DNA基础理论
（一）DNA的结构
脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid），简称DNA，由许多个核苷酸通过磷酸二酯键连接而成，是生物细胞中的一种大分子，几乎是所有生物遗传信息的携带者。DNA巧妙地将生物的遗传信息编码在其分子结构中，是主要的遗传物质。人的DNA主要存在于细胞核中，被组蛋白紧密包装在染色体中，人的二倍体细胞含有23对染色体，一个染色体含有一个DNA分子，一切遗传信息都包含在这23对DNA分子中，这部分DNA又称为核DNA。此外，在人细胞质中的线粒体上还有较小的环状DNA分子，称为线粒体DNA，线粒体DNA由母系遗传。
DNA的基本构成单位是脱氧核苷酸。一个核苷酸由一个含氮碱基、一个脱氧戊糖和一个磷酸组成。碱基主要有四种，即腺嘌呤（adenine， A）、鸟嘌呤（guanine， G）、胞嘧啶（cytosine， C）和胸腺嘧啶（thymine，T）。根据碱基的不同，形成四种不同的脱氧核苷酸。DNA分子中的碱基有如下规律：（1）腺嘌呤和胸腺嘧啶的克分子含量相等，即A=T；鸟嘌呤和胞嘧啶的克分子含量相等，即G=C。因此，嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=C+T。（2）DNA碱基组成具有种的特异性，不同生物种的DNA具有自己独特的碱基组成。（3）DNA碱基组成没有组织和器官的特异性，同一个体内组织和器官的DNA碱基组成相同。（4）年龄、营养状态、环境改变不影响DNA的碱基组成。 DNA有两个主要功能：①细胞分裂时复制其自身，分裂后的细胞携带相同的遗传信息；②携带遗传信息，以指导合成人体组织所需的蛋白质。蕴藏于DNA自身结构中的信息密码一半来源于父亲，另一半来源于母亲，且可以代代相传。
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苷酸通过3′、5′磷酸二酯键连接而成的线形分子。从同一个磷酸基的3′酯键到5′酯键的方向定义为链的方向。DNA的一级结构的重要意义不仅在于蕴藏了遗传信息，还在于决定了DNA的二级结构和空间结构。
2.DNA的二级结构
DNA分子由两条反向平行的脱氧核苷酸链形成右手双螺旋结构，两条链之间通过碱基之间形成的氢键结合在一起。由脱氧核糖和磷酸基形成的两条主链由于其亲水作用处于螺旋的外侧，碱基侧处于螺旋的内侧。碱基按照碱基互补原则配对，即A与T之间有两个氢键连结，G与C之间有三个氢键连结，这是DNA双螺旋结构的重要特性之一，DNA的许多性质都与此有关。碱基互补原则贯穿于整个DNA分析技术。
3.DNA的三级结构
在DNA双螺旋结构的基础上，DNA还可以形成三级结构，双链环形DNA的超螺旋型和开环形。
（二）DNA的特性
1.DNA的紫外吸收
DNA的组成成分嘌呤和嘧啶具有强烈的紫外吸收，因此DNA也有强烈的紫外吸收，其最大的吸收值在260nm处，当波长为260nm时的光密度值为1时（0D260=1），双链DNA的浓度为50ug/ml，单链DNA的浓度为40ug/ml，单链DNA的浓度为50ug/ml时，其260nm时的光密度值为1.37。据此可以推算DNA样品的浓度。而蛋白质最大的吸收值在280nm处，利用这一特性，可以鉴别DNA样品的纯度。计算0D260nm与0D280nm的比值，若比值大于1.8，说明DNA样品比较纯，若比值小于1.6，说明样品中有蛋白质或其他吸收紫外波长的杂质存在。
2.DNA的极性
DNA分子含有大量的磷酸基，是一种强极性分子，当溶液的PH值大于4时，DNA呈多阴离子状态，带负电荷，在电场中向阳极移动。多阴离子状态的DNA可与金属离子结合成盐，核酸盐的溶解度比游离酸的要大得多，所以DNA一般用TE溶解。溶液的PH值直接影响核酸双螺旋结构中碱基对之间的稳定性，对DNA来说，碱基对在PH4.0～11.0最为稳定。超过此范围，DNA就要变性。
3.DNA的变性和复性
变性是指DNA的双螺旋结构解开，配对碱基间的氢键断裂，DNA由双链变成单链，这个过程就叫变性，又称溶解。变性并不涉及核苷酸间共价键的断裂，核苷酸链内共价键的断裂叫降解。引起变性的因素有很多，由于温度升高而引起的变性叫热变性，由酸碱度改变引起的变性叫酸碱变性。能使DNA变性的试剂叫变性剂，如尿素、甲酰胺等。常用的DNA变性方法主要是热变性和碱变性，热变性使用得十分广泛，特别是用于变性动力学的研究，但是高温可能引起磷酸二酯键的断裂，得到长短不一的单链DNA，而碱变性则没有这个缺点。
DNA的热变性，将DNA溶液加热到80℃～100℃，DNA两条链碱基之间的氢键断裂，两条链彼此分离，形成无规则的线团构型。其在260nm处的紫外吸收值升高，称为增色效应。当0D260nm值增加到最大增值的一半时，这时的温度叫DNA的熔解温度或熔点，用Tm表示，这是一个鉴定DNA的非常有用和非常方便的参量。DNA的Tm值一般在70℃～80℃，Tm值与DNA的均一性、G-C含量和介质中的离子强度有关。
DNA的复性，已经变性的DNA当温度低于Tm值时，由单链变成双螺旋结构的过程，称为复性，又叫退火。复性并不是两条单链重新缠绕这样的简单过程，它首先从单链分子的无规则碰撞运动开始，这种碰撞过程是随机的，与DNA的浓度、DNA分子大小、溶液的温度和离子强度有关。只有当应该配对的一部分碱基相互靠近时，一般认为需要10～20个碱基对，特别是富含G-C的节段首先形成氢键，产生一个（或几个）双螺旋核心（这一步叫成核任用，nuleation），然后两条单链的其余部分就会像拉拉链一样迅速形成双螺旋结构（这一步叫拉拉链作用，zippering）。因此，复性过程的限制性因素是分子碰撞过程。需要注意，复性DNA分子不一定是原有的一对互补链，大部分复性DNA分子都不是原配的。
4.DNA的半保留复制
原则上，碱基互补配对原则保证了DNA分子的准确复制，将遗传信息传递给下一代。在体内，双螺旋DNA分子在解旋酶、解链酶的作用下，变成单链DNA分子，每条链作为合成DNA新链的模板，在DNA聚合酶的作用下，核苷酸按碱基互补配对原则，沿模板链的3′到5′方向延伸，新链的延伸方向为5′到3′。合成与模板链互补的新链，结果产生两个与原来相同的分子，传递给子代。这个过程可以在体外模拟，就是聚合酶式反应。
DNA的热变性和复性的特性，以及碱基互补配对原则在核酸研究中有重要作用，是DNA分子杂交和扩增技术的基础原理。