1、指 DNA 分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。确切地就是维持双螺旋稳定性的氢键和疏水键的断裂。断裂可以是部分的或全部的，是可逆的或是非可逆的。DNA 变性不涉及到其一级结构的改变。凡能破坏双螺旋稳定性的因素都可以成为变性的条件，如加热、极端的 pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等，均可破坏双螺旋结构引起核酸分子变性。变性能导致 DNA 以下一些理化及生物学性质的改变。溶液粘度降低。DNA 双螺旋是紧密的“ 刚性“结构，变性后代之以“”而松散的无规则单股线性柔软结构，DNA 粘度因此而明显下降。溶液旋光性发生改变。变性后整个 DNA 分子的对称性及分子的局部构性改变，使 DN
2、A 溶液的旋光性发生变化。增色效应或高色效应（hyperchromic effect）。指变性后 DNA 溶液的紫外吸收作用增强的效应。DNA 分子具有吸收 250280nm 波长的紫外光的特性，其吸收峰值在260nm。DNA 分子中碱基间电子的相互作用是紫外吸收的结构基础，但双螺旋结构有序堆积的碱基又“束缚 “了这种作用。变性 DNA 的双链解开，碱基中电子的相互作用更有利于紫外吸收，故而产生增色效应。一般以 260nm 下的紫外吸收光密度作为观测此效应的指标，变性后该指标的观测值通常较变性前有明显增加，但不同来源 DNA 的变化不一，如大肠杆菌 DNA 经热变性后，其 260nm 的光密度
3、值可增加 40%以上，其它不同来源的 DNA 溶液的增值范围多在 2030%之间。 增 色 效 应 或 高 色 效 应 (hyperchromic effect) 。由 于 DNA 变 性 引 起 的 光 吸 收 增 加 称 增 色 效 应 ,也 就 是 变 性 后 DNA 溶 液 的 紫 外 吸 收 作用 增 强 的 效 应 。 DNA 分 子 具 有 吸 收 250 280nm 波 长 的 紫 外 光 的 特 性 ， 其 吸 收峰 值 在 260nm 。 DNA 分 子 中 碱 基 间 电 子 的 相 互 作 用 是 紫 外 吸 收 的 结 构 基 础 , 但双 螺 旋 结 构 有 序 堆
4、 积 的 碱 基 又 “ 束 缚 “ 了 这 种 作 用 。 变 性 DNA 的 双 链 解 开 , 碱 基 中 电 子 的 相 互 作 用 更 有 利 于 紫 外 吸 收 , 故 而 产 生 增 色 效 应 。 一 般 以 260nm 下的 紫 外 吸 收 光 密 度 作 为 观 测 此 效 应 的 指 标 , 变 性 后 该 指 标 的 观 测 值 通 常 较 变 性 前 有 明显 增 加 , 但 不 同 来 源 DNA 的 变 化 不 一 , 如 大 肠 杆 菌 DNA 经 热 变 性 后 , 其 260nm 的 光 密 度 值 可 增 加 40% 以 上 , 其 它 不 同 来 源 的
5、 DNA 溶 液 的 增 值 范 围 多在 20 30% 之 间 。 或用碱处理双链 DNA，使氢链断裂，结果 DNA 变成为单链，此称为 DNA 的变性。发生这种变化时的温度称为融解温度，鸟嘌呤和胞嘧啶含量高的 DNA 融解温度也高。由于变性的结果 DNA 的紫外线吸收增加，比旋光度和粘度降低，密度也增加。第二节 DNA 的变性与复性一、DNA 变性DNA 变性是指双螺旋之间氢键断裂，双螺旋解开，形成单链无规则线团，因而发生性质改变（如粘度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加等），称为 DNA 变性。加热、改变 DNA 溶液的 pH、或受有机溶剂（如乙醇、尿素、甲酰胺及丙酰胺等）等理化
6、因素的影响，均可使 DNA 变性。通常，可利用 DNA 变性后波长 260nm 处紫外吸收的变化追踪变性过程。因为 DNA在 260nm 处有最大吸收值这一特征是由于含有碱基组成的缘故，在 DNA 双螺旋结构模型中碱基藏于内侧，变性时由于双螺旋解开，于是碱基外露，260nm 紫外吸收值因而增加，这一现象称为增色效应（hyperchromic effect）。见图 18-2。图 18-2 DNA 的增色反应如果升高温度使 DNA 变性，以温度对紫外吸收作图，可得到一条曲线，称为溶解曲线（见图 18-3），由图可见当温度升高到一定范围时， DNA 溶液在 260nm 处的吸光度突然明显上升至最高值
7、，随后即使温度继续升高，其吸光度也无明显变化。由此说明 DNA变性是在一个很窄的温度范围内发生，增色效应是爆发式的。从而也说明当达到一定温度时，DNA 双螺旋几乎是同时解开的。通常人们把 50%DNA 分子发生变性的温度称为变性温度（即熔解曲线中点对应的温度），由于这一现象和结晶的融解相类似，故又称融点或融解温度（melting temperature, Tm）。因此 Tm 是指消光值上升到最大消光值一半时的温度。图 18-3 DNA 的 Tm 值综上所述，Tm 值和增色效应是目前描述 DNA 特性所常用的两个量。假定一个 DNA大分子最初全部是双螺旋结构，在热变性后消光系数上升 30%以上；
8、如果 DNA 原先局部就处于单链状态（例如在分子末端），则变性后上升较少。增色效应的大小是 DNA 性质的一个简单指标，与分子量无关。Tm 不是一个固定的数值，它与很多因素有关：pH、离子强度和 DNA 的碱基比例。随着溶剂内离子强度上升，Tm 值也随着增大。在某一离子强度（10 -3M）以下，无需加热就使溶于其中的 DNA 出现不可逆变性。与 A-T 碱基配对比较，DNA 双螺旋内的 G-C 配对更为牢固。在相同条件下，DNA 内 G-C 配对含量高，其 Tm 值也高。假定在一个双链 DNA 分子内某些片段含有较多 G-C 碱基对，根据它们局部 Tm 值差，用电子显微镜就可以观察和测量到这些
9、片段，如在 DNA 某一片段内含有较多的 A-T 碱基对，在某一个温度时就可能出现双链解离的现象。但在同一温度下，含 G-C 对较多部分仍然保持双链结构。这是一种非常有用的技术。DNA 的 Tm 值与以下因素有关：（1）DNA 的均一性：均一 DNA 如病毒 DNA，解链发生在很窄的范围内，而不均一的 DNA 如动物细胞 NDA 其 Tm 值的范围则较宽。（2）DNA 分子中（G+C）的含量：一定条件下 DNA 的 Tm 值，由 G+C 含量所决定，因为 G+C 之间有 3 个氢链，因此 G+C 含量较高的 DNA，Tm 值较高，二者的关系可用以下经验式表示：%（G+C） =（Tm-63.0
10、）2.44实验表明 DNA 分子中（G+C）克分子含量百分比的大小与 Tm 值的高低呈直线关系，见图 18-4。图 18-4 DNA 和 Tm 值与 G-C 含量的关系（3）溶剂的性质：Tm 不仅与 DNA 本身性质有关，而且与溶液的条件有关，通常溶液的离子强度较低时，Tm 值较低，融点范围也较宽，离子强度增高时，Tm 值长高，融点范围也变窄。因此，DNA 制剂不应保存在离子强度过低的溶液中，一般保存在 1mol/l NaCl 溶液中较稳定。二、复性变性 DNA 只要消除变性条件，二条互补链还可以重新结合，恢复原来的双螺旋结构，这一过程称为复性（renaturation）。通常 DNA 热变性
11、后，将温度缓慢冷却，并维持在比Tm 低 2530左右时，变性后的单链 DNA 即可恢复双螺旋结构，因此，这一过程又叫做退火。复性后的 DNA，理化性质都能得到恢复。倘若 DNA 热变后快速冷却，则不能复性（图 18-5）。图 185 热 变性过程和两种冷却过程示意图影响复性速度的因素很多，同样条件下，DNA 顺序简单的分子复性很快，如 polydT和 polydA由于彼此互补识别很快，故能迅速复性。但顺序较复杂的 DNA 分子复性则较慢。因此通过变性速率的研究，可以了解 DNA 顺序的复杂性。DNA 片段的大小也影响变性的速率，因为 DNA 片段愈大，扩散速度愈低，使 DNA 片段线状单链互相
12、发现互补的机会减少。因此，在复性实验中，有时将 DNA 切成小片段，再进行复性。同样条件下，同一种 DNA 浓度愈高，复性速度也愈快。溶液的离子强度对复性速度也有影响，通常盐浓度较高时，复性速度较快。Doty 研究小组是最早对 DNA 变性过程进行深入研究的。它们所获得的结果表明，在达到 Tm 值时，两条 DNA 单链分离开。如果在加热之后慢慢地冷却，则出现部分复性，即 DNA 的一部分回复到双螺旋结构。复性的程度取决于 DNA 浓度及信息含量的多少。病毒 DNA（信息含量少）比哺乳动物 DNA 容易复性，而 DNA 浓度较高时，有利于复性，快速冷却使 DNA 仍然处于变性状态，这时自由单链成
13、链线团结构。对这种情况，人们称之为螺旋-线团转化过程（helix-coil-transition）。快速冷却时消光系数固然有所下降，但比天然 DNA 的数值始终要大。细胞核 DNA 复性的动力学研究指出，DNA 内很少片段有重复的或很相似的碱基顺序（所谓重复 DNA）。DNA 复性的程度和过程与其信息含量的多少等有关；因而病毒 DNA比细菌 DNA 复性得快。Britten 发现一种测定和观察复性过程的方法。X 轴表示变性 DNA原始浓度（Co）和保温时间的乘积，纵轴表示 DNA 复性部分（重新作为双螺旋结构出现）。DNA 比例可以用羟基磷灰石柱的办法加以确定，因为这种柱能够使单链和双链 DN
14、A分离开来。DNA 复性曲线呈 S 形，随着信息含量增加，此形状相同曲线往往较高 Co.t 值处移动。奇怪的是，从细胞核来的 DNA 在复性时显示出完全不同的情形：这些 DNA 中的一部分异常快地复性，而另一些 DNA 只有在极高的 Co.t 值时才出现预期的复性。对快速复性可以作这样的解释，即在某一 DNA 之内同时有几个相同或很类似的顺序存在，因而找重复顺序比找 DNA 内唯一顺序要快得多。后者含有特殊的遗传信息，常被称为独特 DNA。与之相反是重复 DNA 片段。 真核 DNA 自发复性的一种特殊途径是通过发夹结构。对单链而言，要生成这种发夹结构，要求一种特定的碱基顺序，这种顺序称作回文
15、（正读反读都相同）结构。为了构成回文结构，DNA 片段的碱基顺序必须在互补链内找到相反的顺序；在具有相反碱基顺序的两个 DNA 片段之间，显然常常出现短的中间片段由于存在这样的核苷酸顺序，在复性时就能形成发夹结构。如果存在很多重复回文结构，在部分复性时就能通过形成 DNA 侧链而出现十字结构。DNA 回文结构使 DNA 片段出现回旋对称性。这种结构常常出现在 DNA 和蛋白质之间相互作用的地方，特别是后者起控制作用时。DNA 变性是指双螺旋之间氢键断裂，双螺旋解开，形成单链无规则线团，因而发生性质改变（如粘度下降，沉降速度增加，浮力上升，紫外吸收增加等），称为 DNA 变性。加热、改变 DNA 溶液的 pH、或受有机溶剂（如乙醇、尿素、甲酰胺及丙酰胺等）等理化因素的影响，均可使 DNA 变性。
