第三节　核酸的理化性质

一、一般理化性质

核酸分子中有酸性基团和碱性基团，为两性电解质。DNA是线性的大分子，具有大分子物质的一般特性。由于DNA分子细长，其在溶液中的黏度很高。RNA分子比DNA短，在溶液中的黏度低于DNA。

核酸分子中的碱基都含有共轭双键，故都有吸收紫外线的性质，其最大吸收峰在260nm附近。这一重要的理化性质被广泛用来对核酸、核苷酸和碱基进行定性、定量分析。在同一浓度的核酸溶液中，单链DNA的吸光度较双链DNA大。

议一议：

利用核酸的理化性质能解决哪些实际问题？

二、DNA的变性和复性

（一）DNA的变性

在某些理化因素（温度、pH、离子强度等）作用下，DNA双链的互补碱基之间的氢键断裂，使DNA双螺旋结构松散，成为单链的现象即为DNA变性。DNA双螺旋结构的稳定性主要靠碱基平面间的疏水堆积力和互补碱基之间的氢键来维持。DNA变性只改变其二级结构，不改变它的核苷酸排列。

在实验室内最常用的使DNA分子变性的方法之一是加热。加热时，DNA双链发生解离，在260nm处的紫外线吸收值增高，此种现象称为增色效应。DNA的热变性是爆发性的，只在很狭窄的温度范围内进行。

如果在连续加热DNA的过程中以温度对紫外光吸收值作图，所得的曲线称为解链曲线，DNA的变性从开始解链到完全解链，是在一个相当狭窄的温度内完成的，在这一范围内，紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为DNA的解链温度，由于这一现象和结晶的熔解过程类似，又称熔解温度（Tm）。在Tm时，核酸分子内50%的双链结构被解开。DNA的Tm值一般在70～85℃之间，如图2－14所示。

图8－14　DNA的解链曲线

DNA的Tm值大小与DNA分子中G、C的含量有关，因为G≡C之间有三个氢键，而A ═T之间只有两个氢键，所以G、C越多的DNA，其分子结构越稳定，Tm值较高，这是因为G与C比A与T之间多一个氢键，解开G与C之间的氢键要消耗更多的能量。

（二）DNA的复性

变性DNA在适宜条件下，两条彼此分开的链经碱基互补可重新形成双螺旋结构，这一过程称为复性。热变性的DNA经缓慢冷却即可复性，这一过程也称为退火。最适宜的复性温度比Tm约低25℃，这个温度叫做退火温度。

DNA的复性速度受温度影响，只有温度缓慢下降才可使其重新配对复性。如加热后，将其迅速冷却至40℃以下，则几乎不能发生复性。这一特性被用来保持DNA的变性状态。一般认为比Tm低25℃的温度是DNA复性的最佳条件。

【知识链接】

DNA指纹技术

每个人身上都拥有一套独一无二的遗传密码，这些密码记录着人体成长的所有信息，除了极少数外，几乎人身上的每一个细胞都含有这套完整的遗传密码。这些密码存在于细胞里的细胞核内，其中23对染色体就是用来储存这些密码的，而这些密码就是由DNA分子所组成。生物个体间的差异本质上就是DNA分子序列的差异，人类不同个体（同卵双生除外）的DNA各不相同。将人基因组DNA经酶切、电泳、分子杂交及放射自显影等处理，可获得检测的杂交图谱，其杂交带数目和分子大小具有个体差异性，这如同一个人的指纹图形一样各不相同。因此，把这种杂交带图谱称为DNA指纹。DNA指纹技术已被广泛应用于法医学如物证检测、亲子鉴定、疾病诊断和肿瘤研究等领域。

三、分子杂交

DNA变性后可以复性，在此过程中，如果使不同DNA单链分子或RNA分子放在同一溶液中，只要两种单链分子之间存在互补碱基，可以进行配对，在合适的条件下（温度及离子强度），可以形成杂化双链。杂化双链可以在DNA与DNA之间，也可以在DNA与RNA之间，或者在RNA与RNA分子之间形成，这就是核酸分子杂交。现代检测手段最新发展出来的基因芯片等最基本的原理就是核酸分子杂交。

小　结

核酸是生物大分子物质，包括DNA和RNA两大类。DNA主要分布于细胞核内，是遗传的物质基础；RNA主要分布于细胞质中，参与基因的表达和蛋白质的生物合成。组成核酸的主要元素中磷的含量相对稳定，因此可以用核酸样品中磷的含量代表核酸的含量。构成DNA的基本单位是脱氧核糖核苷酸，常用dNMP表示，其中N代表A、G、C、T。RNA则由核糖核苷酸构成，常用NMP表示，其中N代表A、G、C、U。

许多核苷酸按一定排列顺序，通过磷酸二酯键连接成的多核苷酸链为核酸的一级结构。DNA的二级结构为双螺旋结构，由两条反向平行的互补脱氧多核苷酸链围绕分子长轴盘曲成螺旋结构，脱氧核糖基和磷酸基位于双螺旋的外侧，碱基位于双螺旋的内侧，两条链之间的碱基有固定的配对关系，即A和T配对，G和C配对，这种特征为DNA复制提供了结构基础。原核生物DNA的三级结构绝大多数是闭链环状的双螺旋分子，进一步螺旋化为麻花状结构，称为超螺旋结构，真核生物DNA的三级结构是在双螺旋基础上盘绕在组蛋白分子上形成的核小体结构，它是染色体的基本单位，可进一步多层次盘曲折叠，压缩为染色体。tRNA的二级结构为三叶草形结构，三叶草形结构进一步折叠成倒L形结构，即为tRNA的三级结构。

变性和复性是DNA的最重要的理化特性之一。变性主要是指DNA分子的双链解开，变成不规则单链的现象。在DNA解链过程中OD₂₆₀增加并与解链程度正相关（增色效应）。50%DNA解链时的温度称为解链温度（Tm值）。复性是指变性DNA的两条单链之间碱基互补，重新恢复天然双链的现象。热变性的DNA经缓慢降温冷却后即可复性，此过程称为“退火”。复性的最佳温度比Tm值约低25℃。

DNA是基因的载体，基因是DNA分子中的功能片段，是生物遗传信息的携带者，是生物遗传的结构和功能单位。为了深入了解人类基因的结构和功能的相互关系，基因和基因的相互关系，也为了寻找人类疾病的相互基因，人们首先从研究DNA的一级结构着手，这就是人类基因组计划。人类基因组是人类所有基因的集合。人类基因组计划是生命科学史上最伟大的工程。