DNA变性

DNA变性(denaturation)

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。变性时维持双螺旋稳定性的氢键断裂,碱基间的堆积力遭到破坏,但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,如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等,均可引起核酸分子变性。变性DNA常发生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,变性后代之以柔软而松散的无规则单股线性结构,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局部的构性改变,使DNA溶液的旋光性发生变化。

15-8 核酸的解链曲线

增色效应(hyperchromic effect)。指变性后DNA溶液的紫外吸收作用增强的效应。DNA分子中碱基间电子的相互作用使DNA分子具有吸收260nm波长紫外光的特性。在DNA双螺旋结构中碱基藏入内侧,变性时DNA双螺旋解开,于是碱基外露,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。

对双链DNA进行加热变性,当温度升高到一定高度时,DNA溶液在260nm处的吸光度突然明显上升至最高值,随后即使温度继续升高,吸光度也不再明显变化。若以温度对DNA溶液的紫外吸光率作图,得到的典型DNA变性曲线呈S型(图158)。可见DNA变性是在一个很窄的温度范围内发生的。通常将核酸加热变性过程中,紫外光吸收值达到最大值的50%时的温度称为核酸的解链温度,由于这一现象和结晶的融解相类似,又称融解温度(Tm,melting temperature)。在Tm时,核酸分子内50%的双螺旋结构被破坏。特定核酸分子的Tm值与其G+C所占总碱基数的百分比成正相关,两者的关系可表示为:

Tm=69.3+0.41(%G+C)

一定条件下(相对较短的核酸分子),Tm值大小还与核酸分子的长度有关,核酸分子越长,Tm值越大;另外,溶液的离子强度较低时,Tm值较低,融点范围也较宽,反之亦然,因此DNA制剂不应保存在离子强度过低的溶液中。

DNA的变性和复性原理,现已在医学和生命科学上得到广泛的应用。如核酸杂交与探针技术,聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)技术等。