三、RNA分子結構
（一）RNA類型
細胞內含有三類主要的RNA，即核蛋白體RNA（Ribosomal RNA， rRNA）、轉運RNA（Transfer RNA，tRNA）及信使（Messenger RNA，mRNA）。
1．rRNA。是核蛋白體的組成部分，含量最多，約占細胞內全部RNA的74~80%，在真核細胞中有四種rRNA，分子大小不均。它們分別與70多種蛋白質相結合而構成核蛋白體大小亞基，是蛋白質生物合成的“裝配機”。
2．tRNA。占細胞內RNA總量的10~25%，分散于胞液中。種類很多，每種氨基酸都有與
其相對應的一種或幾種tRNA。tRNA分子由70~90個核苷酸組成，所以分子量較小，tRNA的生理功能是運輸活化了的氨基酸，參與蛋白質的生物合成。
3．mRNA。占細胞內RNA總量的2~5%，其代謝活躍，更新迅速，所以半衰期較短。細胞內mRNA的種類很多，但每種mRNA的含量卻很少，它是蛋白質生物合成的直接模板。
（二）RNA的堿基組成
RNA分子中所含的四種基本堿基是：腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。此外還有一些稀有堿基，如假尿嘧啶及帶有甲基化的堿基等。RNA的堿基組成，不像DNA那樣具有嚴格的A-T，G-C的規律。RNA結構也不像DNA那樣整個分子都是雙螺旋結構，而且只有局部呈雙螺旋結構。
（三）RNA分子結構
除少數病毒外，RNA分子均為單鏈結構。與DNA相似，核苷酸通過3′.5′—磷酸二酯鍵連接而成多核苷酸鏈。單鏈結構的RNA，在局部區域由于自身回折也可盤曲形成雙螺旋結構。雙鏈部位的堿基一般也彼此通過氫鍵而互相配對，即A-U，G-C。有些不參加配對的堿基往往被排斥在雙鏈外，形成環狀突起。在不同的RNA分子中，雙螺旋區所占比例也不相同。
1．tRNA結構
在所有RNA中，對tRNA的研究為最多，了解得也較清楚。tRNA的二級結構多呈三葉草形。由于雙螺旋結構所占比例甚高，所以三葉草形結構十分穩定。tRNA是核蛋白體的組成部分。目前雖已測出不少的tRNA分子的一級結構，但對二級結構與其功能的研究還需進一步深入。
2．mRNA結構
mRNA分子結構的特點是，極大多數真核細胞mRNA的3′—端有一段長約200個堿基的多聚腺苷酸，稱為mRNA的“尾”。這種結構可能與mRNA在細胞核內合成后移至細胞質的過程有關。在mRNA分子的5′—端接一個7-甲基鳥嘌呤核苷三磷酸，稱它為mRNA的“帽”。mRNA分子中有編碼區與非編碼區。編碼區是所有mRNA分子的主要結構部分，決定蛋白質分子一級結構。非編碼區與蛋白質生物合成的調控有關。
3．rRNA結構
rRNA是核蛋白體的組成部分。目前雖已測出了不少的rRNA分子的一級結構，但對二級結構與其功能的研究還需進一步深入。
四、核酸的理化性質
天然DNA分子的長度可達幾厘米，而分子直徑只有2nm。如此細絲狀的雙螺旋結構使DNA分子具有一系列理化特性。如粘度極大，在外力作用下易斷裂等。
（一）核酸的分子大小與粘度
天然DNA的分子量極大，例如，果蠅巨染色體只有一線形DNA，長達四厘米，分子量約為8×102道爾頓。高分子溶液的粘度比一般溶液的粘度要大得多，不規則團分子比球狀分子的粘度要大，而線形分子的粘度更大。因此在溶液中呈線形分子的DNA，即使是極稀的溶液，也具有極大的粘度。RNA溶液的粘度要小得多。當核酸溶液在某些理化因素作用下發生變性，使螺旋結構轉變為線團時，粘度降低。所以可用粘度作為DNA變性的指標。
（二）核酸的紫外吸收
嘌呤堿、嘧啶堿以及由它們參與組成的核苷，核苷酸及核酸對紫外光都有強烈的吸收作用。它們吸收紫外光的共同特點是在260nm處為最大吸收值。而由芳香族氨基酸參與組成的蛋白質最大吸收值在280nm處。利用這一特性，可以鑒別核酸樣品作為雜質的蛋白質含量。
（三）核酸的變性、復性與雜交
1．核酸變性
核酸變性是指核酸雙螺旋結構解開，氫鍵斷裂，但并不涉及核苷酸間磷酸二酯鍵的斷裂。若磷酸二酯鍵的斷裂稱為降解，核酸降解時，核酸分子量降低。而核酸的變性并不引起核酸分子量的變化。
引起核酸變性的因素很多。由于溫度升高而引起的變性稱熱變性。如將DNA的稀鹽溶液加熱到50℃以上幾分鐘，雙螺旋結構即破壞，氫鍵斷裂，DNA分子的兩條鏈彼此分離，形成無規則線團。變性后的DNA，由于結構上的變化，因而發生了一系列理化性質的改變，如260nm處紫外吸收值升高（稱增色效應），粘度降低以及生物學活性喪失等。能使50%DNA分子發生變性的溫度稱為變性溫度（Melting temperature，Tm）Tm一般為70~85℃。Tm值與分子中G—C含量有關，即G—C配對數愈多，則Tm值愈高，反之愈低。由于溶液酸堿度的改變而引起的變性稱酸堿變性。對DNA分子來說，堿基對在pH4.0~11.0之間最為穩定,超此范圍,可引起DNA分子酸堿變性。乙酸、丙酮等有機溶液及尿素也可引起核酸的變性。
2．核酸復性
變性DNA在適當條件下，又可使兩條彼此分離的鏈重新締合而形成雙螺旋結構，這一過程稱為復性或退火。復性后的DNA可基本恢復一系列的理化性質，生物學活性也可得到部分恢復。
變性核酸的復性是有條件的。如將熱變性的DNA溶液驟然冷低溫，DNA不可能復性。只有緩慢地將它冷卻時，DNA才有可能復性。另外，變性DNA片段越大，則復性越慢。變性DNA濃度越大則越易復性。
3．核酸雜交
不同來源的DNA加熱變性后，只要兩條多核苷酸鏈的堿基有一定數量能彼此互補，就可以經退火處理復性現象，形成新的雜交體雙螺旋結構，這種依據相應堿基配對而使不完全互補的兩條鏈相互結合稱為分子雜交。因此分子雜交的基礎是DNA的變性與互補，也可以雜交形成新的雙螺旋結構。目前雜交技術已廣泛地應用于核酸結構與功能的研究。將已知的特定基因（如先天性遺傳疾病的某些特定基因）用同位素標記，制備成基因探針，利用分子雜交技術，基因探針可與同源序列互補形成雜交體，因此可用檢測組織細胞內有無特定基因或DNA片段，如臨床上已應用于產前診斷遺傳性疾病。
五、DNA的復制
DNA作為遺傳物質的基本特點就是能夠準確地自我復制，而DNA的互補雙螺旋結構對于維持這類遺傳物質的穩定性和復制的準確性都是極為重要的。
（一）DNA復制的方式
從前面的內容可知，DNA是由兩條互補的多核苷酸鏈組成的，其中一條鏈上的核苷酸排列順序可以決定另一條鏈上的核苷酸順序。據此推測，在復制過程中，首先DNA雙螺旋的兩條多核苷酸鏈之間氫鍵斷裂，雙鏈解開，然后每條鏈各自作為模板，以脫氧核糖核苷酸為原料，按照堿基配對規律，合成新的互補鏈。這樣形成的兩個子代DNA分子與原來的親代DNA分子的核苷酸順序完全相同。在此過程中，每個子代分子的一條鏈來自親代DNA，另一條鏈則是新合成的。這種復制方式稱為半保留復制。實驗證明，DNA半保留復制的方式是正確的。由于DNA在代謝上的穩定性，經過許多代的復制，DNA分子上的遺傳信息仍可傳給后代。
（二）參與復制的酶類
DNA的復制過程極為復雜，但其速度甚快，這是由于許多酶參與了復制過程。
1．DNA聚合酶（DNA polymerase）。四種脫氧核糖核苷酸（dNTP，N代表A、T、G、C四種堿基）是DNA合成的原料。在原有DNA模板鏈存在時，DNA聚合酶催化四種dNTP通過與模板鏈的堿基互補規律，合成新的DNA鏈，故此酶又被稱為DNA指導的DNA聚合酶（DNa directed DNA polymerase，縮寫為DDDP）。
值得注意的是，DNA聚合酶不能自行從頭合成DNA鏈，而必須有一個原有的多核苷酸鏈作為引物，DNA聚合酶只能在引物的3′末端上逐步合成DNA鏈。由此可見，DNA鏈的合成方向是從5′端至3′端進行的。
無論在原核細胞或真核細胞中，均存在著多種DNA聚合酶，它們的性質不完全相同。目前認為，在真核細胞中，DNA聚合酶α在復制中起關鍵作用，而DNA聚合酶β主要在DNA損傷的修復中起作用。
2． 引物酶。由于DNA聚合酶不能自行從頭合成DNA鏈，因此在復制過程中首先需要合成一小段RNA的多核苷酸鏈作引物，在這段RNA引物的基礎上引導DNA鏈的合成，催化RNA引物合成的酶是引物酶，實際上它是一種特殊的RNA聚合酶。
3．DNA連接酶。因為復制過程中，DNA鏈的合成方向只能由5′端→3′端方向進行，因此其中有一條新鏈的合成是不連續的。起初生成的是許多短鏈。需要DNA連接酶將它們連接起來。
4．參與DNA解旋、解鏈的酶及因子。已知DNA具有超螺旋結構。復制時必須松弛DNA模板的超螺旋結構，并使DNA的雙鏈分開，暴露堿基，否則不可能在模板上按堿基配對原則合成新的互補DNA鏈。松馳模板DNA超螺旋，分開雙鏈主要由拓撲異構酶，解鏈酶及DNA結合蛋白等來完成。
（三）DNA復制的過程
DNA復制大致可分為以下幾個階段。
1．起始與引物RNA的合成
DNA復制有固定的起始部位，在真核細胞DNA雙鏈上有多個起始部位。復制時，解鏈酶等先使DNA的一段雙鏈解開，形成復制點。這個復制點的形狀象一個叉子，故稱為復制叉。引物酶能辯認起始部位，并以四種核糖核苷酸為底物，以解開的一段DNA鏈為模板，按5′-3′方向合成RNA片段。在這一階段只合成了引物RNA，為DNA鏈的合成做好了準備工作。
2．DNA片段的生成
在細胞內，DNA的兩條鏈都可作為模板，同時合成兩條DNA鏈。由于DNA兩條鏈是反向平行的，即一條鏈是5′→3′方向，而另一條鏈則是3′→5′方向。但是，DNA聚合酶催化DNA鏈的合成只能順著5′→3′方向進行。因此，在新的DNA鏈中有一條連續合成的（稱前導鏈），而另一條是不連續合成的（稱隨從鏈。在隨從鏈合成過程中，先合成的是較短的片段（稱為岡崎片段），然后將這些片段再連結起來，形成完整的DNA鏈。岡崎片段的合成方向仍然是5′→3′，反應直至下一個引物RNA的5′端為止。
3．RNA引物的水解
DNA片段合成一定長度后，鏈中的RNA引物被核酸酶水解而切掉。此時出現的缺口由DNA片段繼續延長而填補。
4．完整的DNA分子的形成
相鄰的兩個DNA片段在DNA連接酶作用下連接起來，形成大分子DNA鏈，與其對應的模板DNA鏈一起生成子代雙螺旋DNA，即完整的DNA分子。
DNA復制過程十分準確，極少發生錯誤，由此保證了子代DNA與親代DNA分子完全相同，這是遺傳穩定性的重要基礎。某些因素可使DNA結構改變，則導致子代DNA結構的相應變化，稱為遺傳的變異。
