生物化学 生化翻译终结版

DNA：染色体和基因的结构

在学习DNA作为遗传信息库之前，有必要重新考虑一下信息的本质。我们已经知道信息表达的序列，而且它与反应的混乱度和随机性的熵是完全相反的（Box14-1，364页）;信息也被称为负熵。由此我们知道信息是与能量有关的。实际上，去定量和测量信息并把它与熵单位联系起来是可能的，但这就需要我们对这种可能性和数据进行复杂的考虑。

在今天这个电子计算器和电脑大量被应用的时代，我们明白它们在遗传信息的贮存、加工处理和检索方面对减少劳动力的巨大作用。在计算机语言中，信息的单位是字节，它代表在两个被选择的可能性之间做出正确选择的数量。信息需要在两个字节给出的两个选择之间做出连续的选择。同样的信息需要在16个插件中按照两个选择的顺序选出正确的插件组成4个字节。通过这种方式，数字电脑就可以把信息转化为一系列双重选择并且保存清单、准备工资名单甚至录制交响乐。

然而人体细胞内在信息的种类和数量远远超过了数字电脑的编程和生化学家提供信息和它们之间联系的能力。蛋白质中的20种氨基酸不仅仅只有20种编码单位，因为任意给定氨基酸在不同蛋白质内可能有不同含义。例如丝氨酸，一方面它可以作为一个信号分子修饰一个极性羟基使其能力形成氢键，或着作为酶活性中心的重要基团（例如胰蛋白酶、糖原磷酸化酶），另一方面又可以作为磷酸盐的载体（像牛奶中的酪蛋白干酪素）。要将具有多样性的DNA语言和20个氨基酸单位组成的蛋白质语言转化为数字语言是不可能的。

也许有一个更简单的方式去说明DNA内的巨大的信息量，回到只有5386个碱基对的φΧ174病毒的碱基序列，对其详细的印刷仅仅只需要一页纸的空间。如果一个有四百万碱基对的大肠杆菌染色体碱基被印刷出来，大概需要740页纸。如果把人体细胞内46对染色体碱基序列都印刷出来，大概需要820，000页纸，相当于我们这本书的容量的820倍。然而如果在转录、翻译和基因表达的调控过程（也许需要大量的附加信息）中没有丰富的关于编码和编程规则的知识，这些印刷品都将是无效的。现在让我们来学习DNA贮存遗传信息的结构以及其主要功能单位和遗传物质——基因和染色体的本质。

DNA和RNA的不同功能

首先，让我们简单的了解一下核酸的本质、功能和它在细胞内的位置。DNA 是一个非常长的分子，有四种不同的脱氧核糖核甘酸组成，在每个有机体内都有

特定的序列。DNA分子都是双链分子。原核细胞的染色体是由单个DNA分子束状分布在核区或者类核内。前面已经提到过原核生物是没有由膜包裹的遗传物质的（18页）。

真核生物的细胞包含很多DNA分子，他们普遍都比原核生物的单个DNA分子大。真核生物的ＤＮＡ分子和蛋白质一起组成细胞核内的有复杂双层膜包围的染色质丝。DNA需要所有蛋白质的详细结构和所有种类ＲＮＡ的有机组成来实现储存遗传信息的功能。并及时的为它们制作程序和有规律的将细胞生物合成和组织成分隔开，决定以此来生物圈和生物体的个独特性。

病毒（37页）也是以核酸作为作为它们的遗传物质，它们中的一些含有DNA、一些含有RNA（表格27-1）。病毒的核酸与细菌的核酸相比，其内含有特征蛋白的编码而且有的酶能在宿主细胞内重组病毒。

核糖核酸由线状核苷酸组成。虽然它们比DNA短但在细胞中的含量也很丰富。在原核细胞核真核细胞中有3类RNA：信使RNA（mRNA）、核糖体RNA（rRNA）、转移RNA（tRNA）。它们都是由核苷酸单链组成，而且各自有其特定的分子质量、核苷酸序列和生物功能（表格27-2）。mRNA在核糖体上作为把遗传物质转化为蛋白质上氨基酸序列的模板。mRNA的核苷酸序列是DNA单链模板上具体一部分的遗传信息互补序列。单个真核细胞可能含有10，000以上个不同的mRNA分子，每个mRNA分子对应一个或几个不同的多肽链。

tRNA也是由核苷酸单链组成，只是其构象折叠程度更高。它们含70-95个核苷酸，分子质量在23，000-30，000之间。蛋白质中的20种氨基酸各自都有一个或几个对应的tRNA来结合它，把它转运到核糖体上并且作为翻译者把mRNA 的遗传密码翻译成蛋白质，其中氨基酸序列上的每个tRNA都含有特定的三核苷酸序列我们称之为反密码子，它的序列就是一个特定氨基酸的密码，而与其互补的序列我们称之为密码子。

rRNA是核糖体的重要组成成分，占核糖体重量的65%。在真核生物的核糖体中有三类（表格27-2），而在原核生物核糖体内分4类，如我们在29章会看的内容。rRNA在核糖体的结构和其生物合成功能上都有重要作用。

在真核细胞内包含两种RNA：一类是核初期的mRNA（hnRNAs），另一类是参加RNA合成的小核RNA（snRNAs）。

现在让我们更详细的研究一下核酸，从它们的组件--核苷酸开始。

有特定碱基和戊糖的DNA和RNA的单位核苷酸

在第三章我们知道核苷酸含有三个特定的组成部分：（1）含氮碱基（2）戊

糖（3）一个磷酸，像图27-1那样连接在一起。因此碱基在戊糖的1’碳位与糖基的N位成共价键连接，并且磷酸在5’C位被酯化。含氮碱基嘧啶和嘌呤是杂环化合物的衍生物（图27-2）。DNA包含两个基本的嘧啶碱基：胞嘧啶和胸腺嘧啶，以及两个基本的嘌呤碱基：腺嘌呤和鸟嘌呤。RNA也含有两个基本的嘧啶：胞嘧啶和尿嘧啶，以及两个基本的嘌呤碱基：腺嘌呤和鸟嘌呤。DNA和RNA的碱基唯一的不同就是DNA中的胸腺嘧啶在RNA中是没有的。相反的，RNA中的特有碱基尿嘧啶在DNA中也很少出现。此外胸腺和嘧啶都是不溶于水的非极性分子（图27-3）。

在核酸中有两种戊糖，DNA的脱氧核糖核苷酸单位含2‘-脱氧D-核苷酸，而RNA的核糖核苷酸单位含D-核苷酸。并且在它们的呋喃β位上都有碱基。

图27-4已经给出了四种基本的脱氧核糖核苷酸的结构和命名，它们是DNA 的结构和编码单位，同时还给出了四种RNA的编码单位核糖核苷酸。DNA用其具体的A、T、C、G顺序编码遗传信息。核苷酸中除了着四种重要的和基本的碱基外，DNA中还有一些稀有碱基，通常这些稀有碱基是基本碱基的甲基化形式。在某些具体的信号中这些DNA分子中被改变的独特的碱基在编码和保护遗传信息方面有重要作用。在RNA中也有稀有碱基的存在，尤其是在tRNA中。

核酸中连续核苷酸的磷酸二酯链

DNA和RNA中的连续核苷酸通过磷酸基以共价键的形式连接在一起。一个核苷酸单位的5’-羟基基团与下一个核苷酸的3’-羟基基团以磷酸二酯键相连（图27-5）。所以核酸的共价键主链由两个可选择的磷酸基团和戊糖基团组成，然而那些特有基团是被作为侧基插入主链的间隙中的。而且由于酸性的磷酸基团对细胞内的PH值有影响所以DNA和RNA分子具有强极性。另一方面，嘌呤和嘧啶具有疏水性都不溶于水。同时我们应该知道DNA链和RNA链具有独特的极性和方位，这是因为所有核苷酸之间的磷酸二酯键沿着链都有相同的方向（图27-5）。由于有这种极性每条线状的核酸链都有各自的5’端和3’端。

核酸的核苷酸序列可用图解的方式表示出来，如通过一段含有5种核苷酸单位的DNA阐明。基部由A、T、G和C代表，每个脱氧核糖由一条竖线代表，磷酸基团由○P代表。小数字告诉我们脱氧核糖单元在哪个位置与磷酸基团相连。DNA 单链的结构总是写成5’末端在左，3’末端在右，也就是说，沿着5’→3’的方向。以上的五脱氧核糖核苷酸序列的两种简便表示方法为pApTpGpCpA和pATGCA。

DNA和RNA的核苷酸间键合可通过水解作用被化学地割开。它们也可以被一

种叫做核酸水解酶。一些核酸酶可以水解DNA或RNA链上两临近核苷酸内部位置的连接，这样的核酸酶叫内切核酸酶。另一类核酸酶只能水解终端核苷酸的连接，一些在5’端，一些在3’端，这些是外切核酸酶。脱氧核糖核酸酶仅能水解DNA 里特定核苷酸间键合，核糖核酸酶仅限于RNA，它们已在所有细胞中被发现。它们同样参与消化过程中核酸的水解。我们应看到，不同种类的内切核酸酶，是控制DNA和RNA断裂成更小的片段的重要生物化学工具，是决定核苷酸顺序的准备。

DNA储存遗传信息

DNA的历史从一位瑞士生物学家Friedrich Miescher开始，他完成了细胞核的第一次系统化学研究。在1868年，Miescher从丢弃的外科手术绷带上获得的脓细胞（脓细胞是白细胞）细胞核中分离出了一种储磷的物质，他把它叫做核素。(脓细胞是一种白细胞)Miescher发现核素由一个酸性部分，也就是我们现在所知道的DNA，和一个由蛋白质提供的基础部分构成。之后，他又在鲑鱼精子细胞的头部发现了类似的物质。虽然他分离出了核酸部分并研究了它的性质，但如图27―5中所示的DNA共价结构，直到19世纪40年代末才被人们确切知晓。

尽管Miescher和他的许多支持者怀疑核素或核酸与细胞遗传有关，但第一个认为DNA是遗传信息的承载者的直接证据是在1943年被发现的，Rockefeller 协会的Oswald T.Avery，Colin MacLeod和Maclyn McCarty发现的。他们发现了从致死的细菌品系——肺炎双球菌，也叫肺炎球菌——中抽出的DNA可以永久地将有机体内不致死品系的肺炎球菌彻底变为致死型的（图27-6）。Avery和他的同事总结出从致死品系中抽出的DNA携带致死性的基因遗传信息并且它可以永久性地与接受它的非致死品系的DNA结合。开始不是每个人都接受这些结论。一些批评家认为在Avery的实验中，DNA中掺杂的少量蛋白质可能是真正的遗信息携带者。但这种可能性很快就被排除，因为用分解蛋白质的酶处理DNA不能破坏转化活动，而用脱氧核糖核酸酶处理DNA可破坏转化活动。

后来，又一个重要的实验为DNA携带遗传信息提供了独立依据。在1952年Alfred D.Hershey和Martha Chase通过同位素标记实验证明了当噬菌体T2感染宿主细胞，大肠杆菌细胞时，真正进入宿主细胞并为病毒的复制装配遗传信息的T2病毒性颗粒是DNA，而不是它的蛋白质部分（图27-7）。

根据这些早期的重要实验和其他许多线索的发展，现在我们已完全确定DNA 是活细胞中携带遗传信息的染色物质。

不同物种的DNA有特殊的基本构成

最重要的关于DNA结构的线索出自哥伦比亚大学Erwin Chargaff和他的同事们在19世纪40年代末的一个发现。他们发现四个碱基以不同的比例存在于不同有机体的DNA中，并且它们相互间有一个数量关系，表格27―3显示了代表物种中抽出的DNA样本的四个碱基（A、T、G和C）的相对数量。这样的从不同物种DNA中收集的数据，使Chargaff和后来的研究人员得出了以下结论：

1、从同一物种的不同器官中抽出的DNA样本有相同的基本构成。

2、DNA的基本构成根据物种变化而不同。

3、一个给定物种的DNA基本构成不随有机体的年龄、营养状况或环境变化

而改变。

4、不管是何物种，在所有DNA分子中腺嘌呤残基的数量总等于胸腺嘧啶残

基的数量（即A=T），鸟嘌呤残基的数量总等于胞嘧啶残基的数量（G=C）。

从这些关系可得出，嘌呤的总数等于嘧啶的总数，即A+G=T+C。

这些数量关系被许多后来的研究者证实，它们不仅在DNA三维结构的建立中起到重大作用，而且给出了DNA中的遗传信息是如何被已成密码并一代代传递的线索。

Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型的假说

我们已经知道了X射线衍射法在分析揭示纤维状和球形蛋白质结构时是多么有力的方法。（第7章和第8章）Rosalind Franklin和Maurice Wilkins所做的对DNA纤维结构的X射线研究，给出了一个典型的衍射图案（图27―8）。从这个图案可推断出DNA纤维沿着它们的长轴有两个结构周期，0.34nm的主周期和3.4nm的次周期。问题是要提出一个DNA分子的三维模型，使其不但符合这些周期性，并且符合Chargaff发现的A=T，G=C的特定碱基等量关系。

1953年，剑桥大学的美国遗传学家James Watson和英国物理学家Francis Crick（图27―9所示），假设出了一个既能解释X射线图案又能解释DNA典型碱基对的DNA三维模型（图27―10）。它由两条螺旋形的DNA链沿同一轴线盘绕组成右手螺旋。在螺旋结构中两条链是反向平行的，也就是说，它们的5’，3’核苷酸间键合，磷酸二酯键是相反方向的。它们的亲水骨架由交互的脱氧核糖和负电性的磷酸基团组成，在双螺旋结构的外侧，朝着周围的水环境。两条链上疏水的嘌呤和嘧啶碱基被堆叠在双螺旋内部，使几乎在同一平面上的碱基分子紧密排列在一起并与双螺旋的长轴垂直。这些链的空间关系在两条链间制造了大沟和小沟，一条链上的碱基在同一平面上与另一条链的碱基配对。只有特定的碱基对

恰好适合这种结构。允许的碱基对总是一个嘌呤和一个嘧啶，特别是A―T和G―C也就是Chargaff在DNA样本中发现的有确切等量关系的碱基对（表格27-3）。而且，每对碱基都挨得足够近，使它们的一头与另一个碱基形成氢键。图27―11展示了氢键是如何在腺嘌呤与胸腺嘧啶以及鸟嘌呤与胞嘧啶间形成的。发现G 和C之间可形成三个氢键，表示为G≡C；但A和T之间只可形成两个氢键，表示为A=T。其他碱基对不符合双螺旋结构。由两个嘌呤（A和G）组成的碱基对由于太大而无法适合于这些尺寸的双螺旋结构内部，而在C―T对内的碱基，对于形成稳定的氢键来说距离太远。此外，A和C或G和T配对也无法保持双螺旋稳定结构。

为了解释X射线分析观察到的周期性，Waston和Crick使用分子模型说明双螺旋内部垂直堆叠的碱基相距0.34nm。模型也显示螺距3.4nm的原因是双螺旋每圈螺旋上大约有10个核苷酸残基（图27-10）。双螺旋直径2nm。需注意的是，双螺旋结构DNA中的两你逆向平行的多核苷酸链并非在任何碱基顺序或构成上完全相同，如图27―12所示。实际上，它们是互补的。无论腺嘌呤在一条链上的何处出现，胸腺嘧啶都能被从另一链上发现；同样，无论鸟嘌呤在一条链上的何处被发现，胞嘧啶也都能被从另一条链上发现。

DNA的双螺旋结构由两种力维持：（1）互补碱基对间的氢键（图27―11）（2）疏水作用，它使堆叠的碱基主要隐藏在双螺旋内部，保护其不与水接触，并使极性强的骨架在外侧，暴露于水。疏水作用为双螺旋结构的稳定性做了主要贡献，正如它们在球形蛋白质的二级结构中所做的一样。知道了所有双螺旋结构极性骨架上的磷酸基团都是离子化的且在Ph=7时带负电，所以DNA是强酸性的。

DNA的碱基序列构成模板

DNA的分子很长，由四个基本碱基A、T、G、c以特定顺序排列组成，这些是编码的遗传信息的符号，我们把DNA的碱基序列看做提供DNA复制的模板。不过，重要的是要明白为什么我们需要精确的模板复制、转录和翻译遗传信息。

在非信息性大分子糖原的生物合成中，葡萄糖是其唯一的重复单元，糖原合酶的活性部位保证了最后产物的纯净。这种酶存在产物特异性：它的活性部位只能接受一个UDP-葡糖分子和加长的糖原链的非还原性末端。理论上说，由于活性部位与底物分子之间存在着“互补”，它应该也可以被看做模板。

但是，DNA、RNA和多肽中编码单位特定的顺序并不是仅由一种酶的活性部位编排的，酶的活性部位相对较小，可以在一个适当的位置绑定在一个或几个构件分子上，在适当的时间正确序列组装。但是，因为由数千或数百万核苷酸单位

组成的核酸分子很大，而酶的活性部位显然很小，不能指示完成核苷酸单元的序列组合。因此，DNA的一条链必须作为碱基互补配对的模板。

DNA的双螺旋结构引出了另一个Watson-Crick假说，即遗传信息被准确复制的方式。因为DNA双螺旋的两条链在结构上互补，所以它们携带着碱基序列互补的信息。Watson和Crick假设，细胞分裂时的DNA复制从两条链解旋开始，每条链成为一个模板，指导复制酶产生的新互补链的碱基序列的组装。他们认为，每股DNA复制的如此精确，是因为两个子DNA中的碱基互补配对A=T和G≡C的稳定性。由于每个子DNA都包含着母DNA的一条链和一条由母链互补合成的新链，于是进一步提出每个新组成的双螺旋可能完整的进入一个子细胞，这个假说在28章我们将看到被实验所证实。

DNA双螺旋也许经历了变性或展开

现在我们一起来看DNA在这种双螺旋结构下的一些化学和物理性质。经过仔细分离出来的DNA的溶液在中性室温（20-25℃）条件下黏性很大，当这种溶液置以极端pH或80℃到90℃的高温条件下时，它的黏性迅速降低，这就表明DNA 已经发生了物质的转变。我们已经知道热和极端的pH下可以引起球形蛋白变性或展开，同样的，它们通过破坏碱基对间的氢键和使其聚集在一起的疏水相互作用力，引起DNA双螺旋的变性或展开。因此双螺旋会随机展开，进行无规卷曲直到最后两股完全分离。此外DNA的变性过程，也被称作熔化，其中没有主链上共价键的断裂。

只要一个双螺旋还存在不少联合两链的剩余部分，均一DNA的变性过程是很容易可逆的。当温度和pH调整到生物范围内时，两条链解开的部分会自发的重绕或退火产生完整的双螺旋。不过，如果两条链完全分离，复性过程需分两步进行，第一步相对较慢，因为两条链必须先通过随机碰撞，找到彼此进行配对，形成互补双螺旋的一部分。第二步要快得多，因为余下的碱基可以很成功的进入这个区域组成碱基对，然后这两条链可以像拉链一样的联合在一起，再次构成双螺旋结构。

两种不同类的DNA链可以进行DNA杂交

如果从人体细胞和小鼠细胞里分离出来的双链DNA分开加热，确保变性，而后混合并保持在65℃条件下较长时间，大多数的鼠DNA链重退火，互补两链形成鼠DNA双螺旋链，相同的，大多数的人类DNA链也会形成人类DNA双螺旋链。

此外，还有少数的鼠DNA单链联合人类DNA单链组成杂交双螺旋。其中鼠部分DNA链与人类部分DNA链形成碱基配对区，但是仅仅有限的一部分鼠和人的DNA 以这种方式碱基配对，而且杂交双螺旋的形成只有在两类不同的DNA分子中有部分相似的条件下才会发生，两者亲缘关系越近，其二者DNA分子间杂交程度越大。比如，人和鼠的DNA杂交程度远远大于人与酵母的DNA杂交程度。

杂交实验是用来学习遗传生物化学诸多方面的有力工具，它们不仅可以测定两物种间亲缘关系的亲疏，还可以通过DNA-RNA分子杂交测定出一个给定DNA

分子和一个RNA分子的关系，此外杂交还可以用来分离和提纯基因和RNA。DNA双螺旋的一些物理性质影响A=T和G≡C碱基对的比例

病毒或细菌DNA分子的溶液置于缓慢加热的特定温度条件下时，变性相当精确。从DNA本来的双螺旋结构到展开开始无规卷曲变性的结构，其间的过渡可以从对紫外线吸收的增加或DNA溶液黏性的降低来察觉。每一类DNA都有一个特定的变性温度或者说熔点温度，G≡C碱基对含量越大，DNA熔点就越高。这是因为G≡C碱基对比A=T碱基对更加牢固，需要更多的热能将其分离，某种程度上缘于G≡C碱基对中含有三个氢键，而A=T碱基对里只有两个。在pH和离子浓度都固定的条件下，对DNA样品的熔点进行精确的测定，可以由此对其见其组成的情况作出估计。

A=T和G≡C碱基对的相对比例，决定了DNA第二个物理性质-—浮力密度。一个含有较多G≡C碱基对比例的DNA样品比一个含有相对多得A=T碱基对的DNA 的密度要稍大些。DNA样品可以置于与其比重范围相同的浓缩CsCl溶液中高速离心，CsCl在离心管里形成了密度梯度，密度最大的在管底。CsCl溶液中的DNA 在离心管里的一个固定点静止，也就说浮力。它不会浮起或沉淀，因为它和CsCl 的密度相同。这种方法，在28章将会有更加详细的介绍，因为A=T和G≡C浮力密度不同，所以可能从DNA分子中能够分离出G≡C的成分。利用浮力密度我们可以计算出一个给定DNA中A=T和G≡C的比例。

天然DNA十分脆弱

早期的测量表明DNA分子质量大约1000万或者更少，大约等同于15000个碱基对，但是天然DNA分子的分离技术的改进，测得DNA分子的重量要重的多。现在我们知道天然DNA分子，像大肠杆菌一样，由于它们很大且容易被机械的剪切力损坏，故而不能被迅速的完整分离出来。轻微的搅动、吸量天然DNA溶液，都

能导致这些分子破碎成许多更小的片段，仔细操作下可能得到大DNA病毒完整的DNA，可以通过物理方法测定出它们的分子重量。单一的DNA分子可以直接在电子显微镜下测量其长度，这些研究都表明DNA是有确切大小和组成的分子，而不只是大小各异的聚合物的混合体。现在让我们一起来研究来自病毒，细菌和真核细胞的DNA分子大小以及其他特性。

病毒DNA分子相对较小

表27-4列出了一些病毒的DNA中微粒的重量，其包含的碱基对数目，以及在纳米数量级上的近似长度。因为每一对核苷酸平均分子质量约为650，每一对核苷酸所形成的螺距为0.34纳米，所以从病毒的DNA双螺旋的分子重量，我们可以大概了解其轮廓大小。大肠杆菌中的γ噬菌体是比较有代表性的小DNA病毒，在它细胞内或者复制型DNA是由5ˊ和3ˊ端共价组成环状DNA双螺旋（与其说是完整的圆，倒不如说像一条没有末端的带子）。双链DNA分子质量为3200万，包含大约48000对碱基，约17.2μm的伸展长度。大多其他病毒的DNA都为环状双螺旋，在一些病毒中，例如T2噬菌体，DNA为双股线型分子，也就是说，它含有两个末端。在别的病毒中，例如ФX174噬菌体，其DNA为单股环状。在复制周期中线型DNA往往变为环状，所有单股的病毒DNA变成双股，这些特殊的DNA形式表示只有在病毒复制时才能被称作复制型。

关于病毒DNA的另一个重要的问题是：它们的伸展长度比在病毒颗粒里发现的长度要大得多，在T2噬菌体里可以明显看到此结论。显然，病毒的DNA必须得紧束的装进病毒颗粒里。

在RNA病毒里，RNA充当着染色体的角色，它们一般相对更小，包含着少量基因，通常为单股。所有的植物病毒均包含有RNA。

原核细胞的染色体为均一的大DNA分子

原核细胞里所包含的DNA比病毒里的DNA要多。例如，一个大肠杆菌细胞中的DNA含量几乎是一个γ噬菌体颗粒中DNA含量的200倍。基因实验表示一个大肠杆菌细胞里的DNA是一个单一的大分子。它是一个分子质量为26亿分子质量的共价闭合双链环，包含着400万对碱基，伸展长度约为1.4毫米，约为700

倍的大肠杆菌细胞的长度。现在我们可以再次看到DNA分子必须非常紧密的聚集或卷曲，因为它几乎完全占据了大肠杆菌细胞里细胞核的空间。细菌细胞中的DNA在细胞膜的内表面的一处或多处也会有所存在。

环状DNA的超螺旋

当环状的病毒DNA被细心分离后，它们就会呈超螺旋结构或者说是超扭曲结构；即它们显示出，仿佛在单链的末尾加入到环中之前双螺旋已经被部分解旋。这种颠倒的扭转赋予了环状DNA分子一个扭矩使其可以自己卷曲。（图27-18）如果这样一个超螺旋DNA储备有足够的能量时，它可以显露出来并在内切酶的作用下与另一条链“粘连”，这种由颠倒的卷绕引起的扭转可以被缓解，环状的DNA 可以维持它正常的低耗能以及松散的状态。（图27-18）超螺旋的病毒DNA比起松散的结构来说要更紧凑。

对大肠杆菌里仔细分离出的DNA的研究已经标明它结构中有很多被蛋白质包绕在一起的环。每个环都会依次被超螺旋。（图27-19）在没有周围膜环绕的情况下，环状结构以及超螺旋结构使大的环状DNA分子装进小体积空间成为可能。除非两端被“固定”了，否则直线型的DNA不能被超螺旋。超螺旋对于涉及DNA的很多过程都非常的重要。许多蛋白质和酶不会被绑定到DNA，除非它被超螺旋。像我们知道的拓扑异构酶，它可以通过接受或者转移超螺旋来限定超螺旋的程度。

一些微生物也以质粒的形式携带DNA

除了位于原子核区的一些非常大的圆形DNA染色体外，更多种类的细菌包含了一个或更多的自由存在与细胞质内的小型圆形DNA分子。这些位于染色体外部分的DNA分子叫做质粒。大多数质粒非常小，与含有成百上千个基因的染色体相比质粒只含有少许基因。然而在一些细胞中，质粒也可能非常大。质粒携带遗传信息并且经过复制产生子代质粒，当细胞分裂时进入子细胞。通常质粒会出现用以维持一个独立的个体，它经过许多细胞分界从染色体DNA中分离。然而有时候质粒也可能结合成染色质DNA并且通过协调的方式再次离开。

一些质粒携带了能使微生物对四环素、链霉素之类的抗生素产生抗体的基因。含有这些基因的细菌细胞可以用来抵抗这些抗生素。用这些抗生素治疗细菌感染后这些细菌仍能在体内幸存。这样只会造成一些对抗生素敏感细胞的死亡。这些可抵抗抗生素的细胞经过复制形成抗生素不可控制的感染。由于这个原因，抗生素不能不加以选择的被用于治疗感染。没有有关抗生素和使用敏感的知识是不行的。这些基因也可能从一个抗生素抵抗细胞传达到一个抗生素敏感细胞为其提供较晚的抵抗能力。

质粒另一个很重要的特点就是它可以很容易的在细菌细胞中被隔离。从其他物种中而来的新的基因可以插入在被隔离的质粒中并且改良过的质粒可以重新导回原细胞中。就这样，这个带有外来基因的质粒可以使原细胞表达出从新的遗传信息即使它不是这个细胞原有的性状。之后，我们可以看到这个重组基DNA 是怎样被制造，翻译并表达成为有用的产物。

真核生物的细胞比原核生物细胞包涵更多的DNA

现在我们进行一个巨大的跨越---从原核细胞到更加复杂的真核细胞。真核生物包涵了比原核生物多很多的DNA。一个霉菌个体的粘膜，最低等的真核生物之一，包涵了比大肠杆菌多十倍的DNA。被用于经典基因学说的果蝇属的果蝇细胞中拥有大肠杆菌25倍的基因数。人类和其他哺乳动物的DNA数是大肠杆菌的600多倍。

一个人一个细胞中所有DNA连起来总长有大约2m，而大肠杆菌只有1.4mm。一个成人体内约含有大概10^13个细胞，人体内所有DNA总长加起来有2x10^13m 也就是2x10^10km。相比之下地球的圆周是4000km,地日间距离是1.44x10^8km。

真核细胞细胞核在显微镜下观可以看出基因的基本组成成分的染色体。它们的数目取决于生物的种类。比如，人类的细胞有46个染色体。现在已经确定真核生物细胞的染色体中是由独立的两个DNA组成的大分子物质，比大肠杆菌细胞的染色体大4至100倍。人体中最小的染色体上的一个DNA都比大肠杆菌的DNA 长15倍。人体细胞中46个染色体并不是一样大小。真核细胞的DNA是线型的，而非环型的。每个真核细胞中的染色体都含有独一无二的基因序列。一个细胞中所有的基因组成基因组。

一个典型的人体细胞，比如一个肝细胞，直径约为25微米。细胞核直径为5微米并含有46个染色体。就如我们现在可以看到的这样，真核生物的DNA组成和原核生物有很大的不同。

真核生物染色体由染色质纤维组成

我们提及染色体是由于讨论核苷酸分子是病毒，原核生物细胞或者真核生物细胞基因的贮存库之时。但是染色体最初是在另一种情况下，当提到真核细胞核被稠密的染色后，可在光学显微镜下被清楚的观察到被染料染色。

染色质曾经被单独分离并且对它加以分析。它包含了许多细细的纤维，大约百分之六十是蛋白质，百分之三十五是DNA还有约百分之五的RNA。在一个染色

质中染色质纤维被折叠缠绕成许多束。染色质中的DNA被蛋白质紧紧包裹成为组蛋白，之后按机能组装成有结构的个体称为核小体。同样在染色体中发现了非核小体蛋白质。作为对比，细菌的染色体中不含核小体但有少量的蛋白质帮助DNA 折叠和凝聚。

组蛋白是小型基础蛋白质

组蛋白能从所有真核生物体细胞的染色质中发现但是原核生物中绝不存在。他们分子质量大约在11000到21000之间。

在必须氨基酸的精氨酸和赖氨酸中富含组蛋白。并且组成月四分之一的氨基酸残基。由于精氨酸和赖氨酸残基在PH为7是会质子化因此带上正电荷，吸引带负电的组蛋白使得他们由于静电吸引被结合在一起。

在真核生物细胞中发现的五种主要的组蛋白在分子质量和氨基酸构成上有很大的区别。组蛋白H1富含赖氨酸，组蛋白H2和H3包涵了大量的赖氨酸和精氨酸，前者数量上更占优势。而组蛋白H3和H4含有的精氨酸比赖氨酸更多并且被认为是精氨酸富含体。组蛋白中的两种，H3和H4在所有真核生物中的氨基酸排列几乎是相同的，因此在真核生物中发挥着相同的功能。在真核生物中的同源排列的方面组蛋白H1、H2、H3和H4表现出了更轻程度的作用。

每个组蛋白都能在不同的物种体内存活因为精氨酸序列中的一些氨基酸可以通过甲基化、磷酸化或者乙酰化被酶修正。对组蛋白中精氨酸序列的修正可能改变他们的网状电荷或者其他性质。比如赖氨酸中的E-氨基酸乙酰化是消去正电荷所造成的。

DNA组蛋白复体组成形似珠串的核小体

染色质纤维看起来像是有许多念珠串成的一根线。这些纤维里重复的珠串状的结构就是核小体。它们包含了大约含200对碱基DNA双链片段，围绕核小体分子形成长达有约10到11纳米长的珠链。每个核小体核心都有8个组蛋白分子并且H2A、H2B、H3和H4以二聚体形式结合。DNA便缠绕在核小体的核心上。在每个核小体核心间H1 与线形DNA结合。这些连接片段有不同的长度，从20到120对核苷酸，由物种种类和细胞形式决定。在人类的染色质纤维中他们有50对核苷酸对的长度。核小体是染色质的基本组成单位，主要服务于包装功能。（除了组蛋白缠绕部分所产生的一条DNA链的净缩短在其周围的环绕，真核生物DNA的缩短和包裹使核小体得以更加整齐的排列）染色质同样存在核小体的

其他非组蛋白部位，形成了一个棚架或核基质。

真核生物细胞中同样含有细胞质DNA

除了在真核细胞的细胞核中发现DNA之外，还有很少量与细胞核中DNA组成完全不同的DNA存在于细胞质中，位于线粒体里。能进行叶绿体光合作用的细胞中同样含有DNA。通常这些DNA含量在所有存在于体细胞里细胞器中DNA含量中只占不到百分之0.1。但在线粒体含量相对较高的正在受精和分裂的卵细胞中，这些信使DNA的含量就变得很高。信使DNA与细胞核中染色体相比分子量很小。在动物细胞中他只有大约一百万的分子量并且作为发生。叶绿体中的DNA比线粒体中的DNA分子大很多。这些细胞器中的DNA和组蛋白没有联系。

对于线粒体和叶绿体DNA的来源一直是有许多揣测。一种观点认为它们是该侵入寄主细胞后细菌染色体在细胞质中留下的残余物并成为这些细胞器的最早来源。信使DNA 为线粒体tRNA和rRNA以及一些线粒体蛋白编码。由于超过百分之九十五的线粒体蛋白质是由核DNA编码，线粒体DNA和叶绿体发生的原因是细胞遗传学的奥秘之一。在宿主细胞分裂时线粒体和叶绿体也经历了一个分裂过程。在线粒体分裂过程前和过程中它们的DNA被复制并且由母代线粒体传到子代线粒体中。

基因是肽链和RNA代码的DNA片段

现在让我们来谈谈主要功能细分的DNA分子，基因。经典生物学中所界定的基因中上的一个染色体，决定或指定一个字符或部分表型，比如，眼睛的颜色。（表型的意思就是：可见外观）但是如今我们有一个分子的定义，首先由George Beadle 和Edward Tatum在1940年提出。他们揭露了Neurospora 胞质模型在运用X射线和其他方法下，破坏DNA从而引起基因突变。一些突变在一个或另一个特定酶缺陷被发现，在一个的代谢途径中造成失败。这个发现使得他们得出结论，基因是遗传物质，他们决定一种酶的代码段：一种基因决定一种酶的假说。之后这个概念变得更为全面表示为一种基因决定一种蛋白质，因为一些决定蛋白质基因的代码不是酶。但是如今我们有了一个更精确的生化定义。

之前说到许多蛋白质包含大量的多肽链。在一些蛋白质多链中，所有的多肽链都是相同的，因为它们都是由相同的基因表达出来的产物。但是其他的有两条或者更多的多肽链，每条肽链中都含有独特的氨基酸序列。比如血红蛋白中含有两种肽链，在长度和氨基酸排列上都有很大不同的α和β链。现在我们知道α和

β链是由两种不同的基因表达出来的。这样基因—蛋白质关系由“一种基因决定一种多肽”的理论描述得更为科学。

然而，不是所有的基因最终是由多肽链的形式表达出来的。一些基因由不同的tRNA 翻译得来，而另一些基因是由rRNA翻译得来。翻译成为多肽和RNA的基因被认为是结构基因：它们决定最终基因产物的结构，比如酶或者某种稳定的RNA。DNA同样包含了具有纯粹调节功能的其他片段或序列。有些调控片段可以构成指明结构基因开端与末端的信号；其他调节片段对结构基因是否转录有一定作用。因此染色体包含结构基因和调控序列。

在一条染色体中包含很多基因

一条染色体中有多少基因？以大肠杆菌为例，我们可以对这个问题给出一个近似回答。据估计，大肠杆菌的一条染色体有超过3000个基因，也许多达5000个。根据二向电泳的分离原理，大肠杆菌中不同多肽的数量已经过测算。1100多个不同部位各对应不同的肽链已经被发现（图27-25）。然而这是一个保守估计，因为这种方法还无法分离所有多肽，并且灵敏性不足以能发现极少量存在于细胞中的蛋白质。

很多病毒和细菌的染色体基因的调控排列方式已通过大量的基因过程被“绘成”图谱。图27-26的部分大肠杆菌基因图谱表现了环状DNA分子中与基因相关的部位。

基因有多长？

我们可以近似地给出基因的长度。我们看到（812页）大肠杆菌双螺旋DNA 分子包含大约4百万核苷酸对。如果大肠杆菌中有3000个基因，则平均每个基因的长度为由1300个核苷酸对组成的DNA的长度（4*10^6/3000≈1300）。这可能是一个过量的估计值，因为没有考虑DNA中的信号，空间，或者其他未知功能部位的出现。

我们可以更直接地估计基因的长度。目前我们知道一条肽链上的每个氨基酸都被一条原核DNA链上连续的三个核苷酸翻译而来（图27-27）。因为遗传密码中没有“休止”的符号，所以DNA的密码三联体是连续排列的，对应它们在肽链中编码出的连续的氨基酸。图27-27表现了DNA，RNA和蛋白质之间的编码规则。因为每条肽链任意部位的特定序列都有50到2000或者更多氨基酸残基（126页），一个用来编码并合成肽链的基因对应地有至少150到6000个或者更多核苷

酸单位。平均来说，如果每条肽链有大约350个残基，这就会对应1050个核苷酸对。在大肠杆菌的DNA中大约有四百万个核苷酸对，它们等同于约3800个基因（4*10^6/1050≈3800）。

双螺旋DNA的碱基对间距离为0.34nm的事实（804页）让我们可以计算一条肽链的平均基因长度：0.34(1050)=357nm=0.36μm。每个核苷酸对的分子量大约为650，因此这个基因的分子量就约为650(1050)=680,000。

编码转移RNA的基因要比编码蛋白质的基因小得多，因为每个转移RNA的核苷酸单位是由一个DNA核苷酸单位编码而来的。

细菌的DNA被限制-修饰系统所保护

从很久前我们就知道，在成千上万的细菌DNA的碱基A，T，G，C，中，有些带有甲基基团。这些甲基化碱基具有的生物学意义通过一些重要的发现显现出来，而这些发现对基因遗传学和遗传生物化学都产生了很大的影响。每个种类的细菌的DNA中都有其独特的甲基化碱基模式，这种模式可以将它和其他种类的DNA分子区分开。如果其他物种的DNA进入到一个细菌的活体细胞中，它将被认作是“外源的”，因为它缺少这个细胞物种特有的甲基化模式。外源DNA将会在它缺少宿主细胞特有甲基化模式的部位或其周围被一种特异性核酸酶切割。因此外源DNA就被限制了；它们被各种类细菌中特殊的核酸酶破坏。

两种在特异性方面紧密相关的酶保护着细菌的DNA：(1) 修饰性甲基化酶和(2)限制性内切酶。修饰性甲基化酶在宿主细胞DNA的一小段特定碱基序列中负责产生有物种特异性的甲基化模式。这个甲基化序列会在宿主细胞DNA中出现很多次。序列中的甲基基团在细胞的一生中都保持完好。另一方面，如果其他DNA 有如上的碱基序列但没有被甲基化，对应的限制性内切酶就会切割这个DNA的两条链。以流感嗜血菌的限制性内切酶Hin dⅡ为例（每个限制性内切酶都有一个标志）。这种酶在箭头所指的点切割含有特殊碱基序列的DNA的两条链：

切割点

↓

5’―G―T―Py―Pu―A―C― 3’

●

3’―C―A―Pu―Py―T―G― 5’

↑

但是如果打星号的碱基被甲基化了，它就不会切割相同的序列：

*

5’―G―T―Py―Pu―A―C― 3’

●

3’―C―A―Pu―Py―T―G― 5’

*

值得注意的是，无论这一小片段DNA是否被甲基化，它都关于所示中间的黑点呈内对称性。如果把这个片段围绕中心点在纸平面上旋转180°，它看上去和旋转之前是完全一样的。这种对称被称作中心对称。大多数目前发现的修饰-限制序列都是中心对称的。Hin dⅡ限制性内切酶切割任何没有在这个序列上甲基化的DNA双链的中心的部分。一旦外来DNA由这种方式被切割，它便不能修复，因此也不能复制。它会被其他细胞核酸酶降解为单核苷酸。

表27-7表现了被不同种类细菌的典型限制性内切酶攻击的特定序列。每个限制酶有一个标记，并且每个它识别的序列都是中心对称的。一些限制性内切酶产生齐平的末端，就像上方Hin dⅡ的例子，但是其他末端，比如大肠杆菌的Eco RI内切酶产生交错的末端。后者中相互搭接的两个末端称为有结合力的末端或者粘合末端，因为它们之间可以碱基配对来连接。

经过计算，无论什么种类的细菌，每4000个核苷酸对中就有一个由6对中心对称的核苷酸组成的序列。因为不同细菌的DNA分子有上百万的核苷酸对，所以很有可能每个外来细菌的DNA都会被限制性内切酶至少切割一次，但是宿主细胞能利用甲基化一个或多个限制序列中的碱基来保护它自身的DNA；甲基化序列不被限制性内切酶约束，因此也就不会被切割。

在不同种类的细菌中已经有发现了超过150种不同的限制性内切酶。有些细菌有不止一组的相对应的修饰性甲基化酶和限制性内切酶。然而，细菌DNA病毒已经掌握几种方法来穿越宿主细胞的限制性防御系统。一些滤过性毒菌的DNA 含有不同种类的碱基修饰物，使得这些DNA不会被它们侵入的宿主细胞中的限制性内切酶所破坏。这些滤过性毒菌含有的修饰性基团是甲基，羟甲基和葡萄糖苷基。其他病毒进化产生出了可以不被限制性内切酶识别的DNA序列。

还有另外一个原因使得限制性内切酶显得尤为重要：它们是非常有用的工具，因为其可反复多次地只在特定部位切割DNA的两条链。这个性质为遗传生物化学开创了一片新的领域。已有很多限制性内切酶被用在商业用途上，它们可以系统地切割和绘制染色体，并且是判定DNA中碱基顺序时必不可少的工具。加上其他一些最近取得的进展，限制性内切酶可以使一个有机体的基因拼接到另一个有机体的整组基因中（第30章）。1978年的诺贝尔医学奖颁发给了发现DNA限制性内切酶作用机理和其切割基因用途的瑞典科学家Werner Arber及美国科学

家Hamilton Smith和Daniel Nathans。

真核生物DNA含有重复的碱基序列

对大多数原核生物来说，每个细胞只含有一份DNA拷贝，并且几乎是在所有情况下每个DNA分子都只含有一份特定的基因。除了调控和信号序列，原核生物基本没有不表达或未转译的DNA。另外，每个基因都准确地与其编码而成的氨基酸序列（或RNA序列）共线（图27-27）。

真核生物DNA的基因结构和功能复杂得多。测试老鼠重复DNA片段的试验得出了惊人的结果。大约10%的鼠DNA含有很短且由不到10个碱基对组成的DNA，这些DNA被重复了上百万次。它们被称为高度重复片段。另外20%的鼠DNA重复出现了至少1000次，它们被命名为中度重复序列。其余的70%DNA含有特殊的没有重复的片段，或是只重复了几次。高度重复的序列被称作卫星DNA，是非转译片段。

其他物种也已被应用于这项实验。现在发现很有可能所有真核生物染色体都含有重复DNA，然而原核生物普遍没有。高度重复和中度重复序列的数量在真核生物的不同种类间存在差异。

真核生物少数基因出现在多重拷贝中

一些基因出现在很多拷贝中，至少在细胞生命周期中的某些特定时期是这样。最明显的例子是一组存在于许多正常体细胞拷贝中的为编码四种核糖体RNA 的基因。两栖动物的卵细胞进一步扩增了编码其中三种核糖体RNA的基因。这是有其必然性的，因为一旦卵细胞受精，它就会快速地生长并分裂，就需要很多核糖体来产生细胞所需的蛋白质。编码组织蛋白的基因也重复出现在不同真核生物中，多达1000次。早期胚胎必须在这段快速生长期内迅速地产生组织蛋白。雏鸡基因组中产生羽毛角蛋白的基因也有多个拷贝。

人们或许会猜想，编码其它大量存在于真核生物的特定细胞和组织中的蛋白质，（例如：血红蛋白、血清白蛋白、胶原蛋白、或卵白蛋白）的基因也会有多个拷贝。然而这也不完全正确。大多数真核生物基因只在拷贝中出现一次或者几次。

真核生物DNA有很多回文序列

真核生物DNA有另外一个特征性质。它含有大量的（可能数以千计）回文序列。一个回文序列（希腊文意思为“回转”）表示一个词，短语，或句子，它们顺读和反读都是一样的。

以下为两个例子：

Able was I ere I saw Elba.

Madam, in Eden I’m Adam.

这个术语被应用于真核生物DNA中的特定片段，这些片段含有反向重复的中心对称的碱基序列，这与被限制性内切酶攻击的短序列类似。图27-28是一个例子。

许多回文结构都包含多达一千个碱基对，较短的一些很有可能是特殊的信号，比如限制序列。长的回文结构有潜力通过链上的碱基对来构成十字形的圆圈。长的回文结构的功能还是未知的。

许多真核基因中含有插入的不翻译的序列（内含子）

大多数的真核基因基团都有着与众不同以及非常迷惑人的结构特征：它们的基本序列中都包含这一个或者更多的插入的部分，它们并不为多肽产物中的氨基酸序列编码。这些不翻译的插入的部分干扰了基因原子序列以及它编码的多肽中的氨基酸之间共线的关系。

基因中这些不翻译的DNA片段被称作插入序列或内含子，反之，编码的片段称作外显子。一个熟知的例子就是鸡蛋蛋白中单多肽链的基因编码。从图２７－２９可以看出，这个基因拥有６个内含子，将蛋白质基因分割成７个外显子。此外，在这个特殊的基因中内含子的长度远大于外显子；在这个基因中包含的DNA，有８５％的长度都是内含子。几乎没有例外，所有的真核基因已经被检测车包含内含子，但是在数量，长度，以及占基因总长度的比例上都是有所不同的。例如：血清蛋白包含６个内含子，与此同时鸡蛋的伴清蛋白包含１７个内含子，以及一个胶原基因已经被发现含有超过５０个内含子。组织蛋白的基因是个例外，它们看起来似乎没有内含子。

内含子的功能还不完全清楚，更多的还是推测。一种意见是它们包含规律性的信号。另一种是内含子把基因分隔成为可以交换的单元（迷你基因），这些在物种进化过程中可以被重新组合成新的基因。无论内含子和外显子的功能是什么，它们在基因的转录中都形成了一些问题。

一些DNA的碱基序列已经被确定

在1977年，噬菌体φΧ174（见第790页）完整的DNA分子的碱基序列被确定下来。这个部寻常的成就标志着生物化学中在基因和染色体方面一个新领域的开放。从那开始，许多不同基因的碱基序列已经被确定，原则上来说，现在是可能确定出任何DNA的碱基序列的。在1977年以前，许多转运RNA以及一些小的信使RNA的碱基序列已经确定下来。Robert Holley和他的团队是第一个发现核酸序列的，它是酵母中一个丙氨酸的转运RNA。这个在1965年完成的重大发现花费了几年的工作。尽管tRNA只有不到100个核苷单位，但它们包含很多不寻常的可以更改的并且已经被认同的基础。尽管DNA的序列代表着一个物种区别于其他物种的不同点。我们已经看到大肠杆菌细胞基因中平均有1200个核苷酸对以及噬菌体φΧ174的整个DNA分子中有超过5000个。在过去没有一个可以被利用的办法去在一个特定核苷酸的位置选择性地分开DNA，要是有的话，也都是在腺嘌呤残基处。即使这样一种技术可以被使用，还是会产生大量小的片段，这些片段的分离将会非常困难。再者，即使它们可以被分开并且被排序，把这些片段排成大体上正确的序列也是几乎不可能的。

三个重大发展创造了一个可能的突破口，首先是限制性核酸内切酶的发现，它可以只在一些相对特定的点切割DNA分子。使用两种或者更多不同的限制性核酸内切酶（表27-7）使DNA分子的片段以不同的方式让位于序列的重叠变得可能，就像两种不同的蛋白质水解酶的用途，类似于胰蛋白酶和胰凝乳水解酶，使得多肽链的片段可以通过不同的方式建立起氨基酸序列重叠（133页）。例如：类人猿病毒（SV40），一种动物病毒的DNA（图27-30）可以把一些细胞变为恶性的状态。DNA在限制性核酸内切酶的作用下在特定的位点被分开，并且让位于对决定个体基因位置有用的片段。图27-31显示SV40DNA是在三种限制性核酸内切酶的作用下被分离的。

第二个重大的前沿发现是分离DNA片段所用的电泳精炼技术，这是基于它们所包含的核苷酸熟么。这些技术如此的高精度以至于可以分离长达200个核苷酸长的DNA片段，即使它们之间只相差一个核苷酸（图27-32）。

第三个发展是DNA克隆技术（30章），将相当大数量的纯净基因作为序列的起始准备材料变成了可能。两个排序的DNA的基本方法已经被开发出来，每个都有一定数量的变动。Frederick Sanger是第一个确定蛋白质即胰岛素的氨基酸序列的，他是第一个推断φΧ174DNA分子的碱基序列的人，1977年这被报道出来。Sanger和他的团队发现了链终止技术，同时也提到“加-减”体系，这是一

种非常简便的方法。美国的Alan Maxam和Walter Gilbert也自主发现了不同的方法，并被称作为化学方法。这两种方法都是通过用限制性核酸内切酶切割起始DNA来获得DNA片段开始的。框27-1表明了Maxam和Gilbert排序方法的工作原理。

摘要：

几条证据标明DNA携带遗传信息。Avery－Ｍclead－ＭacＣarty的实验表明从细菌的一条DNA分离出的片段可以进入其他细胞并且转录产生另一条链，这使得这个细胞具有一部分工体细胞的遗传特征。Hershey－Chase的实验证明细菌病毒所用来在其宿主细胞内进行复制的遗传信息是由它的DNA携带，而不是它的蛋白质外壳。一个给出的生物体的所有体细胞所包含的DNA有着相同的组成，不会因饮食或者环境因素而改变。尽管DNA的基本组成在物种间是有特异性变化的，但是在所有的DNA双链中，腺嘌呤残基的数目与胸腺嘧啶残基相等，同样地，鸟嘌呤残基的数目等于胞嘧啶残基的数目。

Watson和Crick根据对DNA纤维的X光分析结果以及在DNA中的基本配对，他们假定原始的DNA由两条不平行的链组成，并且构成一个双螺旋的结构方式。螺旋结构中互补的碱基对Ａ－Ｔ，Ｇ－Ｃ由氢键连接，亲水的糖－磷酸骨架则分布在螺旋外面。碱基对紧密地排列在一起，并与长轴垂直，每部分的长度为０.34nm;在双螺旋结构的每个完整的转角中大约有10个碱基对。双螺旋结构的互补特性表明两条DNA链在复制方面一种准确的机制。

原始的DNA在高温或者极端ｐＨ的情况下两条链经历了一个可逆的解旋过程。因为G≡C碱基对的稳定性要高于A＝T，所以G≡C含量较高的DNA熔点要比A＝T含量较高的DNA高。来自一个物种的单链DNA可以与另外一条来自其他物种但有着一些相同序列的单链DNA配对成杂交的双螺旋结构。这种杂交结构配对的程度与检测两个不同物种之间关系以及DNA与RNA的相同程度的基础。

细菌不同的病毒中，单个的DNA分子可能是一个环形的或是直线的双螺旋结构；一些病毒的DNA，例如φΧ174，是单链富饶。病毒的DNA是盘绕着的，可以协调地将DNA包裹在病毒颗粒的内部。在细菌中，单个的染色体就是一个更大的环形螺旋。细菌的DNA被折叠成许铎许多环形，每个都是独立盘绕的。真核细胞中有大量的染色体，。每一个都是大型的直线DNA，要比原核细胞单个的染色体大4到100倍。真核细胞的DNA卷绕在构成原子的有规律的间隔中的一系列组织蛋白中。

基因是编码多肽链的DNA，转运RNA，核糖体RNA的组成成分。病毒的DNA