-H)만을 가지고 있다. '디옥시(deoxy)'라는 접두사는 산소(oxy)가 하나(de) 부족함을 의미하며, 이는 리보스의 2' 하이드록시기가 수소로 대체되었기 때문이다.

이 작은 차이는 핵산의 물리화학적 성질에 큰 영향을 미친다. 디옥시리보스의 2' 탄소에 하이드록시기가 없다는 것은 DNA 가닥이 알칼리 조건에서도 안정적임을 의미한다. 반면, RNA의 2' 하이드록시기는 인접한 인산다이에스터 결합을 공격할 수 있어, 알칼리 조건에서 RNA 가닥이 쉽게 절단되는 원인이 된다. 이는 DNA가 유전 정보를 안정적으로 보관하는 데 더 적합하도록 만든다. 또한, 2' 하이드록시기는 RNA가 복잡한 2차 구조와 3차 구조를 형성하는 데 기여하는 요인 중 하나이기도 하다.

DNA와 RNA는 각각 티민(T)과 유라실(U)이라는 서로 다른 피리미딘 계열 염기를 사용한다. 이 두 염기는 구조적으로 매우 유사하지만, 하나의 중요한 차이점이 존재한다. 티민은 5번 탄소에 메틸기(-CH₃)를 가지고 있는 반면, 유라실은 이 메틸기가 없는 구조를 가진다[7]. 이 작은 구조적 차이는 핵산의 안정성과 기능에 중대한 영향을 미친다.

티민의 메틸기는 DNA의 이중 나선 구조 안정화에 기여한다. 또한, 이 메틸기는 DNA가 복제나 수선 과정에서 발생할 수 있는 시토신의 자발적 탈아미노화로 인한 돌연변이로부터 자신을 보호하는 메커니즘과 관련이 있다. 시토신이 탈아미노화되면 유라실이 생성되는데, DNA에 유라실이 존재하면 세포의 수선 시스템이 이를 이상 염기로 인식하고 제거한다. 만약 DNA의 정상 염기가 유라실이었다면, 이러한 수선 시스템이 돌연변이를 식별하고 교정하기 어려웠을 것이다.

반면, RNA는 주로 단일 가닥 구조로 존재하며 비교적 수명이 짧은 경우가 많다. 따라서 DNA와 같은 높은 수준의 장기적 안정성과 정확한 유전 정보 보존이 절대적으로 요구되지 않는다. RNA에서 유라실을 사용하는 것은 합성 효율성과 관련이 있을 수 있다. 유라실은 티민보다 합성에 필요한 에너지와 전구물질이 적게 들기 때문에, 빈번히 합성되고 분해되는 RNA 분자에 더 경제적일 수 있다. 이 차이는 DNA가 장기적인 유전 정보 저장고 역할을 하고, RNA가 주로 정보의 중간 매개체나 기능적 분자로 작용하는 각자의 생물학적 역할을 반영한다.

DNA의 이중 나선 구조는 수소 결합과 염기 쌓임을 통해 높은 구조적 안정성을 제공합니다. 이중 가닥 구조는 물리적 보호와 복구 메커니즘의 표적이 되기 쉬운 특징을 가지며, 이는 유전 정보의 장기적이고 충실한 보존에 필수적입니다. 반면, RNA는 주로 단일 가닥 구조를 가지므로 구조적 유연성이 크지만, 물리적·화학적 공격에 더 취약합니다. RNA의 2차 구조는 분자 내 염기쌍 형성에 의존하므로, 환경 변화에 따라 쉽게 변할 수 있습니다.

당의 차이는 화학적 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다. DNA의 디옥시리보스는 2' 탄소에 하이드록시기가 없어 알칼리성 조건에서 가수분해에 강한 반면, RNA의 리보스는 2' 하이드록시기가 존재하여 알칼리성 조건에서 쉽게 분해됩니다[8]. 이 차이는 DNA가 유전 물질로서, RNA는 주로 정보의 단기적 매개체로서의 역할을 구분 짓는 핵심 요인 중 하나입니다.

염기 구성의 차이도 안정성과 기능에 기여합니다. DNA의 티민은 시토신의 자발적 탈아미노화로 생성될 수 있는 유라실을 쉽게 인식하고 제거하는 효소 시스템을 통해 유전 정보의 무결성을 유지합니다. RNA에서 유라실이 사용되는 것은 높은 안정성이 요구되지 않는 단기적 정보 전달 역할과 관련이 있으며, 또한 리보솜 내에서 다양한 비표준 염기쌍 형성을 가능하게 하여 구조적 다양성을 부여합니다.

이러한 구조적 차이로 인해 DNA와 RNA는 생물체 내에서 뚜렷이 구분된 기능을 수행합니다. DNA의 높은 안정성은 세대를 거쳐 유전 정보를 정확하게 전달하는 데 적합하며, RNA의 상대적 불안정성과 구조적 다양성은 유전 정보의 실시간 해독, 운반, 그리고 촉매 작용과 같은 역동적인 세포 과정에 적응하도록 진화했습니다.

DNA의 이중 나선 구조는 유전 정보를 저장하는 데 매우 적합한 형태를 제공한다. 두 가닥의 염기 서열이 상보적으로 결합하여, 한 가닥의 서열이 다른 가닥의 서열을 결정한다. 이 상보적 결합은 DNA 복제 과정에서 정보의 정확한 복제를 가능하게 하는 핵심 메커니즘이다. 복제 시 두 가닥이 풀리면, 각 가닥은 새로운 상보적 가닥을 합성하기 위한 주형으로 작용하여 원본과 동일한 두 개의 DNA 분자를 생성한다[9].

유전 정보의 전달은 중심원리에 따라 DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 이루어진다. 먼저, DNA의 특정 영역이 주형이 되어 전사 과정을 통해 mRNA가 합성된다. 이때 DNA의 이중 나선이 일시적으로 풀리며, 한쪽 가닥의 염기 서열에 상보적인 RNA 가닥이 만들어진다. 생성된 mRNA는 단일 가닥 구조로, DNA에 저장된 정보를 운반하여 세포질의 리보솜으로 이동한다.

mRNA의 염기 서열 정보는 번역 과정을 통해 단백질의 아미노산 서열로 변환된다. 이 변환은 코돈이라는 세 개의 염기 서열이 특정 아미노산을 지정함으로써 이루어진다. tRNA 분자는 특정 코돈을 인식하는 안티코돈과 해당 아미노산을 결합시킬 수 있는 구조를 가지고 있어, 정확한 번역을 중개한다. rRNA는 리보솜의 구조적 구성 요소이자 효소 역할을 하여 단백질 합성의 장소와 촉매 기능을 제공한다.

이 과정에서 DNA와 RNA의 구조적 차이는 기능적 분업을 반영한다. DNA의 안정한 이중 나선 구조는 장기간 정보를 보관하는 데 적합한 반면, RNA의 단일 가닥 구조와 다양한 2차 구조는 정보의 일시적 운반과 활발한 촉매 작용에 적응한 결과이다.

DNA에 저장된 유전 정보는 단백질 합성이라는 과정을 통해 실제 기능을 하는 단백질로 구현된다. 이 과정은 전사와 번역이라는 두 단계로 나뉘며, 각 단계에서 RNA의 구조가 결정적인 역할을 한다.

전사 단계에서 DNA의 한 가닥이 주형으로 사용되어 상보적인 mRNA가 합성된다. mRNA는 단일 가닥 구조를 가지며, DNA의 염기 서열 정보를 리보솜이라는 단백질 합성 장소로 운반하는 역할을 한다. 특히 진핵생물의 mRNA는 5' 말단에 캡 구조가, 3' 말단에 폴리(A) 꼬리가 존재하여 리보솜과의 결합을 촉진하고 세포질 내에서 분해로부터 보호받는 구조적 특징을 가진다.

번역 단계에서는 mRNA의 염기 서열이 tRNA를 매개로 아미노산 서열로 해독된다. tRNA는 클로버잎 모양의 독특한 2차 구조와 L자형의 3차 구조를 가진다. 이 구조의 한쪽 끝에는 특정 아미노산이 결합하는 부위가, 반대쪽 끝에는 mRNA의 코돈과 상보적으로 결합하는 안티코돈이 위치한다. 이 구조적 특성 덕분에 tRNA는 정확한 아미노산을 리보솜으로 운반할 수 있다. 또한, 리보솜 자체는 rRNA와 단백질의 복합체로, rRNA가 촉매 중심을 형성하여 펩타이드 결합 형성을 매개한다[10].

이처럼 각 RNA 분자의 고유한 구조는 정확하고 효율적인 단백질 합성이라는 생명 현상의 핵심 과정을 가능하게 한다.

X선 결정학은 핵산의 3차원적 구조를 규명하는 데 결정적인 역할을 한 기법이다. 이 방법은 X선을 결정화된 샘플에 조사하여 발생하는 회절 패턴을 분석하여 원자 수준의 구조를 밝혀낸다. 1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA의 이중 나선 구조를 제안하는 데 있어, 로절린드 프랭클린과 모리스 윌킨스가 수행한 X선 회절 실험 데이터가 핵심적 증거로 활용되었다[11].

X선 결정학 실험은 일반적으로 다음과 같은 단계로 진행된다. 먼저, 연구 대상인 DNA나 RNA 단편을 고순도로 정제한 후, 적절한 조건에서 결정을 성장시킨다. 이 결정에 X선을 쬐면, 규칙적인 격자 구조에 의해 X선이 특정 방향으로 회절된다. 이 회절 패턴을 필름이나 디텍터로 기록하면, 원자들의 공간적 배열에 대한 정보를 담은 간접적인 데이터를 얻을 수 있다. 이후 수학적 변환(푸리에 변환)을 통해 회절 패턴으로부터 전자 밀도 지도를 재구성하고, 이를 바탕으로 원자 모델을 조립하여 최종 3차원 구조를 결정한다.

이 기법은 B형 DNA의 표준 구조뿐만 아니라, A형 DNA, Z형 DNA와 같은 변형 구조, 그리고 다양한 RNA의 복잡한 2차 및 3차 구조(예: tRNA의 클로버잎 구조)를 규명하는 데 널리 적용되었다. 그러나 샘플을 결정화해야 한다는 요구사항은 매우 큰 분자나 역동적인 구조를 연구하는 데 한계로 작용하기도 한다.

핵자기 공명 분광법은 핵산의 구조와 역동성을 원자 수준에서 연구하는 강력한 도구이다. 이 방법은 핵자기 공명 현상을 이용하여 분자 내 특정 원자핵, 주로 수소(¹H), 탄소(¹³C), 질소(¹⁵N), 인(³¹P)의 주변 화학 환경을 분석한다. 핵산 샘플을 강한 자기장 안에 놓고 라디오파를 쏘아주면, 핵이 특정 주파수에서 에너지를 흡수하고 방출하는 스펙트럼이 얻어진다. 이 스펙트럼의 피크 위치(화학적 이동), 피크 간 상호작용(스핀-스핀 커플링), 피크 강도는 핵산의 3차원 구조와 분자 내 운동성에 대한 상세한 정보를 제공한다.

X선 결정학이 고정된 결정 구조를 보여주는 반면, 핵자기 공명 분광법은 용액 상태에서의 구조를 분석할 수 있어 생리학적 조건에 더 가까운 정보를 얻을 수 있다. 특히 짧은 올리고뉴클레오타이드, 이형 이중나선, G-쿼드러플렉스나 i-Motif 같은 비표준 2차 구조, 그리고 단백질과의 복합체 연구에 널리 사용된다. 또한, 분자의 유연성, 결합 역학, 그리고 구조 변화를 실시간으로 관찰하는 데 유용하다.

주요 실험 기법으로는 2차원 핵자기 공명이 포함되며, 이를 통해 원자 간의 거리와 각도 정보를 확보할 수 있다. 일반적인 실험 절차는 다음과 같다.

이 방법을 통해 얻은 구조 정보는 DNA와 RNA가 유전 정보 저장 및 전달 외에도 복잡한 조절 기능을 수행하는 데 있어서 구조적 다양성이 얼마나 중요한지 이해하는 데 기여한다.

전자 현미경은 핵산의 구조, 특히 고차 구조와 단백질 복합체를 시각화하는 데 사용되는 강력한 도구이다. 빛의 파장 한계로 인해 고배율에서 해상도가 제한되는 광학 현미경과 달리, 전자 현미경은 전자선을 사용하여 나노미터 수준의 해상도로 생체 분자를 관찰할 수 있다.

주로 사용되는 방법은 투과 전자 현미경과 주사 전자 현미경이다. 핵산 구조 연구에는 주로 투과 전자 현미경이 활용되며, 시료를 초박막으로 처리하여 전자빔을 투과시킨 후 얻은 영상으로 구조를 분석한다. 핵산 시료는 일반적으로 음전하를 띠므로, 양전하를 띤 우라닐 아세테이트 같은 중금속 염으로 염색하여 대비를 높인다. 이 기술은 염색체의 고차 구조, DNA와 단백질의 복합체(예: 염색질, 리보솜), 그리고 DNA의 초나선 구조나 RNA의 2차 구조 형태를 직접 관찰하는 데 유용하다.

최근에는 저온 전자 현미경 기술의 발전이 핵산 연구에 혁명을 가져왔다. 이 방법은 시료를 액체 에탄 등으로 급속 냉동하여 수화된 원생 상태를 유지한 채 고해상도 3차원 재구성을 가능하게 한다. 이를 통해 리보솜, 스플라이스좀 같은 큰 RNA-단백질 복합체의 정밀한 구조가 규명되었다. 전자 현미경은 X선 결정학으로 분석하기 어려운 큰 분자 복합체나 유연한 구조의 연구에 필수적인 보완적 수단이다.