核酸化学第一节 核酸的种类、分布
从1868年瑞士的年青科学家F,Miescher发现核酸起，经过不断的研究证明，核酸(nucleic acid)存在于任何有机体中，包括病毒、细菌、动植物等。核酸是以单核苷酸为基本构成单位的生物高分子。核酸分脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两大类（种类）。
（分布）DNA主要集中在细胞核内。线粒体、叶绿体也含有DNA。RNA主要分布在细胞质中。DNA是遗传物质，是遗传信息的载体。DNA的相对分子质量一般在106以上。DNA分布在染色体内，是染色体的主要成分。原核生物无细胞核，染色体含有一条高度压缩的DNA。真核细胞含不止一条染色体，每个染色体只含一个DNA分子。各种病毒都是核蛋白，其核酸要么是DNA，要么是RNA，至今未发现两者都含有的病毒。DNA的含量很稳定，在真核细胞中,DNA与染色体的数目多少有平行关系，体细胞（双倍体）DNA含量为生殖细胞（单倍体）DNA含量的两倍。DNA在代谢上也比较稳定，不受营养条件、年龄等因素的影响。DNA是遗传信息的载体，遗传信息的传递是通过DNA的自我复制完成的。
RNA在蛋白质生物合成中起重要作用。动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要的RNA：
（1）核糖体RNA（ribosomel RNA，缩写成rRNA） rRNA含量大，占细胞RNA总量的80％左右，是构成核糖体的骨架。核糖体含有大约40％的蛋白质和60％的RNA，由两个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA（原核细胞）：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类（真核细胞）：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。
（2）转运RNA（transfer RNA，缩写成tRNA） tRNA约占细胞RNA的15％。tRNA的相对分子质量较小，在25 000左右，由70～90个核苷酸组成。tRNA在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸的作用。tRNA有许多种，每一种tRNA专门转运一种特定的氨基酸。tRNA除转运氨基酸外，在蛋白质生物合成的起始、DNA的反转录合成及其他代谢调节中都有重要作用。
（3）信使RNA（messenger RNA，缩写成 mRNA） mRNA约占细胞RNA含量的5％。mRNA生物学功能是转录DNA上的遗传信息并指导蛋白质的合成。每一种多肽都有一种特定的mRNA负责编码，因此mRNA的种类很多。
第二节 核酸的组成
核酸的基本构成单位是核苷酸（nucleotide）。核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核苷又是由碱基和戊糖组成的。
核酸中的戊糖有两类：D-核糖（D-nbose）和D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose）。核酸的分类就是根据两种戊糖种类不同而分为RNA和DNA的。
碱基在RNA中主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶，DNA中也有四种碱基，与RNA不同的是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。
表4-1 两种核酸的基本化学组成核酸的成分
DNA
RNA
嘌呤碱
(purine bases)
腺嘌呤(adenine)—A
鸟嘌呤(guanine)—G
腺嘌呤—A
鸟嘌呤—G
嘧啶碱
(pyrimidine bases)
胞嘧啶(cytosine)—C
胸腺嘧啶(thymine)—T
胞嘧啶—C
尿嘧啶(uracil)—U
戊 糖
D-2-脱氧核糖
D-核糖
酸
磷 酸
磷 酸
一、碱基核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。（各碱基的代号要掌握）
1．嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶有三类：胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶。
2．嘌呤碱 嘌呤碱是母体化合物嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤有两类：腺嘌呤和鸟嘌呤。
3．稀有碱基 除以上五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量极少的碱基称为稀有碱基。稀有碱基种类十分多。大多数都是五类基本碱基衍生出的甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基。植物DNA中有相当量的5′-甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体中5′—-羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。
二、核苷
核苷由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的C1与嘧啶碱的N1和嘌呤碱的N9相连接。这种糖与碱基之间的连键是N—C键，称为N-C糖苷键。
核苷中的D-核糖与D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中C1是不对称碳原子，所以有α-及β-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键。核苷的碱基与糖环平面互相垂直。
核苷可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。腺嘌呤核苷、胞嘧啶脱氧核苷的结构如下图（为区别碱基环中的标号，糖环中的碳原子标号用1′，2′，……表示）：
三、核苷酸核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。下面为两种核苷酸的结构式。
生物体内存在的游离核苷酸多是5′-核苷酸。用碱水解RNA时，可得到 2′—核苷酸与3′—核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表4-2。
四、细胞内的游离核苷酸及其衍生物在生物体内以游离形式存在的单核苷酸为核苷-5′-磷酸酯。有一些单核苷酸的衍生物在生物体的能量代谢中起着重要作用。
腺苷一磷酸（AMP或腺苷酸）与1分子磷酸结合成腺苷二磷酸（ADP），腺苷二磷酸再与1分子磷酸结合成腺苷三磷酸（ATP）。
表4-2 常见的核苷酸碱基
核糖核苷酸
脱氧核糖核苷酸
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
尿嘧啶胸腺嘧啶
腺嘌呤核苷酸(adenosine monophosphate.)
鸟嘌呤核苷酸(guanosine monophosphate,GMP)
胞嘧啶核苷酸(cytidine monophosphate,GMP)
尿嘧啶核苷酸(uridine monophosphate,UMP)
脱氧腺嘌呤核苷酸
(deoxyadenosine monophosphate,dAMP)
脱氧鸟嘌呤核苷酸
(deoxyguanosine monophosphat.dGMP)
脱胞嘧啶核苷酸
(deoxycytidine monophosphate,dCMP)
脱氧胸腺嘧啶核苷酸
(deoxythymidine monophosphate,dTMP)
磷酸与磷酸之间的连结键水解裂开时能产生较大能量，叫做高能磷酸键，习惯以～代表它。含～的化合物叫高能化合物。ATP含有两个～。物质代谢所产生的能量使ADP和磷酸合成ATP，这是生物体内贮能的一种方式。ATP分解又释放能量。高能磷酸键水解裂开时，每生成l mol磷酸就放出能量约30.5kJ（一般磷酸酯水解释能8.4～12.5kJ／mol）。放出的能量可以支持生理活动（如肌肉的收缩），也可用以促进生物化学反应（如蛋白质的合成）。所以 ATP是体内蕴藏可利用能的主要仓库，也是体内所需能量的主要来源（能量通币）。
其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化，产生相应的高能磷酸化合物。各种核苷三磷酸化合物（可简写为ATP，CTP，GTP，UTP）实际是体内RNA合成的直接原料。各种脱氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP，dCTP，dGTP和dTTP）是DNA合成的直接原料。它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还参与特殊的代谢过程，如UTP参加磷酯的合成，GTP参加蛋白质和嘌呤的合成等。
此外，在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ，NAD）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅酶。
近年来，对3′，5′-环腺苷酸（cAMP或环腺一磷）的作用有了新的认识。cAMP在体内由ATP转化而来，是与激素作用密切相关的代谢调节物。cAMP具有如上结构式：
类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。
第三节 核酸的分子结构
一、脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构
1．DNA的一级结构
DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3′，5′-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。由于脱氧核糖中C2上不含羟基，C1又与碱基相连接，所以唯一可以形成的键是3′，5′-磷酸二酯键。故DNA没有侧链。 图4-1表示DNA多核苷酸链的一个小片段。
图的右侧是多核苷酸的几种缩写法。B为线条式缩写，竖线表示核糖的碳链，A、C、T、G表示不同的碱基，P代表磷酸基，由P引出的斜线一端与C3′相连，另一端与C5相连。C为文字式缩写，P在碱基之左侧，表示P在C5′位置上。P在碱基之右侧，表示P与C3′相连接。有时，多核苷酸中磷酸二酯键上的P也可省略，而写成…PA—C—T—G…。这两种写法对DNA和RNA分子都适用。
2．DNA的二级结构
DNA的双螺旋结构模型是Watson和 Crick于1953年提出的。后人的许多工作证明这个模型基本上是正确的。Watson和Crick所用的资料来自在相对湿度为92％时所得到的DNA钠盐纤维。这种DNA称为B型DNA（B-DNA）。在相对湿度低于75％时获得的DNA钠盐纤维，其结构有所不同，称为A-DNA。此外还有Z-DNA将在后面讨论。这里我们将详细讨论B-DNA。
（1）双螺旋结构模型的主要依据 X光衍射数据：Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X光衍射图谱．这说明DNA可能有共同的分子模型。X光衍射数据说明DNA含有2条或2条以上具有螺旋结构的多核苷酸链。
关于碱基成对的证据：Chargaff等应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行了分析，发现DNA中的腺嘌呤的数目与胸腺嘧啶的数目相等，胞嘧啶（包括5-甲基胞嘧啶）的数目和鸟嘌呤的数目相等（表4-3）。后来又有人证明腺嘌呤和胸腺嘧啶之间可以生成两个氢键；而胞嘧啶和鸟嘌呤之间可以允许生成三个氢键。
表4-3 不同来源DNA的碱基组成
来 源
碱基的相对含量(摩尔％)
来 源
碱基的相对含量(摩尔%)
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶*
胸腺嘧啶
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
人
30.9
19.9
19.8
29.4
扁豆
29.7
20.6
20.1
29.6
牛胸腺
28.2
21.5
22.5
27.8
酵母
31.3
18.7
17.1
32.9
牛 脾
27.9
22.7
22.1
27.3
大肠杆菌
24.7
26.0
25.7
23.6
牛精子
28.7
22.2
22.0
27.2
金黄色葡萄球菌
30.8
21.0
19.0
29.2
大鼠(骨髓)
28.6
21.4
21.5
28.4
结核分枝杆菌
15.1
34.9
35.4
14.6
母鸡
28.8
20.5
21.5
29.2
φ×174(单链)
24.6
24.1
18.5
32.7
蚕
28.6
22.5
21.9
27.2
φ×174(复制型)
26.3
22.3
22.3
26.4
小麦(胚)
27.3
22.7
22.8
27.1
噬菌体λ
21.3
28.6
27.2
22.9
*包括5-甲基胞嘧啶。
电位滴定行为：用电位滴定法证明，DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的氨基和一NH—CO一则不能滴定，它们是用氢键连结的。
（2）B-DNA双螺旋结构模型的要点
A、DNA分子是由两条反向平行互补的多核苷酸链构成的，一条链的方向是5′→3′，另一条链则是3′→5′。
B、两条链的糖一磷酸主链都是右手螺旋,有一共同的螺旋轴。螺旋表面有一条大沟和一条小沟。
C、两条链的碱基在内侧，糖一磷酸主链在外侧，两条链由碱基间的氢键相连。
D、双螺旋直径为2nm。碱基对的平面约与螺旋轴垂直，相邻碱基对平面间的距离（碱基堆积距离）是0.34nm。相邻核苷酸彼此相差36°。双螺旋的每一转有10对核苷酸，每转高度为3.4 nm。
E、碱基成对有一定规律，腺嘌呤一定与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤一定与胞嘧啶成对。因此有四种可能的碱基对，即A—T，T—A，G—C和C—G。A和T间构成二个氢键，G和C间构成三个氢键。
由于四种碱基对都适合此模型，每条链可以有任意的碱基顺序，但由于碱基成对的规律性，如一条链的碱基顺序已确定，则另一条链必有相对应的碱基顺序。两条链的碱基组成和排列顺序并不一定相同。
大多数天然DNA具有双链结构。某些小细菌病毒如φX174和M13的DNA是单链分子。
DNA双螺旋模型最主要的成就是引出“互补”（碱基配对）概念。根据碱基互补原则，当一条多核苷酸的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列。碱基互补原则具有极其重要的生物学意义。DNA复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补。
（3）双螺旋结构的稳定性 DNA双螺旋结构在生理状态下是很稳定的。A、维持这种稳定性的主要因素是碱基堆积力（base stacking force）。嘌呤与嘧啶形状扁平，呈疏水性，分布于双螺旋结构内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开。其次，大量存在于DNA分子中的其他弱键在维持双螺旋结构的稳定上也起一定作用。这些弱键包括：B、互补碱基对间的氢键；C、磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键；D、范德华引力（vander Waal'sforce）。
图4-2 DNA分子双螺旋结构模型（a）及其图解（b）
（4）DNA双螺旋的不同类型
A-DNA的结构：在相对湿度为75％以下所获得的DNA纤维的X光衍射分析资料表明，这种DNA纤维具有不同于B-DNA的结构特点，称为A-DNA。A-DNA也是由反向的两条多核苷酸链组成的双螺旋，也为右手螺旋，但是螺体较宽而短，碱基对与中心轴之倾角也不同，呈19o。RNA分子的双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链也具有与A-DNA相似的结构。RNA分子由于在糖环上有2′-OH存在，从空间结构上说不可能形成B-型结构。
Z-DNA分子的结构：除了A-DNA和B-DNA以外，自然界中还发现有一种Z-DNA。A．Rich在研究CGCGCG寡聚体的结构时发现了这类DNA。虽然CGCGCG在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋，所以这种DNA称为左旋DNA。那么Z-DNA的名称是从何而来的呢？在CGCGCG晶体中，（图磷酸基在多核苷酸骨架上的分布为Z字形4-3）。所以也称它为Z-DNA。Z-DNA只有一条大沟，而无小沟。
天然B-DNA的局部区域可以出现Z-DNA结构，说明B-DNA与Z-DNA之间是可以互相转变的。目前仍然不清楚Z-DNA究竟具有何种生物学功能。
表4-4中比较了A-DNA、B-DNA、Z-DNA的一些主要特性。
表4-4 A-DNA，B-DNA和Z-DNA的比较比较项
螺旋类型
A
B
Z
外形每对碱基之距离螺旋直径螺旋方向糖苷键构型每匝螺旋碱基对数目螺距碱基对与中心轴之倾角大沟小沟
粗短
0.23nm
2.55nm
右手反式
11
2.46nm
19°
狭，很深很宽，浅
适中
0.34nm
2.37nm
右手反式
10.4
3.32nm
1°
宽，深狭，很深
细长
0.38nm
1.84nm
左手
C、T反式，G顺式
12
4.56nm
9°
平坦很狭，深
3．DNA的三级结构
双链DNA多数为线形，少数为环形。
某些小病毒、线粒体、叶绿体以及某些细菌中的DNA为双链环形。在细胞内．这些环形DNA进一步扭曲成“超螺旋”的三级结构，如图4-4。
真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子。染色质DNA的结构极其复杂。双螺旋DNA先盘绕组蛋白形成核粒（超螺旋），许多核粒（或称核小体）由DNA链连在一起构成念珠状结构，念珠状结构进一步盘绕成更复杂更高层次的结构。据估算，人的DNA大分子在染色质中反复折叠盘绕，共压缩8 000～10 000倍。
二、核糖核酸（RNA）的分子结构
RNA也是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是核糖。RNA分子中也还有某些稀有碱基。图4-5为RNA分子中的一小段以示RNA之结构。
组成RNA的核苷酸也是以3′,5′-磷酸二酯键彼此连接起来的。尽管RNA分子中核糖环C′2上有一羟基，但并不形成2′,5′-磷酸二酯键。用牛脾磷酸二酯酶降解天然RNA时，降解产物中只有3′-核苷酸，并无2′-核苷酸，就支持了上述结论。
天然RNA并不像DNA那样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。这些双链结构是由于RNA单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇形成氢键结合而成的，同时形成双螺旋结构。不能配对的区域形成突环（loop），被排斥在双螺旋结构之外，如图4-6。RNA中的双螺旋结构为 A-DNA类型的结构。每一段双螺旋区至少需要有4～6对碱基才能保稳定。一般说来，双螺旋区约占RNA分子的50％。
1．RNA的类型动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要RNA，即核糖体RNA （rRNA）、转运RNA（tRNA）、信使RNA（mRNA）。表4-5中列出了大肠杆菌中三类RNA的主要特性。此外，真核细胞中还有少量核内小RNA（small nuclear RNA，缩写成snRNA）。
2．mRNA的结构真核细胞mRNA的结构有某些特点：
A、极大多数真核细胞mRNA在3′-末端有一段长约200个核苷酸的polyA（Polyade nylicacid）。PolyA是在转录后经PolyA聚合酶的作用而添加上去的。polyA聚合酶对mRNA专一，也不作用于rRNA和tRNA。原核生物的mRNA一般无3′-polyA，但某些病毒mRNA也有3′-polyA。polyA可能有多方面功能：与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关；新合成的mRNA，polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。
图4-5 RNA分子中一小段结构 图4-6 RNA分子自身回折
形成双螺旋区表4-5 大肠杆菌中的RNA
RNA类型
相对含量％
沉降系数/S
相对分子质量
分子长度/个核苷酸
rRNA
tRNA
mRNA
80
15
5
23
16
5
4
－
1.2×103
0.55×103
3.6×101
2.5×101
变化范围大
3700
1700
120
75
－
B、真核细胞mRNA5′-末端还有一个特殊的结构：3′- mG5′- Nm- 3′-P，称为5′-帽子（cap）。5′-末端的鸟嘌呤N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5′,5′-磷酸二酯键。这种结构有抗5′-核酸外切酶降解的作用。目前认为5′-帽子可能与蛋白质合成的正确起始作用有关，它可能协助核糖体与mRNA相结合，使翻译作用在AUG起始密码子处开始。某些真核细胞病毒也有5′-帽子结构。
3．tRNA的二级结构和三级结构
细胞内tRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA。许多tRNA的一级结构早就被阐明，tRNA的二级结构和三级结构也比较清楚。
（1）相对分子质量在2.5万左右，由70～90？（50-95）个核苷酸组成，沉降系数在4S左右；
（2）碱基组成中有较多的稀有碱基；
（3）3′-末端都为…CPCPAOH，用来接受活化的氨基酸，所以这个末端称为接受末端；
（4）5′末端大多为PG…，也有PC…的；
（5）tRNA的二级结构都呈三叶草形，如图4-7。双螺旋区构成了叶柄，突环区好像是三叶草的三片小叶。由于双螺旋结构所占比例甚高，tRNA的二级结构十分稳定。三叶草形结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和Tψ环等五个部分组成。
氨基酸臂（amino acid arm）由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为一CCA，接受活化的氨基酸。
二氢尿嘧啶环（dihydrouridine loop）由8～12个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。通过由3～4对碱基组成的双螺旋区（也称二氢尿嘧啶臂）与tRNA分子的其余部分相连。
反密码环（anticodon loop）
由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（也称肌苷酸，缩写成I）常出现于反密码子中。反密码环通过由5对碱基组成的双螺旋区（反密码臂）与tRNA的其余部分相连。
额外环（extra loop）由3～18个核苷酸组成。不同的tRNA具有不同大小的额外环，所以是tRNA分类的重要指标。
假尿嘧啶核苷一胸腺嘧啶核糖核苷环（Tφ臂）与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tRNA在此环中都含有Tφ。
（6）tRNA的三级结构 tRNA三级结构的形状像一个倒写的字母L（如图4-8）。Kim（1973）和Robertus（1974）应用X光衍射分析法对tRNA晶体进行研究，并先后阐明了tRNA的三级结构。
4．rRNA的结构
rRNA含量大，占细胞RNA总量的80％左右，是构成核糖体的骨架。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA，5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类；5Sr-RNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。图4-9为大肠杆菌5SrRNA的结构。
核酸的某些理化性质及分离提纯一、一般性质
1．溶解度
DNA和RNA均微溶于水，它们的钠盐在水中的溶解度较大．DNA和RNA均能溶于2-甲氧乙醇，但不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，所以在分离核酸时，加入乙醇即可使之从溶液中沉淀出来。
2．分子大小、形状和粘度
大多数DNA为线形分子，分子极不对称，其长度可以达到几个厘米，而分子的直径只有2nm。因此DNA溶液的粘度极高。RNA溶液的粘度要小得多。
3．沉降特性
溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉。不同构象的核酸（线形、开环、超螺旋结构），蛋白质及其他杂质，在超离心机的强大引力场中，沉降的速率有很大差异，所以可以用超离心法纯化核酸或将不同构象的核酸进行分离，也可以测定核酸的沉降常数与分子量。
用不同介质组成密度梯度进行超离心分离核酸时，效果较好。RNA分离常用蔗糖梯度。分离DNA时用得最多的是氯化铯梯度。氯化铯在水中有很大溶解度，可以制成浓度很高（80mol／L）的溶液。
应用啡淀嗅红—氯化铯密度梯度平衡超离心，很容易将不同构象的DNA、RNA及蛋白质分开。这个方法是目前实验室中纯化质粒DNA时最常用的方法。如果应用垂直转头，每分钟65 000r（Beckman L-70超离心机），只要6h就可以完成分离工作。但是如果采用角转头，转速为每分钟45 000r时，则需36h。离心完毕后，离心管中各种成分的分布可以在紫外光照射下显示得一清二楚（如图4-10）。蛋白质漂浮在最上面，RNA沉淀在底部。超螺旋DNA沉降较快，开环及线形DNA沉降较慢。用注射针头从离心管侧面在超螺旋DNA区带部位刺入，收集这一区带的DNA。用异戊醇抽提收集到的DNA以除去染料，然后透析除去CsCl，再用苯酚抽提1～2次，即可用乙醇将DNA沉淀出来。这样得到的DNA有很高的纯度，可供DNA重组、测定序列及限制酶图谱等之用。在少数情况下，需要特别纯的DNA时，可以将此DNA样品再进行一次氯化铯密度梯度超离心分离。
二、凝胶电泳
凝胶电泳可算是当前核酸研究中最常用的方法了。它有简单、快速、灵敏、成本低等优点。常用的凝胶电泳有琼脂糖（agarose）凝胶电泳和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）凝胶电泳。凝胶电泳可以在水平或垂直的电泳槽中进行。凝胶电泳兼有分子筛和电泳双重效果，所以分离效率很高。
1．琼脂糖凝胶电泳
以琼脂糖为支持物，电泳的迁移率决定于以下因素：
（1）核酸分子大小 迁移率与分子量对数成反比；
（2）胶浓度 迁移率与胶浓度成反比，常用1％的胶分离DNA；
（3）DNA的构象 一般条件下超螺旋DNA的迁移率最快，线形DNA其次，开环形最慢。但在胶中加入过多的啡啶溴红时，上述分布次序会发生改变；
（4）电流 一般不大于5V/cm。有适当的电压差时，迁移率与电流大小成正比；
（5）碱基组成 有一定影响，但影响不大；
（6）温度 4～30℃都可，常为室温。
琼脂糖凝胶电泳常用于分析DNA。由于琼脂糖制品中往往带有核糖核酸酶杂质，因此用于分析RNA时，必须加入蛋白质变性剂，如甲醛等。图4-10为分离后DNA与各种杂质的分布。
电泳完毕后，将胶在荧光染料啡啶溴红的水溶液中染色（0.5μg／ml）。啡啶溴红为一扁平分子，很易插入DNA的碱基对之间。DNA与啡啶溴红结合后，经紫外光照射，可发射出红—橙色可见荧光。0.1μgDNA即可用此法检出，所以此法十分灵敏。根据荧光强度可以大体判断DNA样品的浓度。若在同一胶上加一已知其浓度的DNA作参考，则所测得的样品浓度更为准确。可以用灵敏度很高的负片将凝胶上所呈现的电泳图谱在紫外光照射下拍摄下来，作进一步分析与长期保留之用。
应用凝胶电泳可以正确地测定DNA片段的分子大小。
实用的方法是在同一胶上加一已知相对分子质量的样品（如图4-11中的λDNA／HindIII的片段）。电泳完毕后，经啡啶溴红染色、照相，从照片上比较待测样品中的DNA片段与标准作品中的哪一条带最接近，即可推算出未知样品中各片段的大小。最常用的方法是将胶上某一区带在紫外光照射下切割下来，将切下的胶条放在透析袋中，装上电泳液，在水平电泳槽中进行电泳，让胶上的DNA释放出来并进一步粘在透析袋内壁上，电泳3～4h后，将电极倒转，再通电30～60s，粘在壁上的DNA重又释放到缓冲液中。取出透析袋内的缓冲液（丢弃胶条），用苯酚抽提1～2次，水相用乙醇沉淀。这样回收的DNA纯度很高，可供进一步进行限制酶分析、序列分析或作末端标记。回收率在50％以上。
2．聚丙烯酰胺凝胶电泳以聚丙烯酰胺作支持物。单体丙烯酰胺在加入交联剂后就成了聚丙烯酰胺。由于这种凝胶的孔径比琼脂糖胶的要小，所以可用于分析小于1000bp的DNA片段。聚丙烯酰胺中一般不含有RNase，所以可用于RNA的分析。
聚丙烯酰胺凝胶上的核酸样品，经啡啶溴红染色，在紫外光照射下，发出的荧光很弱，所以浓度很低的核酸样品用此法检测不出来。
三、核酸的紫外吸收嘌呤碱与嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240～290 nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，最大吸收值在260 nm附近。不同核苷酸有不同的吸收特性。所以可以用紫外分光光度计加以定量及定性测定。
实验室中最常用的是定量测定少量的DNA或RNA。检验待测样品是否纯品可用紫外分光光度计读出260 nm与280 nm的OD值，从OD260／OD280的值即可判断样品的比纯度。纯DNA的OD260／OD280应为1.8，纯RNA的应为2.0。样品中如含有杂蛋白及苯酚，OD260／OD280的值即明显降低。不纯的样品不能用紫外吸收法作定时测定。对于纯的样品，只要读出260nm的OD值即可算出含量。通常按1OD值相当于50μg／ml双螺旋DNA，或40μg／ml单螺旋DNA（或RNA），或20μg／ml寡核苷酸计算。这个方法既快速又准确，而且不会浪费样品。对于不纯的核酸可以用琼脂糖凝胶电泳分离出区带后，经啡啶溴红染色而粗略地估计其含量。图4-12为DNA的紫外吸收光谱。
四、核酸的变性、复性和分子杂交
高温、酸、碱以及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键，使之断裂，核酸中的双螺旋区变成单链，并不涉及共价键的断裂，这一过程称为核酸的变性。
当将DNA的稀盐溶液加热到80～l00℃时，双螺旋结构即发生解体，两条链分开，形成无规线团（如图4-13）,一系列理化性质也随之发生改变：260 nm区紫外吸收值升高，粘度降低，浮力密度升高，同时改变二级结构，有时可以失去部分或全部生物活性。DNA的变性的特点是爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内。
增色效应—DNA从天然状态转变为变性状态其溶液的A260值增加，称之为增色效应。
减色效应—当变性的呈单链状态的DNA，经复性又重新形成双螺旋结构时，其溶液的A260值则减小，最多可减小至变性前的A260值，这种现象则称为减色效应。引致减色效应的原因是碱基状态的改变，DNA复性后其碱基又重新埋藏于双螺旋内部，碱基对又呈堆积状态，这样就使碱基吸收紫外光的能力减弱。
图4-13 DNA的变性过程通常把DNA的双螺旋结构失去一半时的温度称为该DNA的熔点或熔解温度（melting temperature），用Tm表示。DNA的Tm值一般在70～85℃之间（如图4-14）。
DNA的Tm值大小与下列因素有关：
（１）DNA的均一性 均一性愈高的样品，熔解过程愈是发生在一个很小的温度范围内。
（２）G—C之含量 G—C含量越高，Tm值越高，成正比关系，如图4-15。这是G—C对比A—-T对更为稳定的缘故。所以测定Tm值可推算出G—C对的含量。其经验公式为：
G—C（％）＝（Tm－69.3）×2.44
（３）介质中的离子强度一般说来，在离子强度较低的介质中，DNA的熔解温度较低，熔解温度的范围也较窄。而在较高的离子强度的介质中，情况则相反。所以DNA制品应保存在较高浓度的缓冲液中或溶液中，故常在1 mol／L的NaCl中保存。
RNA分子中有局部的双螺旋区，所以RNA也可发生变性，但Tm值较低，变性曲线也不那么陡。
变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，许多物理化学性质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。热变性DNA的两条互补单链，在缓慢冷却的条件下可重新结合恢复双螺旋结构，这种复性又称为退火。
将不同来源的DNA放在试管里，经热变性后，慢慢冷却，让其复性，若这些异源DNA之间在某些区域有相同的序列，则复性时，会形成杂交DNA分子。DNA与互补的RNA之间也可以发生杂交。核酸的杂交在分子生物学和分子遗传学的研究中应用极广，许多重大的分子遗传学问题都是用分子杂交来解决的。
核酸杂交可以在液相或固相上进行。目前实验室中应用最广的是用硝酸纤维素膜作支持物进行的杂交。英国的分子生物学家E,M,Southern所发明的Southern印迹法（Sonthern
blotting）就是将凝胶上的DNA片段转移到硝酸纤维素膜上后，再进行杂交的。这里以DNA-DNA杂交为例，较详细地介绍Southern印迹法。将DNA样品经限制性内切酶降解后，用琼脂糖凝胶电泳进行分离。将胶浸泡在碱（NaOH）中使DNA进行变性，然后将变性DNA转移到硝酸纤维素膜上（硝酸纤维素膜只吸附变性DNA），在80℃烤4～6h，使DNA牢固地吸在纤维素膜上。然后与放射性同位素标记的变性后的DNA，探针进行杂交。杂交须在较高的盐浓度及适当的温度（一般为68℃）下进行数小时或十余小时，然后通过洗涤除去未杂交上的标记物。将纤维素膜烘干后进行放射自显影。
除了DNA外，RNA也可用作探针（Probe）。用32P标记核酸时（用作探针），可以在3′或 5′末端标记，也可采用均匀标记。
应用类似的方法也可分析RNA，即将RNA变性后转移到纤维素膜上再进行杂交。这种方法称为Northern印迹法（Northern blotting）。用类似的方法，根据抗体与抗原可以结合的原理，也可以分析蛋白质。这个方法称为Western印迹法（Western blotting）。
应用核酸杂交技术，可以将含量极少的真核细胞基因组中的单拷贝基因钓出来。
五.核酸的酸解和碱解核酸在酸、碱或酶的作用下，发生共价键断裂，多核苷酸链被打断，分子量变小，这种过程称为降解。核酸的酶促降解可参阅第十章。下面简要讨论酸和碱对核酸的降解作用。
（一）酸解 酸对核酸的作用因酸的浓度、温度和作用时间长短而不同。用温和的或稀的酸作短时间处理，DNA和RNA都不发生降解。但延长处理时间或提高温度，或提高酸的强度，则会使核酸中的部分糖苷键发生水解，先是嘌呤碱基被水解下来，生成无嘌呤的核酸，同时少数磷酸二酯键也发生水解，使链断裂。若用中等强度的酸在100℃下处理数小时，或用较浓的酸（如2～6mol/LHCL） 处理，则可使嘧啶碱基水解下来，更多的磷酸二酯键断裂，核酸降解程度增加。
（二）碱解 RNA在稀碱条件下很容易水解生成2’-核苷酸和3’-核苷酸。因为RNA中的核糖具有2’-OH，在碱催化下3’,5’-磷酸二酯键断裂，先形成中间物2’-3’环核苷酸，它不稳定而进一步水解，生成2’-核苷酸和3’-核苷酸混合物。反应过程如下：
RNA碱解所用的KOH（或NaOH）的浓度可因温度和作用时间而不同，如1mol/LKOH（或NaOH）在80℃下作用1h，或0.3mol/L KOH（或NaOH）在 37℃下作用16 h均可以使RNA水解成单核苷酸。
在上述同样的稀碱条件下，DNA是稳定的，不会被水解成单核苷酸，因为DNA中的脱氧核糖没有2’-OH，不能形成2’-3’环核苷酸。DNA在碱的作用下，只发生变性，不发生磷酸二酯键的水解。
根据碱对DNA和RNA的不同作用，可用碱解法从RNA制取2’-和3’-核苷酸；用碱处理DNA和RNA混合液，使RNA水解成单核苷酸保留在溶液中，再把DNA从溶液中沉淀下来，分别进行定量测定。
从1868年瑞士的年青科学家F,Miescher发现核酸起，经过不断的研究证明，核酸(nucleic acid)存在于任何有机体中，包括病毒、细菌、动植物等。核酸是以单核苷酸为基本构成单位的生物高分子。核酸分脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)和核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）两大类（种类）。
（分布）DNA主要集中在细胞核内。线粒体、叶绿体也含有DNA。RNA主要分布在细胞质中。DNA是遗传物质，是遗传信息的载体。DNA的相对分子质量一般在106以上。DNA分布在染色体内，是染色体的主要成分。原核生物无细胞核，染色体含有一条高度压缩的DNA。真核细胞含不止一条染色体，每个染色体只含一个DNA分子。各种病毒都是核蛋白，其核酸要么是DNA，要么是RNA，至今未发现两者都含有的病毒。DNA的含量很稳定，在真核细胞中,DNA与染色体的数目多少有平行关系，体细胞（双倍体）DNA含量为生殖细胞（单倍体）DNA含量的两倍。DNA在代谢上也比较稳定，不受营养条件、年龄等因素的影响。DNA是遗传信息的载体，遗传信息的传递是通过DNA的自我复制完成的。
RNA在蛋白质生物合成中起重要作用。动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要的RNA：
（1）核糖体RNA（ribosomel RNA，缩写成rRNA） rRNA含量大，占细胞RNA总量的80％左右，是构成核糖体的骨架。核糖体含有大约40％的蛋白质和60％的RNA，由两个大小不同的亚基组成，是蛋白质生物合成的场所。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA（原核细胞）：5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类（真核细胞）：5SrRNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。
（2）转运RNA（transfer RNA，缩写成tRNA） tRNA约占细胞RNA的15％。tRNA的相对分子质量较小，在25 000左右，由70～90个核苷酸组成。tRNA在蛋白质的生物合成中具有转运氨基酸的作用。tRNA有许多种，每一种tRNA专门转运一种特定的氨基酸。tRNA除转运氨基酸外，在蛋白质生物合成的起始、DNA的反转录合成及其他代谢调节中都有重要作用。
（3）信使RNA（messenger RNA，缩写成 mRNA） mRNA约占细胞RNA含量的5％。mRNA生物学功能是转录DNA上的遗传信息并指导蛋白质的合成。每一种多肽都有一种特定的mRNA负责编码，因此mRNA的种类很多。
第二节 核酸的组成
核酸的基本构成单位是核苷酸（nucleotide）。核苷酸是由核苷和磷酸组成的。而核苷又是由碱基和戊糖组成的。
核酸中的戊糖有两类：D-核糖（D-nbose）和D-2-脱氧核糖（D-2-deoxyribose）。核酸的分类就是根据两种戊糖种类不同而分为RNA和DNA的。
碱基在RNA中主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶，DNA中也有四种碱基，与RNA不同的是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。
表4-1 两种核酸的基本化学组成核酸的成分
DNA
RNA
嘌呤碱
(purine bases)
腺嘌呤(adenine)—A
鸟嘌呤(guanine)—G
腺嘌呤—A
鸟嘌呤—G
嘧啶碱
(pyrimidine bases)
胞嘧啶(cytosine)—C
胸腺嘧啶(thymine)—T
胞嘧啶—C
尿嘧啶(uracil)—U
戊 糖
D-2-脱氧核糖
D-核糖
酸
磷 酸
磷 酸
一、碱基核酸中的碱基分两类：嘧啶碱和嘌呤碱。（各碱基的代号要掌握）
1．嘧啶碱 嘧啶碱是母体化合物嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶有三类：胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶。
2．嘌呤碱 嘌呤碱是母体化合物嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤有两类：腺嘌呤和鸟嘌呤。
3．稀有碱基 除以上五类基本的碱基外，核酸中还有一些含量极少的碱基称为稀有碱基。稀有碱基种类十分多。大多数都是五类基本碱基衍生出的甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基。植物DNA中有相当量的5′-甲基胞嘧啶。在一些大肠杆菌噬菌体中5′—-羟甲基胞嘧啶代替了胞嘧啶。
二、核苷
核苷由戊糖和碱基缩合而成，并以糖苷键相连接。糖环上的C1与嘧啶碱的N1和嘌呤碱的N9相连接。这种糖与碱基之间的连键是N—C键，称为N-C糖苷键。
核苷中的D-核糖与D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。糖环中C1是不对称碳原子，所以有α-及β-两种构型。但核酸分子中的糖苷键均为β-糖苷键。核苷的碱基与糖环平面互相垂直。
核苷可分为核糖核苷和脱氧核糖核苷两大类。腺嘌呤核苷、胞嘧啶脱氧核苷的结构如下图（为区别碱基环中的标号，糖环中的碳原子标号用1′，2′，……表示）：
三、核苷酸核苷酸是核苷的磷酸脂。核苷酸可分为核糖核苷酸与脱氧核糖核苷酸两大类。下面为两种核苷酸的结构式。
生物体内存在的游离核苷酸多是5′-核苷酸。用碱水解RNA时，可得到 2′—核苷酸与3′—核苷酸的混合物。常见的核苷酸列于表4-2。
四、细胞内的游离核苷酸及其衍生物在生物体内以游离形式存在的单核苷酸为核苷-5′-磷酸酯。有一些单核苷酸的衍生物在生物体的能量代谢中起着重要作用。
腺苷一磷酸（AMP或腺苷酸）与1分子磷酸结合成腺苷二磷酸（ADP），腺苷二磷酸再与1分子磷酸结合成腺苷三磷酸（ATP）。
表4-2 常见的核苷酸碱基
核糖核苷酸
脱氧核糖核苷酸
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
尿嘧啶胸腺嘧啶
腺嘌呤核苷酸(adenosine monophosphate.)
鸟嘌呤核苷酸(guanosine monophosphate,GMP)
胞嘧啶核苷酸(cytidine monophosphate,GMP)
尿嘧啶核苷酸(uridine monophosphate,UMP)
脱氧腺嘌呤核苷酸
(deoxyadenosine monophosphate,dAMP)
脱氧鸟嘌呤核苷酸
(deoxyguanosine monophosphat.dGMP)
脱胞嘧啶核苷酸
(deoxycytidine monophosphate,dCMP)
脱氧胸腺嘧啶核苷酸
(deoxythymidine monophosphate,dTMP)
磷酸与磷酸之间的连结键水解裂开时能产生较大能量，叫做高能磷酸键，习惯以～代表它。含～的化合物叫高能化合物。ATP含有两个～。物质代谢所产生的能量使ADP和磷酸合成ATP，这是生物体内贮能的一种方式。ATP分解又释放能量。高能磷酸键水解裂开时，每生成l mol磷酸就放出能量约30.5kJ（一般磷酸酯水解释能8.4～12.5kJ／mol）。放出的能量可以支持生理活动（如肌肉的收缩），也可用以促进生物化学反应（如蛋白质的合成）。所以 ATP是体内蕴藏可利用能的主要仓库，也是体内所需能量的主要来源（能量通币）。
其他单核苷酸可以和腺苷酸一样磷酸化，产生相应的高能磷酸化合物。各种核苷三磷酸化合物（可简写为ATP，CTP，GTP，UTP）实际是体内RNA合成的直接原料。各种脱氧核苷三磷酸化合物（可简写为dATP，dCTP，dGTP和dTTP）是DNA合成的直接原料。它们在连接起来构成核酸大分子的过程中脱去“多余”的二分子磷酸。有些核苷三磷酸还参与特殊的代谢过程，如UTP参加磷酯的合成，GTP参加蛋白质和嘌呤的合成等。
此外，在生物体内还有一些参与代谢作用的重要核苷酸衍生物，如尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶Ⅰ，NAD）、尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（辅酶Ⅱ，NADP）、黄素单核苷酸（FMN）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）等与生物氧化作用的关系很密切，是重要的辅酶。
近年来，对3′，5′-环腺苷酸（cAMP或环腺一磷）的作用有了新的认识。cAMP在体内由ATP转化而来，是与激素作用密切相关的代谢调节物。cAMP具有如上结构式：
类似的化合物还有环鸟一磷(cGMP)和环胞一磷(cCMP)。
第三节 核酸的分子结构
一、脱氧核糖核酸（DNA）的分子结构
1．DNA的一级结构
DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸，即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸，通过3′，5′-磷酸二酯键连接起来的直线形或环形多聚体。由于脱氧核糖中C2上不含羟基，C1又与碱基相连接，所以唯一可以形成的键是3′，5′-磷酸二酯键。故DNA没有侧链。 图4-1表示DNA多核苷酸链的一个小片段。
图的右侧是多核苷酸的几种缩写法。B为线条式缩写，竖线表示核糖的碳链，A、C、T、G表示不同的碱基，P代表磷酸基，由P引出的斜线一端与C3′相连，另一端与C5相连。C为文字式缩写，P在碱基之左侧，表示P在C5′位置上。P在碱基之右侧，表示P与C3′相连接。有时，多核苷酸中磷酸二酯键上的P也可省略，而写成…PA—C—T—G…。这两种写法对DNA和RNA分子都适用。
2．DNA的二级结构
DNA的双螺旋结构模型是Watson和 Crick于1953年提出的。后人的许多工作证明这个模型基本上是正确的。Watson和Crick所用的资料来自在相对湿度为92％时所得到的DNA钠盐纤维。这种DNA称为B型DNA（B-DNA）。在相对湿度低于75％时获得的DNA钠盐纤维，其结构有所不同，称为A-DNA。此外还有Z-DNA将在后面讨论。这里我们将详细讨论B-DNA。
（1）双螺旋结构模型的主要依据 X光衍射数据：Wilkins和Franklin发现不同来源的DNA纤维具有相似的X光衍射图谱．这说明DNA可能有共同的分子模型。X光衍射数据说明DNA含有2条或2条以上具有螺旋结构的多核苷酸链。
关于碱基成对的证据：Chargaff等应用层析法对多种生物DNA的碱基组成进行了分析，发现DNA中的腺嘌呤的数目与胸腺嘧啶的数目相等，胞嘧啶（包括5-甲基胞嘧啶）的数目和鸟嘌呤的数目相等（表4-3）。后来又有人证明腺嘌呤和胸腺嘧啶之间可以生成两个氢键；而胞嘧啶和鸟嘌呤之间可以允许生成三个氢键。
表4-3 不同来源DNA的碱基组成
来 源
碱基的相对含量(摩尔％)
来 源
碱基的相对含量(摩尔%)
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶*
胸腺嘧啶
腺嘌呤
鸟嘌呤
胞嘧啶
胸腺嘧啶
人
30.9
19.9
19.8
29.4
扁豆
29.7
20.6
20.1
29.6
牛胸腺
28.2
21.5
22.5
27.8
酵母
31.3
18.7
17.1
32.9
牛 脾
27.9
22.7
22.1
27.3
大肠杆菌
24.7
26.0
25.7
23.6
牛精子
28.7
22.2
22.0
27.2
金黄色葡萄球菌
30.8
21.0
19.0
29.2
大鼠(骨髓)
28.6
21.4
21.5
28.4
结核分枝杆菌
15.1
34.9
35.4
14.6
母鸡
28.8
20.5
21.5
29.2
φ×174(单链)
24.6
24.1
18.5
32.7
蚕
28.6
22.5
21.9
27.2
φ×174(复制型)
26.3
22.3
22.3
26.4
小麦(胚)
27.3
22.7
22.8
27.1
噬菌体λ
21.3
28.6
27.2
22.9
*包括5-甲基胞嘧啶。
电位滴定行为：用电位滴定法证明，DNA的磷酸基可以滴定，而嘌呤和嘧啶的氨基和一NH—CO一则不能滴定，它们是用氢键连结的。
（2）B-DNA双螺旋结构模型的要点
A、DNA分子是由两条反向平行互补的多核苷酸链构成的，一条链的方向是5′→3′，另一条链则是3′→5′。
B、两条链的糖一磷酸主链都是右手螺旋,有一共同的螺旋轴。螺旋表面有一条大沟和一条小沟。
C、两条链的碱基在内侧，糖一磷酸主链在外侧，两条链由碱基间的氢键相连。
D、双螺旋直径为2nm。碱基对的平面约与螺旋轴垂直，相邻碱基对平面间的距离（碱基堆积距离）是0.34nm。相邻核苷酸彼此相差36°。双螺旋的每一转有10对核苷酸，每转高度为3.4 nm。
E、碱基成对有一定规律，腺嘌呤一定与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤一定与胞嘧啶成对。因此有四种可能的碱基对，即A—T，T—A，G—C和C—G。A和T间构成二个氢键，G和C间构成三个氢键。
由于四种碱基对都适合此模型，每条链可以有任意的碱基顺序，但由于碱基成对的规律性，如一条链的碱基顺序已确定，则另一条链必有相对应的碱基顺序。两条链的碱基组成和排列顺序并不一定相同。
大多数天然DNA具有双链结构。某些小细菌病毒如φX174和M13的DNA是单链分子。
DNA双螺旋模型最主要的成就是引出“互补”（碱基配对）概念。根据碱基互补原则，当一条多核苷酸的序列被确定以后，即可推知另一条互补链的序列。碱基互补原则具有极其重要的生物学意义。DNA复制、转录、反转录等的分子基础都是碱基互补。
（3）双螺旋结构的稳定性 DNA双螺旋结构在生理状态下是很稳定的。A、维持这种稳定性的主要因素是碱基堆积力（base stacking force）。嘌呤与嘧啶形状扁平，呈疏水性，分布于双螺旋结构内侧。大量碱基层层堆积，两相邻碱基的平面十分贴近，于是使双螺旋结构内部形成一个强大的疏水区，与介质中的水分子隔开。其次，大量存在于DNA分子中的其他弱键在维持双螺旋结构的稳定上也起一定作用。这些弱键包括：B、互补碱基对间的氢键；C、磷酸基团上的负电荷与介质中的阳离子之间的离子键；D、范德华引力（vander Waal'sforce）。
图4-2 DNA分子双螺旋结构模型（a）及其图解（b）
（4）DNA双螺旋的不同类型
A-DNA的结构：在相对湿度为75％以下所获得的DNA纤维的X光衍射分析资料表明，这种DNA纤维具有不同于B-DNA的结构特点，称为A-DNA。A-DNA也是由反向的两条多核苷酸链组成的双螺旋，也为右手螺旋，但是螺体较宽而短，碱基对与中心轴之倾角也不同，呈19o。RNA分子的双螺旋区以及RNA-DNA杂交双链也具有与A-DNA相似的结构。RNA分子由于在糖环上有2′-OH存在，从空间结构上说不可能形成B-型结构。
Z-DNA分子的结构：除了A-DNA和B-DNA以外，自然界中还发现有一种Z-DNA。A．Rich在研究CGCGCG寡聚体的结构时发现了这类DNA。虽然CGCGCG在晶体中也呈双螺旋结构，但它不是右手螺旋，而是左手螺旋，所以这种DNA称为左旋DNA。那么Z-DNA的名称是从何而来的呢？在CGCGCG晶体中，（图磷酸基在多核苷酸骨架上的分布为Z字形4-3）。所以也称它为Z-DNA。Z-DNA只有一条大沟，而无小沟。
天然B-DNA的局部区域可以出现Z-DNA结构，说明B-DNA与Z-DNA之间是可以互相转变的。目前仍然不清楚Z-DNA究竟具有何种生物学功能。
表4-4中比较了A-DNA、B-DNA、Z-DNA的一些主要特性。
表4-4 A-DNA，B-DNA和Z-DNA的比较比较项
螺旋类型
A
B
Z
外形每对碱基之距离螺旋直径螺旋方向糖苷键构型每匝螺旋碱基对数目螺距碱基对与中心轴之倾角大沟小沟
粗短
0.23nm
2.55nm
右手反式
11
2.46nm
19°
狭，很深很宽，浅
适中
0.34nm
2.37nm
右手反式
10.4
3.32nm
1°
宽，深狭，很深
细长
0.38nm
1.84nm
左手
C、T反式，G顺式
12
4.56nm
9°
平坦很狭，深
3．DNA的三级结构
双链DNA多数为线形，少数为环形。
某些小病毒、线粒体、叶绿体以及某些细菌中的DNA为双链环形。在细胞内．这些环形DNA进一步扭曲成“超螺旋”的三级结构，如图4-4。
真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子。染色质DNA的结构极其复杂。双螺旋DNA先盘绕组蛋白形成核粒（超螺旋），许多核粒（或称核小体）由DNA链连在一起构成念珠状结构，念珠状结构进一步盘绕成更复杂更高层次的结构。据估算，人的DNA大分子在染色质中反复折叠盘绕，共压缩8 000～10 000倍。
二、核糖核酸（RNA）的分子结构
RNA也是无分支的线形多聚核糖核苷酸，主要由四种核糖核苷酸组成，即腺嘌呤核糖核苷酸、鸟嘌呤糖核苷酸、胞嘧啶核糖核苷酸和尿嘧啶核糖核苷酸。这些核苷酸中的戊糖不是脱氧核糖，而是核糖。RNA分子中也还有某些稀有碱基。图4-5为RNA分子中的一小段以示RNA之结构。
组成RNA的核苷酸也是以3′,5′-磷酸二酯键彼此连接起来的。尽管RNA分子中核糖环C′2上有一羟基，但并不形成2′,5′-磷酸二酯键。用牛脾磷酸二酯酶降解天然RNA时，降解产物中只有3′-核苷酸，并无2′-核苷酸，就支持了上述结论。
天然RNA并不像DNA那样都是双螺旋结构，而是单链线形分子。只有局部区域为双螺旋结构。这些双链结构是由于RNA单链分子通过自身回折使得互补的碱基对相遇形成氢键结合而成的，同时形成双螺旋结构。不能配对的区域形成突环（loop），被排斥在双螺旋结构之外，如图4-6。RNA中的双螺旋结构为 A-DNA类型的结构。每一段双螺旋区至少需要有4～6对碱基才能保稳定。一般说来，双螺旋区约占RNA分子的50％。
1．RNA的类型动物、植物和微生物细胞内都含有三种主要RNA，即核糖体RNA （rRNA）、转运RNA（tRNA）、信使RNA（mRNA）。表4-5中列出了大肠杆菌中三类RNA的主要特性。此外，真核细胞中还有少量核内小RNA（small nuclear RNA，缩写成snRNA）。
2．mRNA的结构真核细胞mRNA的结构有某些特点：
A、极大多数真核细胞mRNA在3′-末端有一段长约200个核苷酸的polyA（Polyade nylicacid）。PolyA是在转录后经PolyA聚合酶的作用而添加上去的。polyA聚合酶对mRNA专一，也不作用于rRNA和tRNA。原核生物的mRNA一般无3′-polyA，但某些病毒mRNA也有3′-polyA。polyA可能有多方面功能：与mRNA从细胞核到细胞质的转移有关；与mRNA的半寿期有关；新合成的mRNA，polyA链较长，而衰老的mRNA，polyA链缩短。
图4-5 RNA分子中一小段结构 图4-6 RNA分子自身回折
形成双螺旋区表4-5 大肠杆菌中的RNA
RNA类型
相对含量％
沉降系数/S
相对分子质量
分子长度/个核苷酸
rRNA
tRNA
mRNA
80
15
5
23
16
5
4
－
1.2×103
0.55×103
3.6×101
2.5×101
变化范围大
3700
1700
120
75
－
B、真核细胞mRNA5′-末端还有一个特殊的结构：3′- mG5′- Nm- 3′-P，称为5′-帽子（cap）。5′-末端的鸟嘌呤N7被甲基化。鸟嘌呤核苷酸经焦磷酸与相邻的一个核苷酸相连，形成5′,5′-磷酸二酯键。这种结构有抗5′-核酸外切酶降解的作用。目前认为5′-帽子可能与蛋白质合成的正确起始作用有关，它可能协助核糖体与mRNA相结合，使翻译作用在AUG起始密码子处开始。某些真核细胞病毒也有5′-帽子结构。
3．tRNA的二级结构和三级结构
细胞内tRNA的种类很多，每一种氨基酸都有其相应的一种或几种tRNA。许多tRNA的一级结构早就被阐明，tRNA的二级结构和三级结构也比较清楚。
（1）相对分子质量在2.5万左右，由70～90？（50-95）个核苷酸组成，沉降系数在4S左右；
（2）碱基组成中有较多的稀有碱基；
（3）3′-末端都为…CPCPAOH，用来接受活化的氨基酸，所以这个末端称为接受末端；
（4）5′末端大多为PG…，也有PC…的；
（5）tRNA的二级结构都呈三叶草形，如图4-7。双螺旋区构成了叶柄，突环区好像是三叶草的三片小叶。由于双螺旋结构所占比例甚高，tRNA的二级结构十分稳定。三叶草形结构由氨基酸臂、二氢尿嘧啶环、反密码环、额外环和Tψ环等五个部分组成。
氨基酸臂（amino acid arm）由7对碱基组成，富含鸟嘌呤，末端为一CCA，接受活化的氨基酸。
二氢尿嘧啶环（dihydrouridine loop）由8～12个核苷酸组成，具有两个二氢尿嘧啶，故得名。通过由3～4对碱基组成的双螺旋区（也称二氢尿嘧啶臂）与tRNA分子的其余部分相连。
反密码环（anticodon loop）
由7个核苷酸组成。环中部为反密码子，由3个碱基组成。次黄嘌呤核苷酸（也称肌苷酸，缩写成I）常出现于反密码子中。反密码环通过由5对碱基组成的双螺旋区（反密码臂）与tRNA的其余部分相连。
额外环（extra loop）由3～18个核苷酸组成。不同的tRNA具有不同大小的额外环，所以是tRNA分类的重要指标。
假尿嘧啶核苷一胸腺嘧啶核糖核苷环（Tφ臂）与tRNA的其余部分相连。除个别例外，几乎所有tRNA在此环中都含有Tφ。
（6）tRNA的三级结构 tRNA三级结构的形状像一个倒写的字母L（如图4-8）。Kim（1973）和Robertus（1974）应用X光衍射分析法对tRNA晶体进行研究，并先后阐明了tRNA的三级结构。
4．rRNA的结构
rRNA含量大，占细胞RNA总量的80％左右，是构成核糖体的骨架。大肠杆菌核糖体中有三类rRNA，5SrRNA，16SrRNA，23SrRNA。动物细胞核糖体rRNA有四类；5Sr-RNA，5.8SrRNA，18SrRNA，28SrRNA。许多rRNA的一级结构及由一级结构推导出来的二级结构都已阐明，但是对许多rRNA的功能迄今仍不十分清楚。图4-9为大肠杆菌5SrRNA的结构。
核酸的某些理化性质及分离提纯一、一般性质
1．溶解度
DNA和RNA均微溶于水，它们的钠盐在水中的溶解度较大．DNA和RNA均能溶于2-甲氧乙醇，但不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂，所以在分离核酸时，加入乙醇即可使之从溶液中沉淀出来。
2．分子大小、形状和粘度
大多数DNA为线形分子，分子极不对称，其长度可以达到几个厘米，而分子的直径只有2nm。因此DNA溶液的粘度极高。RNA溶液的粘度要小得多。
3．沉降特性
溶液中的核酸分子在引力场中可以下沉。不同构象的核酸（线形、开环、超螺旋结构），蛋白质及其他杂质，在超离心机的强大引力场中，沉降的速率有很大差异，所以可以用超离心法纯化核酸或将不同构象的核酸进行分离，也可以测定核酸的沉降常数与分子量。
用不同介质组成密度梯度进行超离心分离核酸时，效果较好。RNA分离常用蔗糖梯度。分离DNA时用得最多的是氯化铯梯度。氯化铯在水中有很大溶解度，可以制成浓度很高（80mol／L）的溶液。
应用啡淀嗅红—氯化铯密度梯度平衡超离心，很容易将不同构象的DNA、RNA及蛋白质分开。这个方法是目前实验室中纯化质粒DNA时最常用的方法。如果应用垂直转头，每分钟65 000r（Beckman L-70超离心机），只要6h就可以完成分离工作。但是如果采用角转头，转速为每分钟45 000r时，则需36h。离心完毕后，离心管中各种成分的分布可以在紫外光照射下显示得一清二楚（如图4-10）。蛋白质漂浮在最上面，RNA沉淀在底部。超螺旋DNA沉降较快，开环及线形DNA沉降较慢。用注射针头从离心管侧面在超螺旋DNA区带部位刺入，收集这一区带的DNA。用异戊醇抽提收集到的DNA以除去染料，然后透析除去CsCl，再用苯酚抽提1～2次，即可用乙醇将DNA沉淀出来。这样得到的DNA有很高的纯度，可供DNA重组、测定序列及限制酶图谱等之用。在少数情况下，需要特别纯的DNA时，可以将此DNA样品再进行一次氯化铯密度梯度超离心分离。
二、凝胶电泳
凝胶电泳可算是当前核酸研究中最常用的方法了。它有简单、快速、灵敏、成本低等优点。常用的凝胶电泳有琼脂糖（agarose）凝胶电泳和聚丙烯酰胺（polyacrylamide）凝胶电泳。凝胶电泳可以在水平或垂直的电泳槽中进行。凝胶电泳兼有分子筛和电泳双重效果，所以分离效率很高。
1．琼脂糖凝胶电泳
以琼脂糖为支持物，电泳的迁移率决定于以下因素：
（1）核酸分子大小 迁移率与分子量对数成反比；
（2）胶浓度 迁移率与胶浓度成反比，常用1％的胶分离DNA；
（3）DNA的构象 一般条件下超螺旋DNA的迁移率最快，线形DNA其次，开环形最慢。但在胶中加入过多的啡啶溴红时，上述分布次序会发生改变；
（4）电流 一般不大于5V/cm。有适当的电压差时，迁移率与电流大小成正比；
（5）碱基组成 有一定影响，但影响不大；
（6）温度 4～30℃都可，常为室温。
琼脂糖凝胶电泳常用于分析DNA。由于琼脂糖制品中往往带有核糖核酸酶杂质，因此用于分析RNA时，必须加入蛋白质变性剂，如甲醛等。图4-10为分离后DNA与各种杂质的分布。
电泳完毕后，将胶在荧光染料啡啶溴红的水溶液中染色（0.5μg／ml）。啡啶溴红为一扁平分子，很易插入DNA的碱基对之间。DNA与啡啶溴红结合后，经紫外光照射，可发射出红—橙色可见荧光。0.1μgDNA即可用此法检出，所以此法十分灵敏。根据荧光强度可以大体判断DNA样品的浓度。若在同一胶上加一已知其浓度的DNA作参考，则所测得的样品浓度更为准确。可以用灵敏度很高的负片将凝胶上所呈现的电泳图谱在紫外光照射下拍摄下来，作进一步分析与长期保留之用。
应用凝胶电泳可以正确地测定DNA片段的分子大小。
实用的方法是在同一胶上加一已知相对分子质量的样品（如图4-11中的λDNA／HindIII的片段）。电泳完毕后，经啡啶溴红染色、照相，从照片上比较待测样品中的DNA片段与标准作品中的哪一条带最接近，即可推算出未知样品中各片段的大小。最常用的方法是将胶上某一区带在紫外光照射下切割下来，将切下的胶条放在透析袋中，装上电泳液，在水平电泳槽中进行电泳，让胶上的DNA释放出来并进一步粘在透析袋内壁上，电泳3～4h后，将电极倒转，再通电30～60s，粘在壁上的DNA重又释放到缓冲液中。取出透析袋内的缓冲液（丢弃胶条），用苯酚抽提1～2次，水相用乙醇沉淀。这样回收的DNA纯度很高，可供进一步进行限制酶分析、序列分析或作末端标记。回收率在50％以上。
2．聚丙烯酰胺凝胶电泳以聚丙烯酰胺作支持物。单体丙烯酰胺在加入交联剂后就成了聚丙烯酰胺。由于这种凝胶的孔径比琼脂糖胶的要小，所以可用于分析小于1000bp的DNA片段。聚丙烯酰胺中一般不含有RNase，所以可用于RNA的分析。
聚丙烯酰胺凝胶上的核酸样品，经啡啶溴红染色，在紫外光照射下，发出的荧光很弱，所以浓度很低的核酸样品用此法检测不出来。
三、核酸的紫外吸收嘌呤碱与嘧啶碱具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240～290 nm的紫外波段有一强烈的吸收峰，最大吸收值在260 nm附近。不同核苷酸有不同的吸收特性。所以可以用紫外分光光度计加以定量及定性测定。
实验室中最常用的是定量测定少量的DNA或RNA。检验待测样品是否纯品可用紫外分光光度计读出260 nm与280 nm的OD值，从OD260／OD280的值即可判断样品的比纯度。纯DNA的OD260／OD280应为1.8，纯RNA的应为2.0。样品中如含有杂蛋白及苯酚，OD260／OD280的值即明显降低。不纯的样品不能用紫外吸收法作定时测定。对于纯的样品，只要读出260nm的OD值即可算出含量。通常按1OD值相当于50μg／ml双螺旋DNA，或40μg／ml单螺旋DNA（或RNA），或20μg／ml寡核苷酸计算。这个方法既快速又准确，而且不会浪费样品。对于不纯的核酸可以用琼脂糖凝胶电泳分离出区带后，经啡啶溴红染色而粗略地估计其含量。图4-12为DNA的紫外吸收光谱。
四、核酸的变性、复性和分子杂交
高温、酸、碱以及某些变性剂（如尿素）能破坏核酸中的氢键，使之断裂，核酸中的双螺旋区变成单链，并不涉及共价键的断裂，这一过程称为核酸的变性。
当将DNA的稀盐溶液加热到80～l00℃时，双螺旋结构即发生解体，两条链分开，形成无规线团（如图4-13）,一系列理化性质也随之发生改变：260 nm区紫外吸收值升高，粘度降低，浮力密度升高，同时改变二级结构，有时可以失去部分或全部生物活性。DNA的变性的特点是爆发式的，变性作用发生在一个很窄的温度范围内。
增色效应—DNA从天然状态转变为变性状态其溶液的A260值增加，称之为增色效应。
减色效应—当变性的呈单链状态的DNA，经复性又重新形成双螺旋结构时，其溶液的A260值则减小，最多可减小至变性前的A260值，这种现象则称为减色效应。引致减色效应的原因是碱基状态的改变，DNA复性后其碱基又重新埋藏于双螺旋内部，碱基对又呈堆积状态，这样就使碱基吸收紫外光的能力减弱。
图4-13 DNA的变性过程通常把DNA的双螺旋结构失去一半时的温度称为该DNA的熔点或熔解温度（melting temperature），用Tm表示。DNA的Tm值一般在70～85℃之间（如图4-14）。
DNA的Tm值大小与下列因素有关：
（１）DNA的均一性 均一性愈高的样品，熔解过程愈是发生在一个很小的温度范围内。
（２）G—C之含量 G—C含量越高，Tm值越高，成正比关系，如图4-15。这是G—C对比A—-T对更为稳定的缘故。所以测定Tm值可推算出G—C对的含量。其经验公式为：
G—C（％）＝（Tm－69.3）×2.44
（３）介质中的离子强度一般说来，在离子强度较低的介质中，DNA的熔解温度较低，熔解温度的范围也较窄。而在较高的离子强度的介质中，情况则相反。所以DNA制品应保存在较高浓度的缓冲液中或溶液中，故常在1 mol／L的NaCl中保存。
RNA分子中有局部的双螺旋区，所以RNA也可发生变性，但Tm值较低，变性曲线也不那么陡。
变性DNA在适当条件下，又可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构，这一过程称为复性。DNA复性后，许多物理化学性质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。热变性DNA的两条互补单链，在缓慢冷却的条件下可重新结合恢复双螺旋结构，这种复性又称为退火。
将不同来源的DNA放在试管里，经热变性后，慢慢冷却，让其复性，若这些异源DNA之间在某些区域有相同的序列，则复性时，会形成杂交DNA分子。DNA与互补的RNA之间也可以发生杂交。核酸的杂交在分子生物学和分子遗传学的研究中应用极广，许多重大的分子遗传学问题都是用分子杂交来解决的。
核酸杂交可以在液相或固相上进行。目前实验室中应用最广的是用硝酸纤维素膜作支持物进行的杂交。英国的分子生物学家E,M,Southern所发明的Southern印迹法（Sonthern
blotting）就是将凝胶上的DNA片段转移到硝酸纤维素膜上后，再进行杂交的。这里以DNA-DNA杂交为例，较详细地介绍Southern印迹法。将DNA样品经限制性内切酶降解后，用琼脂糖凝胶电泳进行分离。将胶浸泡在碱（NaOH）中使DNA进行变性，然后将变性DNA转移到硝酸纤维素膜上（硝酸纤维素膜只吸附变性DNA），在80℃烤4～6h，使DNA牢固地吸在纤维素膜上。然后与放射性同位素标记的变性后的DNA，探针进行杂交。杂交须在较高的盐浓度及适当的温度（一般为68℃）下进行数小时或十余小时，然后通过洗涤除去未杂交上的标记物。将纤维素膜烘干后进行放射自显影。
除了DNA外，RNA也可用作探针（Probe）。用32P标记核酸时（用作探针），可以在3′或 5′末端标记，也可采用均匀标记。
应用类似的方法也可分析RNA，即将RNA变性后转移到纤维素膜上再进行杂交。这种方法称为Northern印迹法（Northern blotting）。用类似的方法，根据抗体与抗原可以结合的原理，也可以分析蛋白质。这个方法称为Western印迹法（Western blotting）。
应用核酸杂交技术，可以将含量极少的真核细胞基因组中的单拷贝基因钓出来。
五.核酸的酸解和碱解核酸在酸、碱或酶的作用下，发生共价键断裂，多核苷酸链被打断，分子量变小，这种过程称为降解。核酸的酶促降解可参阅第十章。下面简要讨论酸和碱对核酸的降解作用。
（一）酸解 酸对核酸的作用因酸的浓度、温度和作用时间长短而不同。用温和的或稀的酸作短时间处理，DNA和RNA都不发生降解。但延长处理时间或提高温度，或提高酸的强度，则会使核酸中的部分糖苷键发生水解，先是嘌呤碱基被水解下来，生成无嘌呤的核酸，同时少数磷酸二酯键也发生水解，使链断裂。若用中等强度的酸在100℃下处理数小时，或用较浓的酸（如2～6mol/LHCL） 处理，则可使嘧啶碱基水解下来，更多的磷酸二酯键断裂，核酸降解程度增加。
（二）碱解 RNA在稀碱条件下很容易水解生成2’-核苷酸和3’-核苷酸。因为RNA中的核糖具有2’-OH，在碱催化下3’,5’-磷酸二酯键断裂，先形成中间物2’-3’环核苷酸，它不稳定而进一步水解，生成2’-核苷酸和3’-核苷酸混合物。反应过程如下：
RNA碱解所用的KOH（或NaOH）的浓度可因温度和作用时间而不同，如1mol/LKOH（或NaOH）在80℃下作用1h，或0.3mol/L KOH（或NaOH）在 37℃下作用16 h均可以使RNA水解成单核苷酸。
在上述同样的稀碱条件下，DNA是稳定的，不会被水解成单核苷酸，因为DNA中的脱氧核糖没有2’-OH，不能形成2’-3’环核苷酸。DNA在碱的作用下，只发生变性，不发生磷酸二酯键的水解。
根据碱对DNA和RNA的不同作用，可用碱解法从RNA制取2’-和3’-核苷酸；用碱处理DNA和RNA混合液，使RNA水解成单核苷酸保留在溶液中，再把DNA从溶液中沉淀下来，分别进行定量测定。
