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