第一章生物化学属于进化科学 q31.2 专 Chapter 1 Opener Biochemistry,Sixth Edition 2007 W.H.Freeman and Company 疾病和基因组。人类基因组研究能揭示病因和其它的生物化学奥秘。左边是人类染色体，含有构成 人类基因组的DNA分子。染色体显色图谱用于鉴定染色体特定区域。右边是人类7号染色体图谱， 用箭头标出了q312条带。该区域编码的蛋白质功能异常将导致囊性纤维化疾病有关[左图来自 Alfred Pasieka/Peter Arnold] 生物化学是研究生命过程的化学。自从1928年发现无机物能够合成生命分子如尿素以来，科 学家们对生命的化学进行了深入研究。这些研究解决了生命物质如何在生物化学水平上发挥作用的 大多数基本问题。但是还有很多未解之谜。常常是解决一个问题后又引入了很多新的问题。我们正 处在应用生物化学的丰富知识解决医学、牙医、农学、法医、人类学、环境科学、以及其它相关领 域问题这个充满巨大机遇的时代。本书开篇将介绍过去一百年来最重大的发现之一：各种生物体在 生物化学水平上是同一的。 1.1生命多样性的背后是生物化学的一致性 生物世界多种多样。动物世界小到显微镜才能观察的昆虫，大到象和鲸鱼(whales)这样的庞 然大物。植物界的情况与此相似，小的相对简单的藻类，大的如巨杉(giant sequoias)。动物需要吃 东西才能生存，但植物能利用太阳能将二氧化碳转化成生物组织。当我们进入显微世界，就会发现 更为广泛的生物多样性。单细胞生物如原生动物、酵母和细菌的生存环境差异很大。有些生物甚至 生存于极端环境如温泉和冰川(glaciers)。 显微镜观测解释了各式各样生物的一个共同特征。单细胞微生物一样，大的生物个体与也是由 细胞组成的，提示这些多种多样的生物实际上具有更多的共性。随着生物化学研究的进展，越来越
第一章 生物化学属于进化科学 疾病和基因组。人类基因组研究能揭示病因和其它的生物化学奥秘。左边是人类染色体，含有构成 人类基因组的 DNA 分子。染色体显色图谱用于鉴定染色体特定区域。右边是人类 7 号染色体图谱， 用箭头标出了 q31.2 条带。该区域编码的蛋白质功能异常将导致囊性纤维化疾病有关[左图来自 Alfred Pasieka/Peter Arnold]。 生物化学是研究生命过程的化学。自从 1928 年发现无机物能够合成生命分子如尿素以来，科 学家们对生命的化学进行了深入研究。这些研究解决了生命物质如何在生物化学水平上发挥作用的 大多数基本问题。但是还有很多未解之谜。常常是解决一个问题后又引入了很多新的问题。我们正 处在应用生物化学的丰富知识解决医学、牙医、农学、法医、人类学、环境科学、以及其它相关领 域问题这个充满巨大机遇的时代。本书开篇将介绍过去一百年来最重大的发现之一：各种生物体在 生物化学水平上是同一的。 1.1 生命多样性的背后是生物化学的一致性 生物世界多种多样。动物世界小到显微镜才能观察的昆虫，大到象和鲸鱼（whales）这样的庞 然大物。植物界的情况与此相似，小的相对简单的藻类，大的如巨杉(giant sequoias)。动物需要吃 东西才能生存，但植物能利用太阳能将二氧化碳转化成生物组织。当我们进入显微世界，就会发现 更为广泛的生物多样性。单细胞生物如原生动物、酵母和细菌的生存环境差异很大。有些生物甚至 生存于极端环境如温泉和冰川(glaciers)。 显微镜观测解释了各式各样生物的一个共同特征。单细胞微生物一样，大的生物个体与也是由 细胞组成的，提示这些多种多样的生物实际上具有更多的共性。随着生物化学研究的进展，越来越
多的事实支持了这个想法。在生物化学水平，所有生物的共性很多（图11）。 Sulfolobus acidicaldarius Arabidopsis thaliana Homo sapiens th on 2007W.H.Freeman and Company 图1.1生物化学的多样性和共同性。经过千百年的进化，不同物种之间的基因表达调节蛋白质 (TATA-box结合蛋白)外形是相似的[Left)Dr.T.J.Beveridge/Visuals Unlimited;(middle)Holt Studios/Photo Researchers;(right)Time Life Pictures/Getty Images.] 如早先说过的，生物化学是研究生命过程的化学。这些生物命过程涉及两类分子。一类是像蛋 白质和核酸的生物大分子，另一类像葡萄糖和甘油的小分子，也称为代谢物。这些物质参与生物命 过程的化学转化。所有生物都有这两类物质。在不同生物之间，这两类物质差异不大。例如所有生 物都用DNA储存遗传信息。蛋白质是所有生物过程的关键执行者，但是不同生物的蛋白质合成原 料都是相同的20种氨基酸。不同生物体内执行相似功能的蛋白质，其三维结构也非常相似（图1.1）。 所有生物的关键代谢过程也是相同的。例如，简单细菌（如大肠杆菌）到人类都有相同的代谢过程， 能够将葡萄糖和氧气转化成二氧化碳和水。即使有些生物过程似乎差异很大，但是从生物化学角度 看也有很多共同特征。植物将太阳能转化成可利用的能量形式与动物断裂葡萄糖获取能量的化学反 应也非常相似。 这些结果强烈暗示，地球上所有生命的祖先是共同的，即现代生物都是从这个共同祖先进化而 成的。基于地质学和生物化学发现，有人提出了生物进化的时间表（图1.2)。 看 急at3re Oxygen sanesou! s6uaq uewnH forming 4.5 4.0 3.5 3.0 2.52.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Billions of years 品a 图1.2生物进化可能的时间节点。图中标出了一些关键事件。注意地球生命在35亿年前就已经产 生，而人类在最近才出现
多的事实支持了这个想法。在生物化学水平，所有生物的共性很多（图 1.1）。 图 1.1 生物化学的多样性和共同性。经过千百年的进化，不同物种之间的基因表达调节蛋白质 （TATA-box 结合蛋白）外形是相似的[(Left) Dr. T. J. Beveridge / Visuals Unlimited; (middle) Holt Studios / Photo Researchers; (right) Time Life Pictures / Getty Images.] 如早先说过的，生物化学是研究生命过程的化学。这些生物命过程涉及两类分子。一类是像蛋 白质和核酸的生物大分子，另一类像葡萄糖和甘油的小分子，也称为代谢物。这些物质参与生物命 过程的化学转化。所有生物都有这两类物质。在不同生物之间，这两类物质差异不大。例如所有生 物都用 DNA 储存遗传信息。蛋白质是所有生物过程的关键执行者，但是不同生物的蛋白质合成原 料都是相同的 20 种氨基酸。不同生物体内执行相似功能的蛋白质，其三维结构也非常相似(图 1.1）。 所有生物的关键代谢过程也是相同的。例如，简单细菌（如大肠杆菌）到人类都有相同的代谢过程， 能够将葡萄糖和氧气转化成二氧化碳和水。即使有些生物过程似乎差异很大，但是从生物化学角度 看也有很多共同特征。植物将太阳能转化成可利用的能量形式与动物断裂葡萄糖获取能量的化学反 应也非常相似。 这些结果强烈暗示，地球上所有生命的祖先是共同的，即现代生物都是从这个共同祖先进化而 成的。基于地质学和生物化学发现，有人提出了生物进化的时间表（图 1.2）。 图 1.2 生物进化可能的时间节点。图中标出了一些关键事件。注意地球生命在 35 亿年前就已经产 生，而人类在最近才出现
基于生物化学特征，可以将现代生物分为三大类，即真核生物、细菌、和古生菌。真核生物包 括所有多细胞生物（如人类）和像酵母一样的单细胞生物。真核生物的显著特征是每个细胞都有一 个明显的细胞核。细菌没有这样的核，因此叫原核生物(prokaryotes)。I9T7年Carl Woese发现有些 原核生物在生物化学上与细菌差异很大，因此又将原核生物分成两类，即细菌和古生菌。古生菌在 进化早期就与细菌分离。基于生物化学研究的成果，人们推测出同一祖先生物进化成现代生物的的 可能途径（图1.3)。 BACTERIA EUKARYA ARCHAEA 巴 g 品 图1.3生命树。从35亿年前的共同祖先（树的底部)进化成现代生物（树的顶部）的可能途径。 本书大部分篇幅介绍了所有生物共有的生物过程，以及参与这些生物过程的生物大分子和代谢 物质。由于各种各样生物具有共同的生物化学基础，因此我们能够以这种方式介绍生物化学。应该 指出，不同生物的生物化学也有相应的独特性。这些独特性取决于生物体生存和进化的小环境。比 较不同生物生化途径的独特性，能够了解生物克服生存挑战的生化机制。多数情况下，生物体不是 重新进化制造出全新的生物分子，而是用现成生物分子解决新问题。 有些生物分子结构简单，有些生物分子结构非常复杂。现代生物化学技术能精确测定生物大分 子的三维结构。阐明生物大分子结构有助于了解生物大分子的功能。下面以遗传物质DNA的结构 来阐述结构与功能的关系。 1.2DNA结构与功能 所有具有细胞形态的生物都用DNA储存遗传信息。1940年代用细菌进行的研究首先证实DNA 是遗传的关键。I953年，Watson和Crick确定了DNA的三维结构。这一结构的阐明，标志着全新 生物化学时代的开始。 DNA分子的组分是四种核苷酸。这些核苷酸线性聚合的产物就是DNA分子（图1.4)。将共 价连接的糖-磷酸单位重复视为DNA骨架的话，所有DNA分子的骨架都是相同的，只是凸出于骨 架外的取代基团（即碱基）不同。这些碱基是腺嘌呤(A),胞嘧啶(C),鸟嘌呤(G),和胸腺嘧啶(T)。 它们具有平面结构。DNA骨架的糖基是脱氧核糖，有两个不同位点的C-原子分别与两个磷酸相连。 在DNA骨架链中，各个核糖的排列方向都是相同的，所以DNA链有极性（即两个末端是不同的）
基于生物化学特征，可以将现代生物分为三大类，即真核生物、细菌、和古生菌。真核生物包 括所有多细胞生物(如人类）和像酵母一样的单细胞生物。真核生物的显著特征是每个细胞都有一 个明显的细胞核。细菌没有这样的核，因此叫原核生物(prokaryotes)。1977 年 Carl Woese 发现有些 原核生物在生物化学上与细菌差异很大，因此又将原核生物分成两类，即细菌和古生菌。古生菌在 进化早期就与细菌分离。基于生物化学研究的成果，人们推测出同一祖先生物进化成现代生物的的 可能途径（图 1.3）。 图 1.3 生命树。从 35 亿年前的共同祖先（树的底部）进化成现代生物（树的顶部）的可能途径。 本书大部分篇幅介绍了所有生物共有的生物过程，以及参与这些生物过程的生物大分子和代谢 物质。由于各种各样生物具有共同的生物化学基础，因此我们能够以这种方式介绍生物化学。应该 指出，不同生物的生物化学也有相应的独特性。这些独特性取决于生物体生存和进化的小环境。比 较不同生物生化途径的独特性，能够了解生物克服生存挑战的生化机制。多数情况下，生物体不是 重新进化制造出全新的生物分子，而是用现成生物分子解决新问题。 有些生物分子结构简单，有些生物分子结构非常复杂。现代生物化学技术能精确测定生物大分 子的三维结构。阐明生物大分子结构有助于了解生物大分子的功能。下面以遗传物质 DNA 的结构 来阐述结构与功能的关系。 1.2 DNA 结构与功能 所有具有细胞形态的生物都用 DNA 储存遗传信息。1940 年代用细菌进行的研究首先证实 DNA 是遗传的关键。1953 年，Watson 和 Crick 确定了 DNA 的三维结构。这一结构的阐明，标志着全新 生物化学时代的开始。 DNA 分子的组分是四种核苷酸。这些核苷酸线性聚合的产物就是 DNA 分子（图 1.4）。将共 价连接的糖-磷酸单位重复视为 DNA 骨架的话，所有 DNA 分子的骨架都是相同的，只是凸出于骨 架外的取代基团（即碱基）不同。这些碱基是腺嘌呤(A)，胞嘧啶(C)，鸟嘌呤(G)，和胸腺嘧啶(T)。 它们具有平面结构。DNA 骨架的糖基是脱氧核糖，有两个不同位点的 C-原子分别与两个磷酸相连。 在 DNA 骨架链中，各个核糖的排列方向都是相同的，所以 DNA 链有极性（即两个末端是不同的）
Adenine (A) Cytosine (C) Guanine (G) Thymine (T) base1 base2 base3 Sugar Phosphate ocemSn o2007 W.H.Freeman and Company 图1.4DNA的共价结构。DNA链的每个单位有一个脱氧核糖、一个磷酸、和一个碱基（这些碱基 凸出于糖磷酸骨架之外)。 用共价（即糖苷键)将碱基和DNA骨架的糖连接起来（图1.4的黑线）。这四种碱基都是平 面结构，但相互间在其它方面有很大的差异。因此DNA单体含有一个核糖磷酸单位和与糖连接的 碱基。遗传信息就储存在沿DNA链骨架排列的碱基序列中。 两个DNA单链结合形成双螺旋分子 大多数DNA分子是双链（而不是单链)。I953年James Watson和Francis Crick推测出DNA 链的排列，提出了DNA分子的双螺旋结构。两条DNA链相互缠绕，糖磷酸骨架处于螺旋外侧、 碱基处于螺旋内部（图1.5)。这个结构的关键是特异的碱基之间产生氢键，形成碱基对(13节)： 腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T),鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)(图1.6)。氢键的结合力比共价键低很多，但是这 种很弱的相互作用力却是相关生化系统的关键所在。碱基对之间的氢键结合力相当弱，因此能够可 逆断裂这些氢键。另一方面，DNA双链分子碱基对之间氢键数量大，产生的结合能量能够维持双 螺旋结构的稳定。 w.e... 图1.5双螺旋结构。James Watson和Francis Crick于1953年提出的DNA双螺旋结构。DNA的骨 架链分别用红色和蓝色表示，四种碱基分别用绿色、紫色、桔色、和黄色棒标出。两条链反向（用 箭头标出)平行，围绕双螺旋轴相互缠绕
图 1.4 DNA 的共价结构。DNA 链的每个单位有一个脱氧核糖、一个磷酸、和一个碱基（这些碱基 凸出于糖-磷酸骨架之外）。 用共价（即糖苷键）将碱基和 DNA 骨架的糖连接起来（图 1.4 的黑线）。这四种碱基都是平 面结构，但相互间在其它方面有很大的差异。因此 DNA 单体含有一个核糖-磷酸单位和与糖连接的 碱基。遗传信息就储存在沿 DNA 链骨架排列的碱基序列中。 两个 DNA 单链结合形成双螺旋分子 大多数 DNA 分子是双链（而不是单链）。1953 年 James Watson 和 Francis Crick 推测出 DNA 链的排列，提出了 DNA 分子的双螺旋结构。两条 DNA 链相互缠绕，糖磷酸骨架处于螺旋外侧、 碱基处于螺旋内部（图 1.5）。这个结构的关键是特异的碱基之间产生氢键，形成碱基对（1.3 节）： 腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)(图 1.6）。氢键的结合力比共价键低很多，但是这 种很弱的相互作用力却是相关生化系统的关键所在。碱基对之间的氢键结合力相当弱，因此能够可 逆断裂这些氢键。另一方面， DNA 双链分子碱基对之间氢键数量大，产生的结合能量能够维持双 螺旋结构的稳定。 图 1.5 双螺旋结构。James Watson 和 Francis Crick 于 1953 年提出的 DNA 双螺旋结构。DNA 的骨 架链分别用红色和蓝色表示，四种碱基分别用绿色、紫色、桔色、和黄色棒标出。两条链反向（用 箭头标出）平行，围绕双螺旋轴相互缠绕
H Adenine (A) Thymine(T) Guanine (G) Cytosine(C) 图1.6 Watson-Crick碱基对。腺嘌呤与胸腺嘧啶形成A-T碱基对，鸟嘌呤与胞嘧啶形成G-C碱基对。 虚线表示氢键。 DNA结构能解释遗传信息的储存与遗传 Watson和Crick提出的DNA双螺旅结构有两个重要特性使DNA分子适于充当遗传物质。第 一，配对碱基的外形几乎相同（图1.6），因此双螺旋结构适于任何核苷酸序列（即双螺旋结构对 核苷酸序列没有限定)。在这种情况下，DNA分子能有效地存储信息。实际上遗传信息就是存储 在DNA链的碱基序列中。DNA序列决定RNA序列和蛋白质分子，而蛋白质分子执行细胞大多数 功能。第二，由于碱基配对，一条DNA链的碱基序列能决定双螺旋另一条链的碱基序列。当初 Watson和Crick就指出，“碱基配对提示遗传物质复制的可能机制。”如果DNA双螺旋分成两条 DNA单链，那么每条DNA单链都可以作为模板，通过碱基配对的方式指导另一条链的合成（图 1.7)。DNA双螺旋结构很漂亮地解释了分子结构与功能的关系。 Newly synthesized strands 品 图1.7DNA复制。如果DNA分子分成两条链，每条链可以作为模板指导互补链的合成。 1.3解释生物分子性质的化学概念 我们已经知道化学概念（即DNA碱基之间氢键形成能力）对于了解生物过程（遗传与复制） 的关键作用。为了给后续学习打下坚实基础，在此我们将考察一些化学概念，指出这些化学概念在 生物系统的应用。这些化学概念包括化学键种类、水分子（大多数生物反应的溶剂)结构、热力学 第一定律和第二定律、酸-碱定义。用这些化学概念进一步考察两个DNA单链形成DNA双螺旅的
图 1.6 Watson-Crick 碱基对。腺嘌呤与胸腺嘧啶形成 A-T 碱基对，鸟嘌呤与胞嘧啶形成 G-C 碱基对。 虚线表示氢键。 DNA 结构能解释遗传信息的储存与遗传 Watson 和 Crick 提出的 DNA 双螺旋结构有两个重要特性使 DNA 分子适于充当遗传物质。第 一，配对碱基的外形几乎相同（图 1.6），因此双螺旋结构适于任何核苷酸序列（即双螺旋结构对 核苷酸序列没有限定）。在这种情况下， DNA 分子能有效地存储信息。实际上遗传信息就是存储 在 DNA 链的碱基序列中。DNA 序列决定 RNA 序列和蛋白质分子，而蛋白质分子执行细胞大多数 功能。第二，由于碱基配对，一条 DNA 链的碱基序列能决定双螺旋另一条链的碱基序列。当初 Watson 和 Crick 就指出，“碱基配对提示遗传物质复制的可能机制。”如果 DNA 双螺旋分成两条 DNA 单链，那么每条 DNA 单链都可以作为模板，通过碱基配对的方式指导另一条链的合成（图 1.7）。DNA 双螺旋结构很漂亮地解释了分子结构与功能的关系。 图 1.7 DNA 复制。如果 DNA 分子分成两条链，每条链可以作为模板指导互补链的合成。 1.3 解释生物分子性质的化学概念 我们已经知道化学概念（即 DNA 碱基之间氢键形成能力）对于了解生物过程（遗传与复制） 的关键作用。为了给后续学习打下坚实基础，在此我们将考察一些化学概念，指出这些化学概念在 生物系统的应用。这些化学概念包括化学键种类、水分子（大多数生物反应的溶剂）结构、热力学 第一定律和第二定律、酸-碱定义。用这些化学概念进一步考察两个 DNA 单链形成 DNA 双螺旋的
过程。记住，尽管我们仅仅用这些化学概念讨论DNA分子，但是这些概念也适用于本书其余部分 要讨论的其它生物分子和生物反应。 序列互补的单链能形成DNA双链 Watson-Crick碱基对的发现提示，在体外互补的DNA单链能自动形成DNA双链。化学合成 两条序列互补的DNA链相遇就能形成Watson-Crick碱基对，产生双链DNA。将CGATTAAT和 ATTAATCG分别溶解，各溶液只有单链结构的DNA分子。将这两种溶液混合，就产生了双链结 构（图1.8)。如果两条链各自的浓度都是1mM,在25C1 M NaCl水溶液中，几乎所有DNA分 子（达到99.99%）都是双链结构。 是什么力使两条单链DNA结合在一起的？为了分析这个结合反应，我们考察下列几个因素： 生物系统的化学键和相互作用力的种类、有利的反应能量、溶液状态（尤其是酸-碱反应)。 -C G- G C T- T A、 + A A T A- 图1.8双螺旋的形成。将两条序列互补的DNA单链混合，自动形成DNA双螺旋。 共价和非共价化学健是维持生物分子结构和稳定性的重要因素 原子之间是通过化学键相互作用的。化学键包括共价键和非共价键。共价键确定分子结构，而 非共价键在生物化学上很重要。 共价能。最强的化学键是共价键。共价键是两个相邻原子共用电子对。典型的C-C共价键的 键长是1.54A,键能有356 kJ mol-1(85 kcal mol-)。由于共价键很强，需要很大的能量才能断裂共 价键。共用一对以上电子的共价键形成多共价键，例如图1.6中有三个碱基含有碳氧共价键(C=O) （双键)。双键比单键稳定性更高，键能达到730 kJ mol-1(175 kcal mol-1),键长更短。 NH2 有些分子的共价键有一种以上的画法。例如腺嘌呤可以画成两种共轭结构。腺嘌呤的真实结构 是这两种共振结构的综合，这可以从键长看出。C4-C5的键长是1.40A,比单键C-C键长度（1.54A) 短，比C=C双键长度(1.34A)长。如果一个化合物可以有几种能量几乎相等的共轭结构，那么该化 合物稳定性比没有共轭结构的化合物更为稳定
过程。记住，尽管我们仅仅用这些化学概念讨论 DNA 分子，但是这些概念也适用于本书其余部分 要讨论的其它生物分子和生物反应。 序列互补的单链能形成 DNA 双链 Watson-Crick 碱基对的发现提示，在体外互补的 DNA 单链能自动形成 DNA 双链。化学合成 两条序列互补的 DNA 链相遇就能形成 Watson-Crick 碱基对，产生双链 DNA。将 CGATTAAT 和 ATTAATCG 分别溶解，各溶液只有单链结构的 DNA 分子。将这两种溶液混合，就产生了双链结 构（图 1.8）。如果两条链各自的浓度都是 1mM，在 25℃ 1 M NaCl 水溶液中，几乎所有 DNA 分 子(达到 99.99%）都是双链结构。 是什么力使两条单链 DNA 结合在一起的？为了分析这个结合反应，我们考察下列几个因素： 生物系统的化学键和相互作用力的种类、有利的反应能量、溶液状态（尤其是酸-碱反应）。 图 1.8 双螺旋的形成。将两条序列互补的 DNA 单链混合，自动形成 DNA 双螺旋。 共价和非共价化学键是维持生物分子结构和稳定性的重要因素 原子之间是通过化学键相互作用的。化学键包括共价键和非共价键。共价键确定分子结构，而 非共价键在生物化学上很重要。 共价键。最强的化学键是共价键。共价键是两个相邻原子共用电子对。典型的 C-C 共价键的 键长是 1.54 A，键能有 356 kJ mol -1 (85 kcal mol -1)。由于共价键很强，需要很大的能量才能断裂共 价键。共用一对以上电子的共价键形成多共价键，例如图 1.6 中有三个碱基含有碳氧共价键(C=O) （双键）。双键比单键稳定性更高，键能达到 730 kJ mol -1 (175 kcal mol -1)，键长更短。 有些分子的共价键有一种以上的画法。例如腺嘌呤可以画成两种共轭结构。腺嘌呤的真实结构 是这两种共振结构的综合，这可以从键长看出。C4-C5 的键长是 1.40 A，比单键 C-C 键长度（1.54A） 短，比 C=C 双键长度（1.34A)长。如果一个化合物可以有几种能量几乎相等的共轭结构，那么该化 合物稳定性比没有共轭结构的化合物更为稳定
非共价键。非共价键比共价键键能弱得多，但是非共价键对生物过程非常重要。例如DNA双 螺旋的形成就依靠非共价的氢键。非共价键有四类，分别是静电相互作用、氢键、范德华力、和疏 水作用。这些非共价相互作用在几何形状、强度和特异性方面有差别。而且，这些水分子能显著影 响非共价键。下面我们一一介绍这些非共价键。 1静电相互作用力。一个分子的带电基团能吸引另一分子带有相反电荷的基团。静电相互作 用的能量用Coulomb's规则计算： ⑩ 型 E=kq1q2/Dr E是能量，ql和q2是两个原子的电荷（单位是电荷单位)，r是原子之间的距离（单位是angstrom), D是双电常数（由电荷之间的介质有关），k是比例常数(k=332,产生的能量单位是kcal/mol;k=1389, 产生的能量单位是kJ/mol)。 静电相互作用的能量是负值表示两电荷之间相互吸引。在介质是水（双电常数是80）的溶液中， 相距3A的两个单一正负静电荷之间的相互作用力是-1.4kcal/mole(5.9J/mole)。注意：介质的双 电常数很重要。如果在疏水介质中，这两个电荷间的相互作用力是-55kcal/mole(-231kJ/mole)。 2氢键。氢键是很小的静电相互作用。氢键负责DNA双螺旋的碱基配对。氢键的氢原子为两 个负电荷极性原子如N,O原子共用。氢键供体是氢原子及其结合较紧密的另一个原子，氢键受体是 氢键中与氢原子结合较差的那个原子(Figure1.9)。在氢键结构中，与氢原子共价结合的电负性原子 将共用电子对拉离氢原子，使氢原子显示部分电正性(+δ)。因此，这个氢原子能够与带部分负电性 的原子(-δ)发生静电作用。 Hydrogen- Hydrogen- bond donor bond acceptor N-H-----N 8 8+ Hydrogen- Hydrogen-bond bond donor acceptor N一H-------O 0.9A2.0A 0H-----N N一H:0 0—H-------0 180° a 图19氢键。氢键用虚线表示。图中指出了部分电荷(+δ和-δ)的位置。 氢键比共价键弱得多，氢键的能量只有1-5kcal/mole(4-20kJ/mole)。氢键也比共价键长。从氢 原子到非共价连接的电负性原子的长度是1.5-2.6A,因此氢键中两个非氢原子之间的长度达到 2.4-3.5A。最强的氢键处于线状（即三个原子排在一条直线上)。氢键与水分子的很多溶剂特性密 切有关。 3.van der Waals力。van der Waals相互作用的基础是原子周围电子的分布随时间发生波动。 通常电荷的分布不完全是对称的。通过邻位原子静电诱导，产生相邻原子间电荷分布的互补性不对 称。原子之间产生互相吸引，使它们互相靠近至van der Waals接触距离(Figure 1.l0)。距离更小时
非共价键。非共价键比共价键键能弱得多，但是非共价键对生物过程非常重要。例如 DNA 双 螺旋的形成就依靠非共价的氢键。非共价键有四类，分别是静电相互作用、氢键、范德华力、和疏 水作用。这些非共价相互作用在几何形状、强度和特异性方面有差别。而且，这些水分子能显著影 响非共价键。下面我们一一介绍这些非共价键。 1 静电相互作用力。一个分子的带电基团能吸引另一分子带有相反电荷的基团。静电相互作 用的能量用Coulomb's规则计算： E是能量，q1和q2是两个原子的电荷（单位是电荷单位），r是原子之间的距离（单位是angstrom）， D是双电常数（由电荷之间的介质有关），k是比例常数（k=332，产生的能量单位是kcal/mol; k=1389, 产生的能量单位是kJ/mol）。 静电相互作用的能量是负值表示两电荷之间相互吸引。在介质是水（双电常数是80）的溶液中， 相距3A的两个单一正负静电荷之间的相互作用力是-1.4kcal/mole （5.9kJ/mole）。注意：介质的双 电常数很重要。如果在疏水介质中，这两个电荷间的相互作用力是-55kcal/mole （-231kJ/mole）。 2 氢键。氢键是很小的静电相互作用。氢键负责DNA双螺旋的碱基配对。氢键的氢原子为两 个负电荷极性原子如N, O原子共用。氢键供体是氢原子及其结合较紧密的另一个原子，氢键受体是 氢键中与氢原子结合较差的那个原子(Figure 1.9)。在氢键结构中，与氢原子共价结合的电负性原子 将共用电子对拉离氢原子，使氢原子显示部分电正性()。因此，这个氢原子能够与带部分负电性 的原子()发生静电作用。 图1.9 氢键。氢键用虚线表示。图中指出了部分电荷（和）的位置。 氢键比共价键弱得多，氢键的能量只有1-5kcal/mole (4-20kJ/mole)。氢键也比共价键长。从氢 原子到非共价连接的电负性原子的长度是1.5-2.6A，因此氢键中两个非氢原子之间的长度达到 2.4-3.5A。最强的氢键处于线状（即三个原子排在一条直线上）。氢键与水分子的很多溶剂特性密 切有关。 3. van der Waals 力。van der Waals 相互作用的基础是原子周围电子的分布随时间发生波动。 通常电荷的分布不完全是对称的。通过邻位原子静电诱导，产生相邻原子间电荷分布的互补性不对 称。原子之间产生互相吸引，使它们互相靠近至van der Waals 接触距离(Figure 1.10)。距离更小时
两原子之间因外层电子云重叠，排斥力增加。van der Waals相互作用力很小，每对原子通常是0.5-l.0 kcal/mol(2-4kJ/mol)。但是，如果两个大分子或基团的表面靠近，分子之间有众多原子参与van der Waals相互作用，这些作用的叠加产生很大的结合力。 van der Waals contact distance 司 0 Distance 图1-10随着两个原子相互靠近，van der Waals相互作用的能量。在范德华距离，两个原子处于吸 引力最大的能量状态。比这个距离还要小时因电子电子相互排斥而使能量迅速增加。 4.水的特性。水是大多数生化反应的溶剂。水的性质对生物大分子的形成和生物反应而言是 必不可少的。水有两种特性与生物分子和生物反应密切相关。 （1)水是极性分子。水分子不是线性分子，而是扭曲分子。因此水分子的电荷分布是不对 称的。氧原子将氢原子的电子拉向自己，使氢原子核周围显正电荷，氧原子那端显负电荷。 水分子是电极性结构分子。 Electric dipole H (2)水是高度粘性分子。水分子之间氢键相互作用很强。在结冰状态这种相互作用很强 (Fgur1.I1)。氢键网将这些结构固定在一块。液态水也有类似的相互作用（但是液态水中 大约有1/4氢键遭到破坏)。水作为介质的双电常数为80。水溶液中，溶质分子与水分子之 间的相互作用是氢键和静电相互作用。这些相互作用使水成为一种多用途溶剂，能够溶解很 多物质。尤其是溶解那些极性物质和带电化合物
两原子之间因外层电子云重叠，排斥力增加。van der Waals相互作用力很小，每对原子通常是0.5-1.0 kcal/mol (2-4kJ/mol)。但是，如果两个大分子或基团的表面靠近，分子之间有众多原子参与van der Waals相互作用，这些作用的叠加产生很大的结合力。 图1-10 随着两个原子相互靠近，van der Waals相互作用的能量。在范德华距离，两个原子处于吸 引力最大的能量状态。比这个距离还要小时因电子-电子相互排斥而使能量迅速增加。 4. 水的特性。水是大多数生化反应的溶剂。水的性质对生物大分子的形成和生物反应而言是 必不可少的。水有两种特性与生物分子和生物反应密切相关。 （1） 水是极性分子。水分子不是线性分子，而是扭曲分子。因此水分子的电荷分布是不对 称的。氧原子将氢原子的电子拉向自己，使氢原子核周围显正电荷，氧原子那端显负电荷。 水分子是电极性结构分子。 （2） 水是高度粘性分子。水分子之间氢键相互作用很强。在结冰状态这种相互作用很强 (Figure 1.11)。氢键网将这些结构固定在一块。液态水也有类似的相互作用（但是液态水中 大约有1/4氢键遭到破坏）。水作为介质的双电常数为80。水溶液中，溶质分子与水分子之 间的相互作用是氢键和静电相互作用。这些相互作用使水成为一种多用途溶剂，能够溶解很 多物质。尤其是溶解那些极性物质和带电化合物
m 图111冰的结构。分子之间形成氢键（用绿色虚线表示)，产生高度有序的开放结构。 4.疏水作用。还有一种基本作用是疏水作用。这种相互作用在水溶液中非常明显。有些非极 性分子不能形成氢键或离子作用。非极性分子与水分子之间相互作用处于不利状态。与这些分子接 触的水分子形成笼子(cag),比无水环境的排列得更有序。但是，当两个非极性分子碰到一块， 就能释放出一些水分子，使它们不再与大量的水作用（图11.2)。从网络释放水分子是有利的。在 水溶液中非极性分子相互结合的作用力叫疏水作用。 8 80 Nonpolar molecule Nonpolar 3 molecule Nonpolar p molecule Nonpolar molecule g 3 Sith on 2007W.H.Freeman and Company 图1.12疏水作用。在水中非极性基团相互聚集，释放的水分子进入大量水中。这种释放有利于非 极性基团聚集。 化学规律驱使产生DNA双螺旋结构 现在我们看看四种非共价相互作用在驱动两条单链DNA结合形成双螺旋方面的贡献。(1)两 条链都带有磷酸负电荷，因此互斥，导致两条链的磷酸基团在双螺旋结构内的距离不会低于10A。 还存在其它相互作用。环境水分子双电常数高，削弱了带电离子间的相互作用力。溶液中存在的 Mg2+或N+对磷酸间的互斥也有一定的抵消作用。这些正电性基团与磷酸相互结合能部分中和磷酸 的负电性。（2)其次是氢键的贡献。氢键决定碱基配对。在单链DNA分子中，DNA链上的氢键供 体和氢键受体能够与水分子形成氢键。当两条单链DNA结合在一起，原来与水分子形成的氢键就断 裂，形成碱基对之间的氢键。由于破坏的氢键数量和形成的氢键数量相等，因此碱基对之间形成氢 键对双螺旋结构的贡献并不明显，只是对双螺旋结合特异性有很大作用。如果碱基对之间不能配对
图1.11 冰的结构。分子之间形成氢键（用绿色虚线表示），产生高度有序的开放结构。 4. 疏水作用。还有一种基本作用是疏水作用。这种相互作用在水溶液中非常明显。有些非极 性分子不能形成氢键或离子作用。非极性分子与水分子之间相互作用处于不利状态。与这些分子接 触的水分子形成笼子（cage），比无水环境的排列得更有序。但是，当两个非极性分子碰到一块， 就能释放出一些水分子，使它们不再与大量的水作用（图11.2）。从网络释放水分子是有利的。在 水溶液中非极性分子相互结合的作用力叫疏水作用。 图1.12 疏水作用。在水中非极性基团相互聚集，释放的水分子进入大量水中。这种释放有利于非 极性基团聚集。 化学规律驱使产生DNA双螺旋结构 现在我们看看四种非共价相互作用在驱动两条单链DNA结合形成双螺旋方面的贡献。（1）两 条链都带有磷酸负电荷，因此互斥，导致两条链的磷酸基团在双螺旋结构内的距离不会低于10A。 还存在其它相互作用。环境水分子双电常数高，削弱了带电离子间的相互作用力。溶液中存在的 Mg 2+或Na +对磷酸间的互斥也有一定的抵消作用。这些正电性基团与磷酸相互结合能部分中和磷酸 的负电性。（2）其次是氢键的贡献。氢键决定碱基配对。在单链DNA分子中，DNA链上的氢键供 体和氢键受体能够与水分子形成氢键。当两条单链DNA结合在一起，原来与水分子形成的氢键就断 裂，形成碱基对之间的氢键。由于破坏的氢键数量和形成的氢键数量相等，因此碱基对之间形成氢 键对双螺旋结构的贡献并不明显，只是对双螺旋结合特异性有很大作用。如果碱基对之间不能配对
断裂与水分子形成的氢键不能被新的碱基配对氢键替代，就无法形成双链DNA。也就是说，两条 DNA单链序列不互补，形成双链就不利。(3)在双螺旋结构中，配对碱基是平行的，一层一层堆 积。两层之间的距离是3.4A。此时碱基平面间大多数原子间的距离是3.6A左右，处于范德华力范围 内。即使在单链DNA中，碱基也倾向于堆积。但是在双螺旋DNA结构中，碱基堆积和范德华力达 到最佳的状态。(4)疏水效应有助于碱基堆积。碱基疏水，将碱基置于双螺旋内部有助于它们远 离水分子更为有利。 c. 图1.13DNA分子中的静电相互作用。DNA双螺旋的每个单位都有一个磷酸基团（磷原子用紫色标 出)，磷酸基团带有负电荷。用红线标出了一个磷酸基团与其它几个磷酸基团的相互排斥作用。这 种排斥作用不利于双螺旋的形成。 van der Waals contacts 图1.14碱基堆积。在DNA双链中，相邻的碱基对平面间相互堆积，每个碱基对的原子与相邻碱基 对的原子密切接触至范德华距离。中心的一对碱基用深蓝色标出，相邻碱基对用浅蓝色标出。用红 色标出了几个范德华作用
断裂与水分子形成的氢键不能被新的碱基配对氢键替代，就无法形成双链DNA。也就是说，两条 DNA单链序列不互补，形成双链就不利。（3）在双螺旋结构中，配对碱基是平行的，一层一层堆 积。两层之间的距离是3.4A。此时碱基平面间大多数原子间的距离是3.6A左右，处于范德华力范围 内。即使在单链DNA中，碱基也倾向于堆积。但是在双螺旋DNA结构中，碱基堆积和范德华力达 到最佳的状态。（4）疏水效应有助于碱基堆积。碱基疏水，将碱基置于双螺旋内部有助于它们远 离水分子更为有利。 图1.13 DNA分子中的静电相互作用。DNA双螺旋的每个单位都有一个磷酸基团（磷原子用紫色标 出），磷酸基团带有负电荷。用红线标出了一个磷酸基团与其它几个磷酸基团的相互排斥作用。这 种排斥作用不利于双螺旋的形成。 图1.14 碱基堆积。在DNA双链中，相邻的碱基对平面间相互堆积，每个碱基对的原子与相邻碱基 对的原子密切接触至范德华距离。中心的一对碱基用深蓝色标出，相邻碱基对用浅蓝色标出。用红 色标出了几个范德华作用