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核酸的结构与功能
生物化学高等教育出版社第二章核酸的结构与功能，超全思维导图，包括核酸化学组成、DNA的结构与功能、RNA的结构与功能、核酸的理化性质等。
编辑于2022-11-02 10:49:40 广东- 核酸的结构与功能
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核酸的结构与功能
概述
核酸（ nucleic acid）
核酸（ nucleic acid）是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，具有复杂的空间结构和重要的生物学功能。
分类
脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）
DNA存在于细胞核和线粒体内，携带遗传信息，并通过复制的方式将遗传信息进行传代。细胞以及生物体的性状是由这种遗传信息决定的。
核糖核酸（ ribonucleic acid，RNA）
RNA存在于细胞质、细胞核和线粒体内。
RNA是DNA的转录产物，参与遗传信息的复制和表达。在某些情况下，RNA也可以作为遗传信息的载体。
第一节 核酸的化学组成以及一级结构
1. 概述
1.1. 核酸在核酸酶作用下水解成核苷酸（ nucleotide），而核苷酸完全水解后可释放出等摩尔的碱基、戊糖和磷酸。这表明构成核酸的基本组分之间具有一定的比例关系。
1.2. DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸（ deoxyribonucleotide），而RNA的基本组成单位是核糖核苷酸（ ribonucleotide）。
1.3. 组成
1.3.1. 核酸（RNA和DNA）
1.3.1.1. 核苷酸
1.3.1.1.1. 磷酸
1.3.1.1.2. 核苷
1.3.1.1.2.1. 碱基（嘌呤和嘧啶）
1.3.1.1.2.2. 核糖或脱氧核糖
2. 一、核苷酸和脱氧核苷酸是构成核酸的基本组成单位
2.1. 碱基（base）是构成核苷酸的基本组分之一
2.1.1. 碱基是含氮的杂环化合物，可分为嘌呤（ purine）和嘧啶（ pyrimidine）两类。
2.1.1.1. 嘌呤
2.1.1.1.1. 腺嘌呤 A
2.1.1.1.2. 鸟嘌呤 G
2.1.1.2. 嘧啶
2.1.1.2.1. 尿嘧啶 U
2.1.1.2.2. 胸腺嘧啶 T
2.1.1.2.3. 胞嘧啶 C
2.1.2. A、G、C和T是构成DNA的碱基
2.1.3. A、G、C和U是构成RNA的碱基
2.1.4. 受到所处环境pH的影响，碱基的酮基和氨基可以形成酮-烯醇（keto-enol）互变异构体或氨基-亚氨基（ amino--imin）互变异构体，这为碱基之间以及碱基与其他化学功能团之间形成氢键提供了结构基础。
2.2. 核糖（ ribose）是构成核苷酸的另一个基本组分
为了有别于碱基的原子，核糖的碳原子标以C-1’、 C-2’、…、 C-5’
2.2.1. 分类
两者的差别仅在于C-2’原子所连接的基团。
2.2.1.1. β-D-核糖（β-D-ribose）
2.2.1.1.1. 核糖存在于RNA中
2.2.1.2. β-D-2’-脱氧核糖（β-D-2’ –deoxyribose）
2.2.1.2.1. 脱氧核糖存在于DNA中
2.2.1.2.2. 脱氧核糖的化学稳定性优于核糖
2.3. 核苷（nucleoside）是碱基与核糖的缩合反应的产物
核糖的C-1’原子和嘌呤的N-9原子或者嘧啶的N-1原子通过缩合反应形成了β-N-糖苷键（β-N-glycosidic bond）。
2.3.1. 在天然条件下，由于空间位阻效应，核糖和碱基处在反式构象（trans conformation）
2.3.2. 同理，碱基与脱氧核糖的反应可以生成脱氧核苷（deoxynucleoside）
2.4. 核苷或脱氧核苷C-5’原子上的羟基可以与磷酸反应，脱水后形成一个磷酯键，生成核苷酸（ nucle otide）或脱氧核苷酸（deoxynucleotide）。
2.4.1. 根据连接的磷酸基团的数目多少，核苷酸可分为
2.4.1.1. 核苷一磷酸（ nucleoside 5’-monophosphate，NMP）
2.4.1.2. 核苷二磷酸（ nucleoside 5’-diphosphate-，NDP）
2.4.1.3. 核苷三磷酸（nucleoside 5’-triphosphate，NTP）
核苷三磷酸的磷原子分命名为α、β和γ磷原子
2.5. 在生物体内，核苷酸还会以其他衍生物的形式存在并参与各种物质代谢的调控和蛋白质功能的调节。
2.5.1. 核苷酸是细胞内化学能的载体
核苷三磷酸的α-磷原子和β-磷原子之间、β-磷原子和γ-磷原子之间是通过酸酐键连接的。在标准条件下，酸酐键水解所释放的能量可达30kJ/mol，比酯键水解所释放的能量高出一倍还多。因此，核苷二磷酸和核苷三磷酸均属于高能有机磷酸化合物。
2.5.1.1. 细胞活动所需的化学能主要来自核苷三磷酸，其中ATP是最重要的能量载体。
2.5.2. 参与细胞信号转导
2.5.2.1. 核苷三磷酸ATP和GTP可以环化形成环腺苷酸（ cyclic AMP，cAMP）和环鸟苷酸（ cyclic GMP，cGMP），它们都是细胞信号转导过程中的第二信使，具有调控基因表达的作用。
2.5.3. 细胞内一些参与物质代谢的酶分子的辅酶结构中都含有腺苷酸
如辅酶Ⅰ（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸， nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）、辅酶Ⅱ（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸，nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP＋）、黄素腺嘌呤二核苷酸（ flavin adenine dinucleotide，FAD）及辅酶A（ coenzyme A，CoA）等。 它们是生物氧化体系的重要成分，在传递质子或电子的过程中发挥重要的作用。
2.5.4. 核苷酸及核苷酸组分的衍生物具有临床药用价值
6-巯基嘌呤（6-mercaptopurine，6-MP）、阿糖胞苷（ cytosine arabinoside，araC）和5-氟尿嘧啶（5-fluorouracil， 5-FU）都是碱基的衍生物，可以通过干扰肿瘤细胞的核苷酸代谢、抑制核酸合成来发挥抗肿瘤作用。
3. 二、DNA是脱氧核糖核苷酸通过3，5-磷酸二酯键聚合形成的线性分子
3.1. DNA是多个脱氧核糖核苷酸聚合而成的线性大分子，脱氧核糖核苷酸之间是通过3′，5’-磷酸二酯键（phosphodiester bond）共价连接的。
这条多聚脱氧核糖核苷酸分子的一端是连接在C-5’原子上的磷酸基团，另一端是C-3’原子上的羟基，它们分别称为5’-端（5’-end）和3’-端（3’-end）。
3.1.1. 这条多聚脱氧核糖核苷酸链的3’-羟基可以与另一个游离的脱氧核苷三磷酸的α-磷酸基团发生缩合反应，生成了一个新的3′，5’磷酸二酯键，并将原来的多聚脱氧核糖核苷酸链在3′-端增加了一个脱氧核糖核苷酸。
3.1.2. 这个延长的多聚脱氧核糖核苷酸链的3’-端仍然保留着一个羟基，它可以继续与游离的脱氧核苷三磷酸的α-磷酸基团反应，继续生成一个新的3′，5’-磷酸二酯键。这样的反应可以反复进行下去生成一条多聚脱氧核苷酸链（ polydeoxyribonucleotides），即DNA链。
多聚脱氧核苷酸链只能从它的3’-端得以延长，由此，DNA链有了5′→3′的方向性。
4. 三、RNA是核糖核苷酸通过3，5-磷酸二酯键聚合形成的线性大分子
4.1. 与DNA相似，RNA是多个核苷酸分子在RNA聚合酶催化下通过3’，5’-磷酸二酯键连接形成的线性大分子，并且也具有5’→3’的方向性。
虽然核糖核苷酸的C-2‘’原子也有一个羟基，但是多聚核糖核苷酸分子的磷酸二酯键一般只能在C-3’原子和C-5’原子之间形成
4.2. RNA与DNA差别
4.2.1. RNA的戊糖环是核糖而不是脱氧核糖；
4.2.2. RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶，一般没有胸腺嘧啶，所以构成RNA的4种基本核苷酸是AMP、GMP、CMP和UMP。
5. 四、核酸的一级结构是核苷酸的排列顺序
5.1. 核酸一级结构的书写方式
5.2. 核酸的一级结构（ primary structure）
5.2.1. 基于DNA链和RNA链的方向性，人们把RNA的核苷酸和DNA的脱氧核苷酸从5’-端至3’-端的排列顺序定义为核酸的一级结构（ primary structure）。
5.2.2. 核苷酸之间的差异仅在于碱基的不同，因此核酸的一级结构也就是它的碱基序列（base sequence）。
5.3. 核酸分子的大小常用核苷酸数目（ nucleotide或nt，用于单链DNA和RNA）或碱基对数目（ base pair，bp或 kilobase pair，kb，用于双链DNA）来表示。
自然界中的DNA的长度可以高达几十万个碱基对。DNA携带的遗传信息完全依靠碱基排列顺序变化。可以想象，一个由n个脱氧核苷酸组成的DNA会有4n种不同的排列组合，从而提供了巨大的遗传信息编码潜力。
5.3.1. 长度短于50个核苷酸的核酸的片段常被称为寡核苷酸（ oligonucle- otide）。
第二节 DNA的空间结构与功能
概述
DNA的空间结构（ spatial structure）
在特定的环境条件下（pH、离子特性、离子浓度等），DNA上的功能团可以产生特殊的氢键、离子作用力、疏水作用力以及空间位阻效应等，而使得DNA分子的各个原子在三维空间里具有了确定的相对位置关系，这称为DNA的空间结构（ spatial structure）。
二级结构（secondary structure）
高级结构
一、DNA的二级结构是双螺旋结构
（一）DNA双螺旋结构的实验基础
DNA中四种碱基的 Chargaff规则
20世纪40年代末，美国生物化学家E. Chargaff利用层析和紫外吸收光谱等技术研究了DNA的化学组分，并在1950年提出了有关DNA中四种碱基的 Chargaff规则。
不同生物个体的DNA，其碱基组成不同；
同一个体的不同器官或不同组织的DNA具有相同的碱基组成；
对于一个特定组织的DNA，其碱基组分不随其年龄、营养状态和环境而变化；
对于一个特定的生物体，腺嘌呤（A）的摩尔数与胸腺嘧啶（T）的摩尔数相等，鸟嘌呤（G）的摩尔数与胞嘧啶（C）的摩尔数相等。
Chargaff规则揭示了DNA的碱基之间存在着某种对应的关系，为碱基之间的互补配对关系奠定了基础。
J. Watson和F. Crick提出了DNA双螺旋结构（ the double helix structure）的模型
20世纪50年代初，英国帝国学院的R. Franklin和M. Wilkins进行了大量的工作，利用X射线衍射技术来解析DNA分子空间结构。凭借丰富的经验和细致耐心的工作，R. Franklin取得了突破性的进展。1951年11月，R. Franklin获得了高质量的DNA分子X线衍射照片，并从衍射图像得出DNA分子呈螺旋状的推论。当时开展DNA分子空间结构研究工作的还有英国剑桥大学的J. Watson和F. Crick。他们综合了前人的研究结果，提出了DNA双螺旋结构（ the double helix structure）的模型，并在1953年4月25日将该模型发表在 Nature杂志上。这一发现不仅解释了当时已知的DNA的理化性质，而且还将DNA的功能与结构联系起来，它诠释了生物界遗传性状得以世代相传的分子机制，奠定了现代生命科学的基础。DNA双螺旋结构揭示了DNA作为遗传信息载体的物质本质，为DNA作为复制模板和基因转录模板提供了结构基础。DNA双螺旋结构的发现被认为是现代生物学和医学发展史的一个里程碑。
（二）DNA双螺旋结构模型的要点
J. Watson和F. Crick提出的DNA双螺旋结构具有下列特征:
1.DNA由两条多聚脱氧核苷酸链组成
两条多聚脱氧核苷酸链围绕着同一个螺旋轴形成反平行的右手螺旋（ right-handed- helix）的结构。
两条链中一条链的5’→3’方向是自上而下，而另一条链的5’→3’方向是自下而上，呈现出反向平行（ anti-parallel）的特征。
DNA双螺旋结构的直径为2.37nm，螺距为3.54nm。
2.DNA的两条多聚脱氧核苷酸链之间形成了互补碱基对
碱基的化学结构特征决定了两条链之间的特有相互作用方式
这种特定的碱基之间的作用关系称为互补碱基对（complementary base pair），DNA的两条链则称为互补链（ complementary strand）。
一条链上的腺嘌呤与另一条链上的胸腺嘧啶形成了两对氢键
一条链上的鸟嘌呤与另一条链上的胞嘧啶形成了三对氢键
碱基对平面与双螺旋结构的螺旋轴近乎垂直。平均而言，每一个螺旋有10.5个碱基对，碱基对平面之间的垂直距离为0.34nm。
3.两条多聚脱氨核苷酸链的亲水性骨架将互补碱基对包埋在DNA双螺旋结构内部
多聚脱氧核苷酸链的脱氧核糖和磷酸基团构成了亲水性骨架（backbone），该骨架位于双螺旋结构的外侧，而疏水性的碱基对包埋在双螺旋结构的内侧。
DNA双链的反向平行走向使得碱基对与磷酸骨架的连接呈现非对称性，从而在DNA双螺旋结构的表面上产生一个大沟（ major groove）和一个小沟（minor groove）。
4.两个碱基对平面重叠产生了碱基堆积作用
在DNA双螺旋结构的旋进过程中，相邻的两个碱基对平面彼此重叠（ overlapping），由此产生了疏水性的碱基堆积力（base stacking force）。
这种碱基堆积作用十分重要，它和互补链之间碱基对的氢键共同维系着DNA双螺旋结构的稳定。
（三）DNA双螺旋结构的多样性
J. Watson和F. Crick提出的DNA双螺旋结构模型是基于在92％相对湿度下得到的DNA纤维的X射线衍射图像的分析结果。这是DNA在水环境下和生理条件下最稳定的结构。
。三种不同类型DNA双螺旋结构的结构参数见表2-4。在生物体内，DNA的右手双螺旋结构不是DNA在自然界中唯一存在方式。不同的DNA双螺旋结构是与基因表达的调节和控制相适应的。
A型-DNA
随着研究的深入，人们发现DNA的结构不是一成不变的，溶液的离子强度或相对湿度的变化可以使DNA双螺旋结构的沟槽、螺距、旋转角度、碱基对倾角等发生变化。 由于历史原因，人们将 J.Watson和F. Crick提出的双螺旋结构称为B型-DNA。当环境的相对湿度降低后，DNA仍然保存着稳定的右手双螺旋结构，但是它的空间结构参数不同于B型-DNA，人们将其称为A型-DNA。
Z型-DNA
1979年，美国科学家A.Rich等人在研究人工合成的寡核酸链 CGCGCG的晶体结构时，发现这种DNA具有左手双螺旋（left -handed- helix）的结构特征。后来证明这种结构在天然DNA分子中同样存在，并称为Z型-DNA。
（四）DNA的多链结构
随着对DNA研究的不断深入，人们发现，自然界中还存在着多条链结合在一起的DNA结构。
Hoogsteen氢键
在酸性的溶液中，胞嘧啶N-3原子可以被质子化，这使得它可以在DNA双链的大沟一侧与已有的GC碱基对中的鸟嘌呤N-7原子形成了新的氢键，同时，胞嘧啶的C-4位氨基的氢原子也可以与鸟嘌呤的C-6位氧形成了新的氢键（图2-13）。 这种氢键是生物学家K. Hoogsteen于1959年在研究碱基对时发现的，故命名为 Hoogsteen氢键。
Hoogsteen氢键的形成并不破坏原有碱基对中的 Watson-Crick氢键，这样就形成了含有三个碱基的C＋GC平面，其中GC之间是以Watson-Crick氢键结合，而C＋G之间是以 Hoogsteen氢键结合的。
DNA也可以形成TAT的三碱基平面
当DNA双链中一条链的核苷酸序列富含嘌呤时，对应的互补链必然是富含嘧啶，它们形成了正常的DNA双链。如果还有一条富含嘧啶的单链（其序列与富含嘧啶链具有极高的相似度），并且环境条件为酸性时，这条链上的嘧啶就会与双链中的嘌呤形成 Hoogsteen键，从而生成了DNA的三链结构（ triplex）。
人们曾经利用这样的三链结构来尝试着调控基因的表达。
根据某些基因的序列特征（例如富含嘌呤的序列），人们设计了富含嘧啶的寡核苷酸链。由于这条寡核苷酸链与这一段双链DNA的序列有着碱基互补关系，它可以嵌入在双链DNA的大沟中形成了三链结构，以此干扰调控因子的结合，影响该基因的复制或转录。
端粒（ telomere）
真核生物染色体3’-端是一段高度重复的富含GT的单链，被称为端粒（ telomere）
作为单链结构的端粒，具有较大的柔韧度，可以自身回折形成一个称为G-四链（G-quadruplex）的特殊结构。这个G-四链结构的核心是由4个鸟嘌呤通过8对 Hoogsteen氢键形成的G-平面（ tetrad或 quartet）
例如人端粒区的碱基序列是（TTAGGG）n，其重复度可达数百乃至上千。
作为单链结构的端粒，具有较大的柔韧度，可以自身回折形成一个称为G-四链（G-quadruplex）的特殊结构。这个G-四链结构的核心是由4个鸟嘌呤通过8对 Hoogsteen氢键形成的G-平面（ tetrad或 quartet） 若干个G-平面的堆积使富含鸟嘌呤的重复序列形成了G-四链结构。人们推测这种G-四链结构是用来保护端粒的完整性。
近来，人们还发现某些癌基因的启动子和mRNA的3-’非翻译区都有一些富含鸟嘌呤的序列。
这些序列可以通过形成特定的G-四链结构对基因转录和蛋白质合成进行适度的调控。受离子类型、离子浓度、鸟嘌呤G排列顺序的影响，富含鸟嘌呤的序列可以形成具有不同拓扑构象的G-四链体。
二、DNA双链经过盘绕折叠形成致密的高级结构
概述
线性的DNA双链不是一条刚性分子，具有一定程度的柔韧性。
一旦发生弯曲，DNA双链就会在其内部产生一定的应力。DNA双链需要形成一种超螺旋结构（ superhelix或 supercoil），释放出这些应力使DNA处在一个低能量的稳定状态。
当盘绕方向与DNA双螺旋方同相同时，其超螺旋结构为正超螺旋（ positive supercoil）；反之则为负超螺旋（ negative supercoil）。
在生物体内，DNA的超螺旋结构是在拓扑异构酶参与下形成的。
拓扑异构酶可以改变超螺旋结构的数量和类型。
自然条件下的DNA双链主要是以负超螺旋形式存在的，经过一系列的盘绕、折叠和压缩后，形成了高度致密的高级结构。
（一）封闭环状的DNA具有超螺旋结构
绝大部分原核生物的DNA是环状的双螺旋分子
在细胞内经过进一步盘绕后，形成了类核（ nucleoid）结构
类核占据了细胞的大部分空间，并通过与蛋白质的相互作用黏附在细胞内壁。
在细菌DNA中，不同的DNA区域可以有不同程度的超螺旋结构超螺旋结构可以相互独立存在。
分析表明，在大肠杆菌的环状DNA中，平均每200个碱基就有一个负超螺旋形成。负超螺旋的DNA双链只能以封闭环状的形式或者在与蛋白质结合的条件下存在，以避免它们之间的相互纠缠。 这种负超螺旋形式产生了DNA双链的局部解链效应，有助于诸如复制、转录等生物过程的进行。
线粒体和叶绿体是真核细胞中含有核外遗传物质的细胞器。
线粒体DNA（ mitochondrial DNA， mtDNA）也是具有封闭环状的双螺旋结构。
人mtDNA的长度是16569bp，编码了37个基因，包括13个蛋白质、2个rRNA和22个tRNA。
（二）真核生物DNA被逐级有序地组装成高级结构
人类基因组大约有3×109个碱基对，这是一条长度约为1.7m的线性大分子。将这样的一条DNA双链组装在细胞核内，DNA双链需要进行一系列的盘绕、折叠和压缩。
在细胞周期的大部分时间里，细胞核内的DNA以松散的染色质（ chromatin）形式存在，只有在细胞分裂期间，细胞核内的DNA才形成高度致密的染色体（ chromosome）。
染色质基本组成单位是核小体（ nucleosome）
在电子显微镜下观察到的染色质具有串珠样的结构。
组成
八个组蛋白分子（H2A×2，H2B×2，H3×2和H4×2）共同形成了一个八聚体的核心组蛋白。 长度约146bp的DNA双链在核心组蛋白上盘绕1.75圈，形成核小体的核心颗粒（ core particle）。 核心颗粒是尺寸约11nm×6nm的盘状颗粒。
一段双链DNA
4种碱性的组蛋白（ histone，简写为H）
连接相邻核小体之间的一段DNA称为连接段DNA（ linker DNA）
其长度在0～50bp之间不等，是非组蛋白结合的区域
组蛋白H1结合在盘绕在核心组蛋白上的DNA双链的进出口处，发挥稳定核小体结构的作用
核小体核心颗粒和DNA双链形成了10nm的串珠状结构，也称为染色质纤维。
这是DNA核内形成致密结构的第一次折叠，使DNA的长度压缩了约7倍。
染色质纤维按照左手螺旋方式进一步盘绕卷曲在组蛋白H1的参与下形成外径为30nm、内径为10nm的中空状螺线管（ solenoidal）。
每个螺旋有6个核小体，组蛋白H1位于螺线管的内侧，继续发挥稳定螺线管的作用。
染色质纤维中空状螺线管的形成与DNA特定区间的转录活性相关
正在进行转录的区间处在一种明显的无序状态之中，组蛋白质H1的数量也较少。
染色质纤维中空状螺线管的形成是DNA在细胞内的第二次折叠，使DNA的压缩程度达到约40～60倍。
关于30nm中空状螺线管如何压缩成染色体，尚存争议。目前得到较为广泛认可的是多级螺线化模型（ multiple coiling model）。
染色质纤维螺线管的进一步卷曲和折叠形成了直径为400nm的超螺线管（ supersolenoid），这一过程将DNA的长度又压缩了40倍。之后，超螺线管的再度盘绕和压缩形成染色单体，在核内组装成染色体，使DNA长度又压缩了5～6倍。这样，在染色体形成的过程中，DNA的长度总共被压缩了8000～10000倍，从而将近2m长的DNA有效地组装在直径只有几微米的细胞核中。
真核生物染色体有端粒（ telomere）和着丝粒（ centromere）两个功能区
端粒（ telomere）
端粒是染色体端膨大的粒状结构，由染色体端DNA（也称端粒DNA）与DA结合蛋白共同构成。
端粒DNA由简单重复序列构成，人的端粒DNA的重复序列是 TTAGGG，以四链体的结构存在。
端粒在维持染色体结构的稳定性和维持复制过程中的DNA的完整性方面具有重要作用
此外，端粒DNA的结构和稳定性还与衰老及肿瘤的发生发展密切有关。
着丝粒（ centromere）
着丝粒是两个染色单体的连接位点，富含AT序列。
细胞分裂时，着丝粒可分开使染色体均等有序地进入子代细胞。
三、DNA是主要的遗传物质
DNA是细菌性状的遗传物质
早在20世纪30年代，人们就已经知道了染色体是遗传物质，也知道了DNA是染色体的组成部分。 但是直到1944年，美国细菌学家O. Avery才首次证明了DNA是细菌性状的遗传物质。 他们从有荚膜的致病的Ⅲ型肺炎球菌中提取出DNA，可以使另一种无荚膜的非致病性的Ⅱ型肺炎球菌细胞转变成了致病菌，而蛋白质和多糖物质没有这种功能。如果DNA被脱氧核糖核酸酶降解后，则失去转化功能。但是已经转化了的细菌，其后代仍保留了合成Ⅲ型荚膜的能力。这些实验结果证明了DNA是携带生物体遗传信息的物质基础。 1952年，A. Hershey和M. Chase用大肠杆菌噬菌体的DNA进行的性状表达实验，进一步确认了DNA是遗传信息的载体。
一个生物体的基因组（genome）是指包含在该生物的DNA（部分病毒除外）中的全部遗传信息，即一套染色体中的完整的核苷酸序列。
一般来讲，
各种生物体基因的大小所包含的基因数量和种类都有所不同。
进化程度越高的生物体，其基因组越大越复杂。
简单生物的基因组仅含有几千个碱基对，而高等动物的基因组可高达109碱基对，使可编码的信息量大大增加。
病毒颗粒的基因组可以由DNA组成，也可以由RNA组成，两者一般不共存。
病毒基因组的DNA和RNA可以是单链的，也可以是双链的，可以是环形分子，也可以是线性分子。
DNA是生物体遗传信息的载体，并为基因复制和转录提供了模板。
它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。
DNA具有高度稳定性的特点，用来保持生物体系遗传特征的相对稳定性。
同时，DNA又表现出高度复杂性的特点，它可以发生各种重组和突变，适应环境的变迁，为自然选择提供机会，使大自然表现出丰富的生物多样性。
第三节 RNA的空间结构与功能
概述
一般而言，RNA是DNA的转录产物。和DNA一样，RNA在生命活动中发挥着重要的作用。
分类
编码RNA（ coding RNA）
编码RNA是那些从基因组上转录而来、其核苷酸序列可以翻译成蛋白质的RNA
编码RNA仅有信使RNA（ messenger RNA，mRNA）一种
非编码RNA（non -coding RNA）
一类是确保实现基本生物学功能的RNA
转运RNA（ transfer RNA，tRNA）
核糖体RNA（ ribosomal RNA，RNA）
端粒RNA
信号识别颗粒（ signal recognition particle，SRP）RNA
它们的丰度基本恒定，故称为组成性非编码RNA（ consti tutive non-coding RNA）。
另一类是调控性非编码 RNA （regulatory non coding RNA）
它们的丰度随外界环境（应激条件等）和细胞性状（成熟度、代谢活跃度、康状态等）而发生改变，在基因表达过程中发挥重要的调控作用。
RNA通常以单链形式存在，较长的RNA可以通过链内的碱基互补配对形成局部的双螺旋二级结构以及复杂的高级结构。
RNA的种类、丰度、小和空间结构要比DNA复杂得多，这与它的功能多样性密切相关。
一、mRNA是蛋白质生物合成的模板
概述
信使RNA（mRNA）
20世纪40年代，科学家发现细胞质内蛋白质的合成速度与RNA水平相关。 1960年，F Jacob和J. Monod等人用放射性核素示踪实验证实，一类大小不一的RNA才是细胞内合成蛋白质的真正模板。后来这类RNA被证明是在核内以DNA为模板的合成产物，然后转移至细胞质内。这类RNA被命名为信使RNA（mRNA）。
在生物体内，mRNA的丰度最小，仅占细胞RNA总重量的2％～5％。
但是mRNA的种类最多，约有105个之多，而且它们的大小也各不相同。
mRNA的平均寿命也相差甚大，从几分钟到几小时不等。
在真核细胞中，细胞核内新生成的mRNA初级产物被称为核不均一RNA（ heterogeneous nuclear RNA， hnRNA）。
hnRNA在细胞核内合成后，经过一系列的转录后修饰，剪接成为成熟mRNA，最后被转运到细胞质中。
1.真核细胞mRNA的5-端有帽结构
大部分真核细胞mRNA的5-’端都有一个反式7-甲基鸟嘌呤-三磷酸核苷（ m7Gppp）的起始结构，被称为5’-帽结构（5’-cap structure）。
原核生物mRNA没有这种特殊的5’-帽结构。
5’-帽结构是鸟苷酸转移酶将鸟嘌呤三磷酸核苷加到转录后的mRNA的5-’端，形成了一个5’-5’三磷酸键，使mRNA的5’-端不再具有磷酸基团。
5’-帽结构下游的第一个和第二个核苷酸中C-2’的羟基通常也会被甲基化成为甲氧基戊糖，由此产生数种不同的帽结构。
真核生物mRNA的5’-帽结构可以与一类称为帽结合蛋白（ cap binding protein，CBP）的分子结合形成复合体。
这种复合体有助于维持mRNA的稳定性，协同mRNA从细胞核向细胞质的转运，以及在蛋白质生物合成中促进核糖体和翻译起始因子的结合。
2.真核生物和有些原核生物mRNA的3’-端有多聚腺苷酸尾的结构
真核生物mRNA的3’-端是一段由80～250个腺苷酸连接而成的多聚腺苷酸结构，称为多聚腺苷酸尾或多聚（A）尾［poly（A）-tail］结构。
多聚（A）尾结构是在mRNA转录完成以后加入的，催化这一反应的酶是多聚腺苷酸聚合酶
在细胞内，多聚（A）尾结构与poly（A）结合蛋白［poly（A）--binding protein，PABP］结合，大约每20个腺苷酸结合一个PABP分子。
作用
目前认为，这种3’-多聚（A）尾结构和5’-帽结构共同负责mRNA从细胞核向细胞质的转运、维持mRNA的稳定性以及翻译起始的调控。
去除3’-多聚（A）尾和5’-帽结构可导致细胞内的mRNA的迅速被降解。有些原核生物mRNA的3’-端也有这种多聚（A）尾结构，虽然它的长度较短，但是同样具有重要的生物学功能。
3.真核生物细胞核内的hnRNA经过一系列的修饰和剪接成为成熟的mRNA
在 hnRNA向细胞质转移的过程中，内含子被剪切掉，外显子连接在一起。再经过加帽和加尾修饰后， hnRNA成为成熟mRNA。
比较 hnRNA和成熟mRNA发现，前者的长度远远大于后者。细胞核内的初级转录产物hnRNA含有许多交替相隔的外显子（exon）和内含子（ intron）。外显子是构成mRNA的序列片段，而内含子是非编码序列。
4.mRNA的核苷酸序列决定蛋白质的氨基酸序列
一条成熟的真核mRNA包括
5’-非翻译区
从成熟mRNA的5’-帽结构到核苷酸序列中第一个AUG（即起始密码子）之间的核苷酸序列被定义为5’-非翻译区（5’-untranslated region，5’-UTR）。
编码区
由起始密码子和终止密码子所限定的区域定义为mRNA编码区，也称可读框（ open reading frame ORF）。
从这个AUG开始，每三个连续的核苷酸组成一个遗传密码子（ genetic codon）,每个密码子编码一个氨基酸，直到由三个核苷酸（UAA，或UAG，或UGA）组成的终止密码子。
该区域是编码蛋白质多肽链的核苷酸序列。
3’-非翻译区
从mRNA可读框的下游直到多聚A尾的区域称为3’-非翻译区（3’-untranslated- region，3’-UTR）
这些非翻译区通过与调控因子或非编码RNA的相互作用调控蛋白质生物合成。
二、tRNA是蛋白质合成中氨基酸的载体
概述
转运RNA（ transfer RNA，tRNA）作为蛋白质合成的底物—氨基酸的载体参与蛋白质合成，为合成中的多肽链提供活化的氨基酸。
tRNA占细胞RNA总重量的15％左右。已知的tRNA都是由74～95个核苷酸组成的。
tRNA具有稳定的空间结构。
1.tRNA含有多种稀有碱基
稀有碱基（ rare base）是指除A、G、C和U外的一些碱基，包括
双氢尿嘧啶（ dihydrouracil，DHU）
假尿嘧啶核苷（pseudouridine，Ψ）
正常的嘧啶核苷是杂环的N-1原子与戊糖的C-1’原子连接形成糖苷键，而假尿嘧啶核苷则是杂环的C-5原子与戊糖的C-1’原子相连。
甲基化的嘌呤（m7G、m7A）
tRNA分子中的稀有碱基均是转录后修饰而成的
tRNA中的稀有碱基占所有碱基的10％～20％。
2.tRNA具有特定的空间结构
tRNA存在着一些核苷酸序列，能够通过碱基互补配对的原则，形成局部的链内的双螺旋结构。
茎环(stem-loop）结构/发夹（ hairpin）结构
在这些局部的双螺旋结构之间的核苷酸序列不能形成互补的碱基对则膨出形成环状或襻状结构。这样的结构称为茎环(stem-loop）结构或发夹（ hairpin）结构。
由于这些茎环结构的存在，tRNA的二级结构呈现出酷似三叶草（ cloverleaf）的形状。
基本结构
位于两侧的发夹结构含有稀有碱基，分别称为DHU环和TΨC环；
位于上方的茎称为氨基酸臂（ amino acid arm），亦称接纳茎；
位于下方的发夹结构则称为反密码子环（ anticodon loop）
此外，在反密码子环与TѰC环之间还有一个可变臂。不同tRNA的可变臂的长短不一，从几个到十几个核苷酸数不等
除可变臂和DHU环外，其他部位的核苷酸数目和碱基对具有高度保守性
X射线晶体衍射图分析表明，所有的tRNA都具有相似的倒“L”形的空间结构。
稳定tRNA的三级结构的力是某些碱基之间产生的特殊氢键和碱基堆积力。
3.tRNA的3-端接连着氨基酸
所有tRNA的3’-端都是以CCA三个核苷酸结束的
氨酰-tRNA合成酶将氨基酸通过酯键连接在腺嘌呤A的C-3’原子上，生成了氨酰tRNA，从而使tRNA成为了氨基酸的载体。
只有连接在tRNA的氨基酸才能参与蛋白质的生物合成。
tRNA所携载的氨基酸种类是由tRNA的反密码子（ anticodon）所决定的。
有的氨基酸只有一种tRNA，而有的氨基酸有几种tRNA作为载体，以适应mRNA上密码子简并性的需求。
4.tRNA的反密码子能够识别mRNA的
反密码子
概念
tRNA的反密码子环由7～9个核苷酸组成，居中的3个核苷酸通过碱基互补配对的关系识别mRNA上的密码子，因此被称为反密码子。
密码子与反密码子的结合使tRNA能够转运正确的氨基酸参与蛋白质多肽链的合成。
例如，携带酪氨酸的tRNA反密码子是-GUA-，可以与mRNA上编码酪氨酸的密码子-UAC-互补配对。
在蛋白质合成中，氨酰-tRNA的反密码子依靠碱基互补的方式辨认mRNA的密码子，将其所携带的氨基酸正确地转递到合成中的多肽链上。
三、以rRNA为主要成分的核糖体是蛋白质合成的场所
核糖体RNA（ ribosomal RNA，rRNA）是细胞中含量最多的RNA，约占RNA总重量的80％以上。 rRNA有确定的种类和保守的核苷酸序列。
rRNA与核糖体蛋白（ ribosomal protein）共同构成核糖体（ ribosome），它将蛋白质生物合成所需要的mRNA、tRNA以及多种蛋白质因子募集在一起，为蛋白质生物合成提供了必需的场所。
原核细胞有三种rRNA，依照分子量的大小分为5S、16S和23S（S是大分子物质在超速离心沉降中的沉降系数）。它们与不同的核糖体蛋白结合分别形成了核糖体的大亚基（ large subunit）和小亚基（ small subunit）。
真核细胞的四种rRNA也利用相类似的方式构成了真核细胞核糖体的大亚基和小亚基。
人们已经完成了rRNA的核苷酸测序，并解析了它们的空间结构。
rRNA的二级结构有许多茎环结构，这些茎环结构为核糖体蛋白结合和组装在rRNA上提供了结构基础。
将纯化的核糖体蛋白和rRNA在试管内混合，它们就可以自动组装成具有活性的大亚基和小亚基
大亚基和小亚基进一步组装成核糖体
大小亚基的结合区域的沟槽是mRNA的结合部位。
核糖体有三个重要的部位
A位:结合氨酰-tRNA的氨酰位（ aminoacyl site）；
P位:结合肽酰-tRNA的肽酰位（ peptidyl site）；
E位:释放已经卸载了氨基酸的tRNA的排出位（ exit site）
四、组成性非编码RNA是保障遗传信息传递的关键因子
除tRNA和rRNA外，真核细胞中还有其他类型的组成性非编码RNA。这些RNA作为关键因子参与了RNA的剪接和修饰、蛋白质的转运以及调控基因表达。
1.催化小RNA
催化小RNA也称为核酶（ ribozyme），是细胞内具有催化功能的一类小分子RNA统称，具有催化特定RNA降解的活性，在RNA合成后的剪接修饰中具有重要作用（见第十四章）。
2.核仁小RNA
snoRNA定位于核仁，主要参与rRNA的加工。
tRNA的核糖C-2’的甲基化过程和假尿嘧啶化修饰都需要 SnoRNA的参与。
3.核小RNA
SnRNA参与了真核细胞mRNA的成熟过程。
一个 snRNA与大约20种蛋白质组成了细胞的核小核糖核蛋白（ small nuclear ribonucleoprotein snRNP）。
由于它们富含尿嘧啶，故命名为U-snRNA。
研究比较清楚的 snRNA有U1、U2、U4、U5、U6和U7。它们的作用是识别 hnRNA上的外显子和内含子的接点，切除内含子。
这些 snRNA的5’-端有一个与mRNA相类似的5’-帽结构（见第十四章）。
4.胞质小RNA
ScRNA存在细胞质中，与蛋白质结合形成复合体后发挥生物学功能。
例如，SRP-RNA与六种蛋白质共同形成信号识别颗粒（signal recognition particle，SRP），引导含有信号肽的蛋白质进入内质网进行合成（见第十五章）。
五、调控性非编码RNA参与了基因表达调控
概述
调控性非编码RNA按其大小分类
非编码小RNA（ small non-coding- RNA， sncRNA）
长非编码RNA（long non-coding- RNA， IncRNA）
环状（ circular RNA， circRNA）
虽然这一类RNA通常不编码蛋白质，但是它们仍然表现出了许多重要的生物学功能
因此，在胚胎发育、组织分化、信号转导、器官形成等基本的生命活动中以及在疾病（如肿瘤、神经性疾病等）的发生和发展进程中都有非编码RNA的参与。
录调控RNA剪切和修饰
mRNA的翻译蛋白质的稳定和转运
染色体的形成和结构稳定
（一）非编码小RNA的特征和作用
sncRNA
通常认为， sncRNA的长度小于200nt。
微RNA（ microRNA， miRNA）
微RNA是近年来研究较多的内源性 sncRNA，它在真核生物中大量存在，长度在20～25nt之间。
合成过程
在细胞核中，编码 miRNA的基因由RNA聚合酶Ⅱ转录生成长度约为几千个碱基的初级转录本pri-miRNA。
在细胞核内，pri- miRNA在蛋白质复合体（400～500kD）的作用下经过了第一次的加工。
这个蛋白质复合体由 Drosha和 Pasha两个蛋白质组成，它们分别是 RNaseⅢ蛋白和双链RNA结合蛋白。
pri–miRNA在Drosha的作用下被加工成含有60～70nt具有发夹结构的 miRNA前体（pre-miRNA）。
pre-miRNA在RanGTP/Exportin-5转运蛋白的协助下从核内转运到细胞质中。
在细胞质中，pre-miRNA被 RNaseⅢ酶家族中的成员 Dicer所识别，并通过对茎环结构的剪切和修饰，在细胞质内形成大约20个碱基对长的 miRNA: miRNA＊双链。
这种miRNA: miRNA＊双链与 Argonaute家族蛋白形成RNA诱导的沉默复合体
其中的 miRNA＊被降解
miRNA则被保留在 miRISC中，最终形成成熟的单链 miRNA。
对基因表达的调控作用
微RNA对基因表达的调控作用表现在转录后水平上，主要是通过两种机制下调靶基因的表达。
这两种机制的选择主要取决于 miRNA与靶基因mRNA序列的互补程度。
如果 miRNA与靶基因mRNA完全互补， miRNA将与靶基因mRNA的可读框中的序列形成完全互补的RNA双链， miRISC将双链中的mRNA降解，沉默基因转录后的表达。
如果 miRNA与靶基因mRNA不完全互补，则 miRNA将与靶基因mRNA的3’-非翻译区的序列形成非完全互补的杂交双链， miRISC紧紧地结合在杂交双链上，特异性地抑制基因表达。
miRNA参与了细胞的生长、分化、衰老、凋亡、自噬、迁移、侵袭等多种过程。
干扰小RNA（small interfering RNA， siRNA）
分类
内源性
内源性 siRNA是由细胞自身产生的
外源性
外源性 siRNA来源于外源入侵的基因表达的双链RNA，经 Dicer切割所产生的具有特定长度（21~23bp）和特定序列的小片段RNA。
功能
这些 siRNA可以与AGO蛋白结合并诱导这些mRNA的降解。
siRNA还有抑制转录的功能。
利用这一机制发展起来的RNA干扰（ RNA interference RNAi）技术是用来研究基因功能的有力工具。
piRNA
piRNA是从哺乳动物生殖细胞中分离得到的一类长度约为30nt的小RNA。
这类小RNA与PIWI蛋白家族成员结合才能发挥其调控作用，故称为 piRNA（ piwi interacting RNA）。
piRNA主要存在哺乳动物生殖细胞和干细胞中，通过与PIWI蛋白家族成员结合形成piwi复合物来调控基因沉默。
（二）长非编码RNA的特征和作用
长非编码RNA是一类长度为200～100000个核苷酸的RNA分子。 IncRNA定位于细胞核内和细胞质内。 它们不编码任何蛋白质。 以前它们被认为是基因组转录过程中的“噪声”而被忽略掉现在越来越多的证据表明它们是一类具有特殊功能的RNA。
概述
IncRNA由RNA聚合酶Ⅱ转录生成，经剪切加工后，形成具有类似于mRNA的结构。
IncRNA有poly（A）尾巴和启动子，但序列中不存在可读框。
IncRNA可以来源于蛋白质编码基因、假基因以及蛋白质编码基因之间的DNA序列。
IncRNA具有强烈的组织特异性与时空特异性
不同组织之间的IncRNA表达量不同，同一组织或器官在不同生长阶段， IncRNA表达量也不同。
IncRNA的作用机制有以下几种
由此可见， IncRA具有调控的多样性，可从染色质重塑、转录调控及转录后加工等多个层面上实现对基因表达进行调控。
结合在编码蛋白质的基因上游启动子区，干扰下游基因的表达；
抑制RNA聚合酶Ⅱ或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因的表达；
与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链，干扰mRNA的剪切，形成不同的剪切形式；
与编码蛋白质基因的转录本形成互补双链，在 Dicer酶的作用下产生内源性 siRNA；
与特定蛋白质结合， IncRNA转录本可调节相应蛋白质的活性；
作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体；
结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位；
作为小分子RNA（如 miRNA、 piRNA）的前体分子。
长非编码RNA与人类疾病的发生密切相关
现已得知包括癌症以及退行性神经疾病在内的多种严重危害人类健康的重大疾病都与长链非编码RNA的序列和空间结构的异常、表达水平的异常、与结合蛋白相互作用的异常等密切相关。
（三）环状RNA的特征和作用
环形RNA分子
2012年，美国科学家在研究人体细胞的基因表达时，首次发现了环形RNA分子。截至目前，人们已经在哺乳动物转录组中发现了数以千计的环状RNA，这似乎表明环状RNA而非线性RNA分子是更普遍的现象。 由于 circRNA的首尾连接，没有尾巴，因此 circRNA容易在传统的分离过程被丢弃掉。这是为什么以前 circRNA一直没有被发现的主要原因。
环状RNA是一类特殊的RNA分子。与传统的线性RNA不同， circRNA分子呈封闭环状结构，没有5′-端和3’-端，因此不受RNA外切酶的影响，表达更稳定，不易降解。
已知的 circRNA分子或来自外显子，或兼有外显子和内含子的部分。
circRNA几乎完全定位于细胞核中 。
circRNA具有序列的高度保守性，具有一定的组织、时序和疾病特异性。
小鼠、人类和斑马鱼的各个组织都可以表达 circRNA分子，这些 circRNA分子富含 miRNA的结合位点，在细胞中起到 miRNA海绵（ miRNA sponge）的作用。
通过结合 miRNA，进而解除 miRNA对其靶基因的抑制作用，升高靶基因的表达水平，产生相应的生物学效应，这一作用机制被称为竞争性内源RNA（competing endogenous RNA， ceRNA）机制。
通过与疾病关联的 miRNA相互作用， circRNA在疾病中发挥着重要的调控作用。
这说明 circRNA很可能就是一类新的调控性内源竞争性RNA，从而使得环状RNA在作为新型临床诊断标记物的开发应用上具有明显优势。
第四节 核酸的理化性质
一、核酸具有强烈的紫外线吸收
嘌呤和嘧啶是含有共轭双键的杂环分子。因此，碱基、核苷、核苷酸和核酸在紫外波段都有较强烈的吸收。
在中性条件下，它们的最大吸收值在260nm附近
根据260nm处的吸光度（ab- sorbance at 260nm，A260），可以判断出溶液中的DNA或RNA的含量。
利用260nm与280nm的吸光度比值（A260/ A280）还可以判断从生物样品中提取的核酸样品的纯度。
DNA纯品的A260/ A280的比值应为1.8；而RNA纯品的A260/ A280的比值应为2.0。
实验中常以A260＝1.0对应于50μg/ml双链DNA，或40μg/ml单链DNA或者RNA，或20μg/ml寡核苷酸为标准定量溶液中的核酸含量。
核酸为多元酸，具有较强的酸性。
DNA和RNA都是线性高分子，因此它们溶液的黏滞度极大。
但是，RNA的长度远小于DNA，含有RNA的溶液的黏滞度也小得多。
DNA大分子在机械力的作用下易发生断裂，因此在提取基因组DNA时应该格外小心，避免破坏基因组DNA的完整性。
溶液中的核酸分子在引力场中可以沉淀。
在超速离心形成的引力场中不同构象的核酸分子（如环状超螺旋和线性等）的沉降速率有很大差异。这是超速离心法提取和纯化不同构象核酸的理论基础。
二、DNA变性是一条DNA双链解离为两条DNA单链的过程
DNA变性（ DNA denaturation）
某些极端的理化条件（温度、pH、离子强度等）可以断裂DNA双链互补碱基对之间的氢键以及破坏碱基堆积力，使一条DNA双链解离成为两条单链。这种现象称为DNA变性（ DNA denaturation）
虽然DNA变性破坏了DNA的空间结构，但是没有改变DNA的核苷酸序列。
DNA的增色效应（ hyperchromic effect）
概念
在DNA解链过程中，有更多的包埋在双螺旋结构内部的碱基得以暴露，因此含有DNA的溶液在260nm处的吸光度随之增加。这种现象称为DNA的增色效应（ hyperchromic effect）。
在实验室条件下，使DNA变性的最简单和最直接的方法是加热。
如果以温度相对于A260值作图，所得的曲线称为DNA解链曲线（ melting curve，或熔解曲线）。
监测DNA在260nm吸光度的变化是判断DNA双链是否发生变性的一个常用的方法。
随着温度的升高，A260缓慢上升，表明DNA双链开始解链。
当接近某个温度时，A260发生了急剧的增加，并到达饱和，表明一条DNA双链解离成了两条DNA单链。
解链后，温度的进一步升高并没有导致A260发生太大的变化。
解链曲线显示解链过程是在一个相对较窄的温度范围内完成的。
解链温度
定义
解链曲线上，紫外吸光度的变化（△A260）达到最大变化值的一半时所对应的温度被定义为DNA的解链温度（ melting temperature，Tm或称熔解温度）。
在此温度时，50％的DNA双链解离成为了单链。
DNA的Tm值与DNA长短以及碱基的GC含量相关。
GC的含量越高，Tm值越高；
离子强度越高，Tm值也越高。
Tm值可以根据DNA的长度、GC含量以及离子浓度来简单地估算出来。
小于20bp的寡核苷酸片段的Tm值可用公式Tm＝4（G＋C）＋2（A＋T）来估算，其中G、C、A和T是寡核苷酸片段中所含有的碱基个数。
三、变性的核酸可以复性或形成杂交双链
复性（ renaturation）
概念
把变性条件缓慢地除去后，两条解离的DNA互补链可重新互补配对形成DNA双链，恢复原来的双螺旋结构。这一现象称为复性（ renaturation）。
例如，热变性的DNA经缓慢冷却后可以复性，这一过程也称为退火（annealing）。
但是，将热变性的DNA迅速冷却至4℃时，两条解离的互补链还来不及形成双链，所以DNA不能发生复性。这一特性被用来保持解链后的DNA单链处在变性状态。
核酸分子杂交（hybridization）
核酸分子杂交是一项被广泛地应用在分子生物学和医学中的技术， Southern印迹、Northern印迹、斑点印迹、原位杂交、PCR扩增、基因芯片等核酸检测方法都利用了核酸分子杂交的原理。 这一技术被广泛地用来研究DNA片段在基因组中的定位、鉴定核酸分子间的序列相似性、检测靶基因在待检样品中存在与否等。
概念
如果将不同种类的DNA单链或RNA单链混合在同一溶液中，只要这两种核酸单链之间存在着一定程度的碱基互补关系，它们就有可能形成杂化双链（ heteroduplex）。这种现象称为核酸分子杂交（hybridization）。
这种双链可以在两条不同的DNA单链之间形成，也可以在两条RNA单链之间形成，甚至还可以在一条DNA单链和一条RNA单链之间形成。