第四章DNA、RNA、和遗传信息流 Chapter 4 Opener part 1 Blochemistry,Sixth Edition 2007 W.H.Freeman and Company 这个母亲和她的两个女儿基因相同，所以她们长得很相像。基因必须表达后才能执行其功能。 蛋白质调节基因的表达。锌指纹蛋白是一个调节基因表达的蛋白质。该蛋白质（用绿色球表 示锌；用红色表示蛋白质)能够与相应的DNA区域（黑色）结合。这段DNA区域就是基因 表达的调控区域[left)Barnaby Hall/Photonica.(right)Drawn from 1AAY.pdb]。 DNA和RNA是核酸。核酸携带的遗传信息能够一代代传递。这些生物大分子是很多核 苷酸的线性聚合物。每个核苷酸有糖基、磷酸、和碱基。磷酸连接的糖形成核酸骨架，起结 构作用。核酸链排布的碱基序列携带遗传信息。DNA分子是双螺旋，有两条序列互补的核 酸链。一条核酸链可以充当另一条核酸链的模板。DNA是所有细胞和很多病毒的基因。但 是有些病毒的遗传物质是RNA分子。 基因决定了细胞蛋白质的种类，但是DNA不是蛋白质合成的直接模板。DNA链的序列 信息先拷贝到RNA分子（即信使RNA,mRNA)。mRNA所携带的遗传信息指导蛋白质合成。 DNA信息拷贝到RNA分子的过程叫转录(transcription),而mRNA分子作为模板指导蛋白 质合成的过程叫潮译translation)。在正常细胞内遗传信息的流动（也称基因表达)是DNA 转录产生RNA,RNA作为模板翻译成蛋白质。 transcription translation DNA RNA Protein
第四章 DNA、RNA、和遗传信息流 这个母亲和她的两个女儿基因相同，所以她们长得很相像。基因必须表达后才能执行其功能。 蛋白质调节基因的表达。锌指纹蛋白是一个调节基因表达的蛋白质。该蛋白质（用绿色球表 示锌；用红色表示蛋白质）能够与相应的 DNA 区域(黑色）结合。这段 DNA 区域就是基因 表达的调控区域 [(left)Barnaby Hall/Photonica. (right) Drawn from 1AAY.pdb]。 DNA 和 RNA 是核酸。核酸携带的遗传信息能够一代代传递。这些生物大分子是很多核 苷酸的线性聚合物。每个核苷酸有糖基、磷酸、和碱基。磷酸连接的糖形成核酸骨架，起结 构作用。核酸链排布的碱基序列携带遗传信息。DNA 分子是双螺旋，有两条序列互补的核 酸链。一条核酸链可以充当另一条核酸链的模板。DNA 是所有细胞和很多病毒的基因。但 是有些病毒的遗传物质是 RNA 分子。 基因决定了细胞蛋白质的种类，但是 DNA 不是蛋白质合成的直接模板。DNA 链的序列 信息先拷贝到 RNA 分子(即信使 RNA, mRNA)。mRNA 所携带的遗传信息指导蛋白质合成。 DNA 信息拷贝到 RNA 分子的过程叫转录（transcription)，而 mRNA 分子作为模板指导蛋白 质合成的过程叫翻译(translation)。在正常细胞内遗传信息的流动（也称基因表达）是 DNA 转录产生 RNA，RNA 作为模板翻译成蛋白质
DNA的核苷酸序列或RNA的核苷酸序列与蛋白质氨基酸序列之间的关系就是遗传密 码。几乎所有生物所用的遗传密码都是相同的。密码子(codo)用三联碱基序列构成，编码 一种氨基酸。真核生物转录和翻译之间还有一个核酸剪接加工(splicing)步骤。真核基因 有外显子(exon)和内含子(intron)。基因转录将内含子和外显子作为一个转录单位，转录生成 的RNA分子称为前体RNA(pre-RNA)。在mRNA被翻译成蛋白质之前，必须先除去RNA 分子内的内含子序列。真核生物内含子和外显子序列的存在对蛋白质进化有重要意义。 4.1核酸含有连接于核糖磷酸骨架的四种碱基 核酸DNA和RNA适宜于充当遗传信息的载体，原因在于核酸分子的共价结构。这些生 物大分子的结构单位类似，各结构单位之间以末端对末端连接的方式形成的线性聚合物（图 41)。这种聚合物的每个单体是核苷酸。一个核苷酸单体含有三个组分，分别是一个糖、一 个磷酸、和一个碱基。各种核酸的碱基共有4种。核酸的碱基序列是核酸的独有特性，含有 线形信息。 Base; Basej+1 Basej+2 Sugar Sugar Sugar Sugar Sugar Phosphate Phosphate Phosphate Phosphate Phosphate 2007 W.H.Freeman and Company 图4.1核酸的聚合物结构。 H H 5 H HO OH HO OH H 3 HO OH HO Ribose Deoxyribose fgre品Sith diion 2007 W.HL Freeman and Company 图4.2核糖和脱氧核糖。糖单位的院子用阿拉伯数字加“，”表示，以区别于碱基原子的 序号（图4.4）
DNA 的核苷酸序列或 mRNA 的核苷酸序列与蛋白质氨基酸序列之间的关系就是遗传密 码。几乎所有生物所用的遗传密码都是相同的。密码子(codon)用三联碱基序列构成，编码 一种氨基酸。真核生物转录和翻译之间还有一个核酸剪接加工（splicing）步骤。真核基因 有外显子(exon)和内含子(intron)。基因转录将内含子和外显子作为一个转录单位，转录生成 的 RNA 分子称为前体 RNA（pre-RNA）。在 mRNA 被翻译成蛋白质之前，必须先除去 RNA 分子内的内含子序列。真核生物内含子和外显子序列的存在对蛋白质进化有重要意义。 4.1 核酸含有连接于核糖磷酸骨架的四种碱基 核酸 DNA 和 RNA 适宜于充当遗传信息的载体，原因在于核酸分子的共价结构。这些生 物大分子的结构单位类似，各结构单位之间以末端对末端连接的方式形成的线性聚合物（图 4.1）。这种聚合物的每个单体是核苷酸。一个核苷酸单体含有三个组分，分别是一个糖、一 个磷酸、和一个碱基。各种核酸的碱基共有 4 种。核酸的碱基序列是核酸的独有特性，含有 线形信息。 图 4.1 核酸的聚合物结构。 图 4.2 核糖和脱氧核糖。糖单位的院子用阿拉伯数字加“ ’ ”表示，以区别于碱基原子的 序号（图 4.4）
RNA和DNA的差异在于糖基组分和一种碱基 DNA的糖基是脱氧核糖。前缀脱氧(deoxy-)表示核糖2'-位碳原子所连接的氧原子已经 脱去（图4.2）。注意，糖的C-原子编号加上“，”，而碱基环的原子编号没有添加“’”， 使两者之间能够区分。核酸分子的一个糖基与另一个糖基之间用磷酸二酯键连接。一个核糖 的3’-羟基与磷酸脱水缩合成磷酸酯，后者又与下一个核糖的5’羟基脱水缩合。用磷酸二酯 键连接的糖链就是核酸骨架（图43）。对同类核酸而言，核酸骨架都是一样的。但核酸的碱 基排序则不同。DNA分子含有两种嚎吟碱基和两种嘧啶碱基（图44）。 base base base DNA ase ase RNA 品o 图4.3DNA和RNA的骨架。核酸骨架用3’-到5’-的磷酸二酯键连接。其中一个糖单位用红 色强调，一个磷酸基用蓝色强调。 PURINES Purine Adenine Guanine PYRIMIDIN Pyrimidine Cytosine Jraci 58eeohEdnon 2007 W.H.Freeman and Compary 图4.4嘌哈和嘧啶。碱基原子的编号不加“’”。RNA分子用尿嘧啶替代DNA的胸腺嘧啶
RNA 和 DNA 的差异在于糖基组分和一种碱基 DNA 的糖基是脱氧核糖。前缀脱氧（deoxy-)表示核糖 2'-位碳原子所连接的氧原子已经 脱去（图 4.2）。注意，糖的 C-原子编号加上“ ’ ”，而碱基环的原子编号没有添加“ ’ ”， 使两者之间能够区分。核酸分子的一个糖基与另一个糖基之间用磷酸二酯键连接。一个核糖 的 3’-羟基与磷酸脱水缩合成磷酸酯，后者又与下一个核糖的 5’-羟基脱水缩合。用磷酸二酯 键连接的糖链就是核酸骨架（图 4.3）。对同类核酸而言，核酸骨架都是一样的。但核酸的碱 基排序则不同。DNA 分子含有两种嘌呤碱基和两种嘧啶碱基（图 4.4）。 图 4.3 DNA 和 RNA 的骨架。核酸骨架用 3’-到 5’-的磷酸二酯键连接。其中一个糖单位用红 色强调，一个磷酸基用蓝色强调。 图 4.4 嘌呤和嘧啶。碱基原子的编号不加“ ’ ”。RNA 分子用尿嘧啶替代 DNA 的胸腺嘧啶
与DNA相似，RNA分子也是核苷之间用3'-到5'的磷酸二酯键连接的没有分支的线性 聚合物（图4.3）。RNA的共价结构与DNA的共价结构相比，有两，点差异。(1)RNA的糖 基是核糖，不是脱氧核糖。(2)RNA的一个碱基是尿嘧啶(U),而不是胸腺嘧啶(T)。 注意磷酸二酯键带负电荷。负电荷对亲核基团如氢氧根离子有排斥作用。因此磷酸二酯 比羧酸酯耐受碱攻击的能力强。耐受性加强有助于储存遗传信息分子的完整性。DNA分子 的2'位没有氧原子，使核酸耐受碱水解的能力更强，稳定性更高。这一特性可能正是现代 生物选用DNA(而不是RNA)作为遗传物质的原因。 核苷酸是核酸的基本单位 碱基与核糖共价连接的产物叫核苷。RNA分子的四种核苷分别是腺膘吟核苷 (adenosine),鸟嘌呤核苷(guanosine),胞嘧啶核苷(cytidine),和尿嘧啶核苷(uridine)。DNA 分子的四种核苷分别是脱氧腺嘌呤核苷(deoxyadenosine),脱氧鸟嘌呤核苷 (deoxyguanosine)),脱氧胞嘧啶核苷(deoxycytidine),和脱氧胸腺嘧啶核苷(thymidine)。在这 些核苷中，嘌吟的N-9位或嘧啶的N-1位与糖基的C-1'位共价连接（图4.5）。如果按照标准 方向书写核酸结构，碱基环处于糖基平面的上方，因此N-糖苷健是β-型。核苷酸是核苷与 1个或几个磷酸连接形成的磷酸酯。最常见的核苷酸是核苷5'-OH与磷酸交联形成的核苷5” 磷酸或5-核苷酸。例如ATP是腺苷5-三磷酸。该核苷酸是通用的能源分子，很重要。ATP 的三磷酸基团水解所释放的能量能驱动很多细胞过程(15章)。脱氧鸟嘌吟核苷3”磷酸 (dGMP)与ATP的差别有(I)碱基是鸟嘌吟而不是腺嘌呤；(2)糖基是脱氧核糖而不是核 糖；(3)只有一个磷酸而不是三个磷酸；和(4)磷酸化位置是3'而不是5。单体核苷酸连接 形成RNA和DNA。DNA分子的四个核苷酸单体是脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌吟核苷酸、 脱氧胞嘧啶核苷酸、和胸腺嘧啶核苷酸。注意：尽管胸腺嘧啶核苷酸也是脱氧核糖核苷酸， 但是通常不加前缀脱氧(deoxy-),因为RNA几乎没有胸腺嘧啶。 NH2 β-Glycosidic linkage 22 ho HO OH Figure 4-5 07H.Freemanand Company 图4.5核苷的糖苷使是β-型
与 DNA 相似，RNA 分子也是核苷之间用 3'-到 5'-的磷酸二酯键连接的没有分支的线性 聚合物（图 4.3）。RNA 的共价结构与 DNA 的共价结构相比，有两点差异。（1）RNA 的糖 基是核糖，不是脱氧核糖。（2）RNA 的一个碱基是尿嘧啶(U)，而不是胸腺嘧啶(T)。 注意磷酸二酯键带负电荷。负电荷对亲核基团如氢氧根离子有排斥作用。因此磷酸二酯 比羧酸酯耐受碱攻击的能力强。耐受性加强有助于储存遗传信息分子的完整性。DNA 分子 的 2’位没有氧原子，使核酸耐受碱水解的能力更强，稳定性更高。这一特性可能正是现代 生物选用 DNA（而不是 RNA)作为遗传物质的原因。 核苷酸是核酸的基本单位 碱基与核糖共价连接的产物叫核苷。RNA 分子的四种核苷分别是腺嘌呤核苷 （adenosine），鸟嘌呤核苷(guanosine)，胞嘧啶核苷(cytidine)，和尿嘧啶核苷(uridine)。DNA 分 子 的 四 种 核 苷 分 别 是 脱 氧 腺 嘌 呤 核 苷 （ deoxyadenosine ）， 脱 氧 鸟 嘌 呤 核 苷 (deoxyguanosine)，脱氧胞嘧啶核苷(deoxycytidine)，和脱氧胸腺嘧啶核苷(thymidine)。在这 些核苷中，嘌呤的 N-9 位或嘧啶的 N-1 位与糖基的 C-1'位共价连接（图 4.5）。如果按照标准 方向书写核酸结构，碱基环处于糖基平面的上方，因此 N-糖苷键是型。核苷酸是核苷与 1 个或几个磷酸连接形成的磷酸酯。最常见的核苷酸是核苷 5'-OH 与磷酸交联形成的核苷 5'- 磷酸或 5'-核苷酸。例如 ATP 是腺苷 5'-三磷酸。该核苷酸是通用的能源分子，很重要。ATP 的三磷酸基团水解所释放的能量能驱动很多细胞过程（15 章）。脱氧鸟嘌呤核苷 3'-磷酸 (dGMP)与 ATP 的差别有（1）碱基是鸟嘌呤而不是腺嘌呤；（2）糖基是脱氧核糖而不是核 糖；(3)只有一个磷酸而不是三个磷酸；和（4）磷酸化位置是 3'而不是 5'。单体核苷酸连接 形成 RNA 和 DNA。DNA 分子的四个核苷酸单体是脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、 脱氧胞嘧啶核苷酸、和胸腺嘧啶核苷酸。注意：尽管胸腺嘧啶核苷酸也是脱氧核糖核苷酸， 但是通常不加前缀脱氧(deoxy-)，因为 RNA 几乎没有胸腺嘧啶。 图 4.5 核苷的糖苷键是型
NH 02 5'-ATP 3'-dGMP 9 图4.6腺嘌呤核苷5’-三磷酸(ATP）和脱氧鸟嘌呤核苷3'-磷酸(3'-dGMP)。 缩写pApCpG或ACG表示DNA的一段三核苷酸，是用磷酸二酯键连接的脱氧腺苷单 磷酸、脱氧胞苷单磷酸、和脱氧鸟苷单磷酸。P表示一个磷酸基团（图47）。5'-端有一个磷 酸基团与核糖S'-OH连接。注意，核酸与多肽链一样有极性。DNA链的一端是5-OH(或 者与5-OH结合的磷酸)，另一端是游离的3'-OH。书写核酸链时按照5-向3”-的方向书写。 因此，ACG表示5-端是A,3'-端是G。由于这种极性，ACG和GCA是两种不同的化合物。 G OH 图4.7DNA链的结构。核酸链有一个5’-端（通常与磷酸结合）和一个3°-端（通常是羟基）。 天然DNA分子的一个显著特征是DNA的长度。DNA分子必须含有很多核苷酸才能携 带一种生物（即使是最简单生物）全部的遗传信息。例如多瘤病毒的DNA长度是51O0个 核苷酸。大肠杆菌基因组只有一个DNA双链，每条链的长度是460万核苷酸（图4.8）。高 等生物的DNA长度更长。人基因组DNA长度有30亿碱基，分成24种染色体（其中22种 常染色体和X,Y性染色体)。已知DNA最长的生物是印度muntjak(亚洲鹿)，其基因组 长度与人基因组长度相当，但只有3种染色体，其中最长的染色体长度达到10亿多个核苷 酸。如果将这种DNA分子完全伸展，长度将超过1英尺。有些植物染色体含有更长的DNA 分子
图 4.6 腺嘌呤核苷 5’-三磷酸（ATP）和脱氧鸟嘌呤核苷 3’-磷酸（3’-dGMP）。 缩写 pApCpG 或 ACG 表示 DNA 的一段三核苷酸，是用磷酸二酯键连接的脱氧腺苷单 磷酸、脱氧胞苷单磷酸、和脱氧鸟苷单磷酸。p 表示一个磷酸基团（图 4.7）。5'-端有一个磷 酸基团与核糖 5'-OH 连接。注意，核酸与多肽链一样有极性。DNA 链的一端是 5'-OH（或 者与 5'-OH 结合的磷酸），另一端是游离的 3'-OH。书写核酸链时按照 5'-向 3'-的方向书写。 因此，ACG 表示 5'-端是 A，3'-端是 G。由于这种极性，ACG 和 GCA 是两种不同的化合物。 图 4.7 DNA 链的结构。核酸链有一个 5’-端（通常与磷酸结合）和一个 3’-端(通常是羟基)。 天然 DNA 分子的一个显著特征是 DNA 的长度。DNA 分子必须含有很多核苷酸才能携 带一种生物（即使是最简单生物）全部的遗传信息。例如多瘤病毒的 DNA 长度是 5100 个 核苷酸。大肠杆菌基因组只有一个 DNA 双链，每条链的长度是 460 万核苷酸（图 4.8）。高 等生物的 DNA 长度更长。人基因组 DNA 长度有 30 亿碱基，分成 24 种染色体（其中 22 种 常染色体和 X，Y 性染色体）。已知 DNA 最长的生物是印度 muntjak（亚洲鹿），其基因组 长度与人基因组长度相当，但只有 3 种染色体，其中最长的染色体长度达到 10 亿多个核苷 酸。如果将这种 DNA 分子完全伸展，长度将超过 1 英尺。有些植物染色体含有更长的 DNA 分子
0Q② Figure 4-8 图4.8大肠杆菌基因组的电镜照片。[Dr Gopal/Murti/Science Photo Library/Photo Researchers.] 图49印度亚洲鹿及其染色体。雌性印度亚洲鹿（左边）的细胞有三对非常大的染色体（染 成桔色)。亚洲鹿细胞染色体与一对人染色体（绿色）进行比较（右边）。 4.2两条序列互补的核酸链形成双螺旋结构 如同第1章所说的，核酸的共价结构说明核酸能够利用核苷酸序列携带遗传信息。碱基 配对的两条多核苷酸链形成螺旋结构。DNA的双螺旋结构有助于遗传物质的复制，即从一 个核酸产生两拷贝的子代核酸
图 4.8 大肠杆菌基因组的电镜照片。[Dr Gopal/Murti/Science Photo Library/Photo Researchers. ] 图 4.9 印度亚洲鹿及其染色体。雌性印度亚洲鹿（左边）的细胞有三对非常大的染色体（染 成桔色）。亚洲鹿细胞染色体与一对人染色体(绿色)进行比较（右边）。 4.2 两条序列互补的核酸链形成双螺旋结构 如同第 1 章所说的，核酸的共价结构说明核酸能够利用核苷酸序列携带遗传信息。碱基 配对的两条多核苷酸链形成螺旋结构。DNA 的双螺旋结构有助于遗传物质的复制，即从一 个核酸产生两拷贝的子代核酸
氢健和疏水作用稳定双螺旋结构 在确定DNA三维结构的过程中发现碱基特异性配对。Maurice Wilkins和Rosalind Franklin获得了DNA纤维的X-光衍射图谱（图4.l0)。该衍射图谱说明DNA是两条链缠绕 形成规则的螺旋结构。基于这些数据和其他数据，James Watson和Francis Crick推测DNA 具有双螺旋结构，而且这种双螺旋结构（图4.11）与核酸的功能相吻合。 3.4-A spacing en 图4.10水合DNA纤维的X-射线衍射图谱。中间的X形是螺旋结构的典型特征。最强的狐 是碱基堆积，相互间是3.4A。[Courtesy of Dr Maurice Wilkins.] (A) (B) 34A 图4.l1 Vatson-Crick的DNA双螺旋结构樸型。一条多核苷酸连用蓝色表示，另一条多核 苷酸连用红色表示。嘌呤和嘧啶碱基用较浅的颜色表示，糖磷酸骨架的颜色较深。(A)轴 向观测图。沿螺旋轴（垂直方向）每隔34A(即一条链的10个核苷酸)就出现一次重复。 (B)星形观测图，沿螺旋的纵轴朝里面观察
氢键和疏水作用稳定双螺旋结构 在确定 DNA 三维结构的过程中发现碱基特异性配对。Maurice Wilkins 和 Rosalind Franklin 获得了 DNA 纤维的 x-光衍射图谱（图 4.10）。该衍射图谱说明 DNA 是两条链缠绕 形成规则的螺旋结构。基于这些数据和其他数据，James Watson 和 Francis Crick 推测 DNA 具有双螺旋结构，而且这种双螺旋结构（图 4.11）与核酸的功能相吻合。 图 4.10 水合 DNA 纤维的 x-射线衍射图谱。中间的 X 形是螺旋结构的典型特征。最强的狐 是碱基堆积，相互间是 3.4A。[Courtesy of Dr Maurice Wilkins.] 图 4.11 Watson-Crick 的 DNA 双螺旋结构模型。一条多核苷酸连用蓝色表示，另一条多核 苷酸连用红色表示。嘌呤和嘧啶碱基用较浅的颜色表示，糖磷酸骨架的颜色较深。（A）轴 向观测图。沿螺旋轴（垂直方向）每隔 34A（即一条链的 10 个核苷酸）就出现一次重复。 （B）星形观测图，沿螺旋的纵轴朝里面观察
James Watson和Francis Crick从x-光衍射图谱推测的DNA双螺旋结构具有下列特征： 1.两条核酸链方向相反，围绕同一轴缠绕形成螺旋结构。 2.糖-磷酸骨架在双螺旋外侧，碱基处于双螺旋内部。 3.碱基几乎与双螺旋轴垂直，相邻碱基间的距离是3.4A。这种间距在X光衍射图谱（图 4.10)中可以看出。一个螺旋结构重复是34A,10个碱基。因此每个碱基旋转36°。 4.螺旋的直径是20A。 如果嘌吟和嘧啶的大小和形状不同，这种规则结构如何适应任一序列？为了回答这个问 题，James Watson和Francis Crick发现鸟嘌呤与胞嘧啶配对和腺嘌吟与胸腺嘧啶配对的形 状几乎相同（图412)。碱基之间特异的氢键将碱基结合在一起形成碱基对。尽管单一氢键 的键能只有4~21kJ/mol(或1~5kcal/mol),但是DNA分子有大量氢键产生了可观的结合 力。这种碱基配对模式能够解释Erwin Chargaft在I950年观察的现象，即所有DNA分子中 腺嘌吟与胸腺嘧啶的比例和鸟嘌呤与胞嘧啶的比例几乎相同，而腺嘌吟与鸟嘌吟的比值在不 同物种中差异很大（表4.1)。 -A Guanine Cytosine Adenine Thymine n 图4.l2 Watson和Crick提出的配对碱基结构。 TABLE 4.I Base compositions experimentally determined for a variety of organisms Species A:T G:C A:G Human being 1.00 1.00 1.56 Salmon 1.02 1.02 1.43 Wheat 1.00 0.97 1.22 Yeast 1.03 1.02 1.67 Escherichia coli 1.09 0.99 1.05 Serratia marcescens 0.95 0.86 0.70 Table 4-1 Biochemistry,Sixth Edition 2007 W.H.Freeman and Company
James Watson 和 Francis Crick 从 x-光衍射图谱推测的 DNA 双螺旋结构具有下列特征： 1. 两条核酸链方向相反，围绕同一轴缠绕形成螺旋结构。 2. 糖-磷酸骨架在双螺旋外侧，碱基处于双螺旋内部。 3. 碱基几乎与双螺旋轴垂直，相邻碱基间的距离是 3.4A。这种间距在 x-光衍射图谱（图 4.10）中可以看出。一个螺旋结构重复是 34A，10 个碱基。因此每个碱基旋转 36 o。 4. 螺旋的直径是 20A。 如果嘌呤和嘧啶的大小和形状不同，这种规则结构如何适应任一序列？为了回答这个问 题，James Watson 和 Francis Crick 发现鸟嘌呤与胞嘧啶配对和腺嘌呤与胸腺嘧啶配对的形 状几乎相同（图 4.12）。碱基之间特异的氢键将碱基结合在一起形成碱基对。尽管单一氢键 的键能只有 4 ~ 21 kJ/mol（或 1 ~ 5 kcal/mol），但是 DNA 分子有大量氢键产生了可观的结合 力。这种碱基配对模式能够解释 Erwin Chargaff 在 1950 年观察的现象，即所有 DNA 分子中 腺嘌呤与胸腺嘧啶的比例和鸟嘌呤与胞嘧啶的比例几乎相同，而腺嘌呤与鸟嘌呤的比值在不 同物种中差异很大（表 4.1）。 图 4.12 Watson 和 Crick 提出的配对碱基结构
在双螺旋内部，一层碱基对堆积在另一层碱基对上。碱基堆积对双螺旋稳定性的贡献表 现在两个方面。碱基堆积构成的疏水效应稳定了DNA双螺旋结构。疏水碱基聚集于双螺旋 内部（避开DNA的水环境），而双螺旋表面更亲水。双螺旋结构的这种排列与蛋白质折叠 很相似（蛋白质折叠将疏水残基包裹在分子内部、亲水残基暴露于分子外部）(2.4节)。疏 水效应使碱基推积于另一个碱基之上。堆积碱基之间的吸引力是范德华力。单个范德华力很 弱，通常在2~4kJ/mol(0.5~1kca/mol)。然而，双螺旋核酸分子中大量原子处于范德华 接触状态，因此范德华的净效应，即这些原子相互作用力的总和非常显著。此外DNA分子 骨架的五元环糖基具有刚性结构，有利于碱基堆积。 图4.13DNA纤维的戴面图。在双螺旋内部一个碱基对几乎正好堆积在另一碱基对的顶部。 双螺旋结构有利于遗传信息的精确传递 DNA的双螺旋结构和碱基之间形成碱基对提示遗传物质是如何复制的。双螺旋中一条 链核苷酸序列能精确决定另一条互补链的核苷酸序列。一条链的鸟嘌呤总是与另一条链的胞 嘧啶配对，其余碱基配对均遵循这些法测。因此双螺旋DNA链分开后形成的两条链都可充 当模板指导新的双螺旋DNA的构建。结果，子代DNA分子有一条链是来自亲本，另一条 链是新合成的。这就是半保留复制。 1958年Mathew Meselson和Franklin Stahl的试验验证了这个假说。他们用15N标记亲 本DNA,因此DNA链比普通DNA链重。将大肠杆菌置于以15N标记的NH4CI作为唯一氦 源的培养基中生长多代，其DNA就完全为15N标记。然后将细菌转移到只含有14N作为氨 源的培养基中生长，看看15N和1N在DNA中的分布。 密度梯度平衡离心分析15N和1N在DNA中的分布。少量DNA分子溶于密度接近 DNA(I.7gmL)的CsCI溶液中。离心直至平衡状态。此时沉降和扩散这两个相反作用达到平 衡，在离心管中形成1.66~1.76gmL的密度梯度。此时，DNA分子被迫进入密度与自身密 度相等的介质中。离心导致基因组DNA形成很窄的条带，可以用紫外吸收观测。由于1N 和1N在DNA的密度差异大约是1%，密度梯度平衡离心能形成两条明显的条带（图4.14）
在双螺旋内部，一层碱基对堆积在另一层碱基对上。碱基堆积对双螺旋稳定性的贡献表 现在两个方面。碱基堆积构成的疏水效应稳定了 DNA 双螺旋结构。疏水碱基聚集于双螺旋 内部（避开 DNA 的水环境），而双螺旋表面更亲水。双螺旋结构的这种排列与蛋白质折叠 很相似（蛋白质折叠将疏水残基包裹在分子内部、亲水残基暴露于分子外部）（2.4 节）。疏 水效应使碱基堆积于另一个碱基之上。堆积碱基之间的吸引力是范德华力。单个范德华力很 弱，通常在 2 ~ 4 kJ/mol （0.5 ~ 1 kcal/mol）。然而，双螺旋核酸分子中大量原子处于范德华 接触状态，因此范德华的净效应，即这些原子相互作用力的总和非常显著。此外 DNA 分子 骨架的五元环糖基具有刚性结构，有利于碱基堆积。 图 4.13 DNA 纤维的截面图。在双螺旋内部一个碱基对几乎正好堆积在另一碱基对的顶部。 双螺旋结构有利于遗传信息的精确传递 DNA 的双螺旋结构和碱基之间形成碱基对提示遗传物质是如何复制的。双螺旋中一条 链核苷酸序列能精确决定另一条互补链的核苷酸序列。一条链的鸟嘌呤总是与另一条链的胞 嘧啶配对，其余碱基配对均遵循这些法则。因此双螺旋 DNA 链分开后形成的两条链都可充 当模板指导新的双螺旋 DNA 的构建。结果，子代 DNA 分子有一条链是来自亲本，另一条 链是新合成的。这就是半保留复制。 1958 年 Mathew Meselson 和 Franklin Stahl 的试验验证了这个假说。他们用 15N 标记亲 本 DNA，因此 DNA 链比普通 DNA 链重。将大肠杆菌置于以 15N 标记的 NH4Cl 作为唯一氮 源的培养基中生长多代，其 DNA 就完全为 15N 标记。然后将细菌转移到只含有 14N 作为氮 源的培养基中生长，看看 15N 和 14N 在 DNA 中的分布。 密度梯度平衡离心分析 15N 和 14N 在 DNA 中的分布。少量 DNA 分子溶于密度接近 DNA(1.7g/mL)的 CsCl 溶液中。离心直至平衡状态。此时沉降和扩散这两个相反作用达到平 衡，在离心管中形成 1.66 ~ 1.76g/mL 的密度梯度。此时, DNA 分子被迫进入密度与自身密 度相等的介质中。离心导致基因组 DNA 形成很窄的条带，可以用紫外吸收观测。由于 15N 和 14N 在 DNA 的密度差异大约是 1%，密度梯度平衡离心能形成两条明显的条带（图 4.14）
14W15N 14N 15Nm 图4.14密度梯度离心分离15NDNA和1 N DNA。(A)离心管的紫外吸收图谱显示两条不 同的DNA条带。(B)两条带的紫外吸收峰。 当细菌从15N-氦源转移到1N-氨源培养基后，从培养不同时间的细菌抽提DNA。用密度 梯度离心技术分析。发现繁殖一代的DNA样品的位置处于14N-DNA和I5N-DNA条带之间 (图4.I5)。而15N-DNA条带（亲本）消失表明DNA复制不是全保留的。同样，14N-DNA 条带缺乏表明子代DNA有一部分是亲本。由于密度条带刚好是I5N-DNA条带和1N-DNA 条带密度和的一半，因此子代DNA一半是亲本链，另一半是新生链。 Generation 0 0.7 1.0 1.1 1.5 九九人人 1.9 2.5 3.0 4.1 0and1.9 mixed 0 and 4.1 mixed Figure 4-15 Biochemistry.Sixth Edition 2007 W.H.Freeman and Company 图4.15用密度梯度离心检测E.coli DNA的半保留复制。DNA条带的位置取决于DNA分子 的15N和1N含量。复制一代，所有DNA是一半为I5N,另一半是1N的杂合链
图 4.14 密度梯度离心分离 15N DNA 和 14N DNA。（A）离心管的紫外吸收图谱显示两条不 同的 DNA 条带。（B）两条带的紫外吸收峰。 当细菌从 15N-氮源转移到 14N-氮源培养基后，从培养不同时间的细菌抽提 DNA。用密度 梯度离心技术分析。发现繁殖一代的 DNA 样品的位置处于 14N-DNA 和 15N-DNA 条带之间 （图 4.15）。而 15N-DNA 条带（亲本）消失表明 DNA 复制不是全保留的。同样，14N-DNA 条带缺乏表明子代 DNA 有一部分是亲本。由于密度条带刚好是 15N-DNA 条带和 14N-DNA 条带密度和的一半，因此子代 DNA 一半是亲本链，另一半是新生链。 图 4.15 用密度梯度离心检测 E.coli DNA 的半保留复制。DNA 条带的位置取决于 DNA 分子 的 15N 和 14N 含量。复制一代，所有 DNA 是一半为 15N，另一半是 14N 的杂合链
