DNA雙螺旋結構:生物學概念-中文百科頻道

簡介

1952年，奧地利裔美國生物化學家查伽夫（E.chargaff，1905—）測定了DNA中4種堿基的含量，發現其中腺膘呤與胸腺嘧啶的數量相等，鳥膘呤與胞嘧啶的數量相等。這使沃森、克裡克立即想到4種堿基之間存在着兩兩對應的關系，形成了腺膘呤與胸腺嘧啶配對、鳥膘呤與胞嘧啶配對的概念。

1953年，沃森和克裡克發現了DNA雙螺旋的結構，開啟了分子生物學時代。分子生物學使生物大分子的研究進入一個新的階段，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開，人們清楚地了解遺傳信息的構成和傳遞的途徑。在以後的近50年裡，分子遺傳學、分子免疫學、細胞生物學等新學科如雨後春筍般出現，一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，DNA重組技術更是為利用生物工程手段的研究和應用開辟了廣闊的前景。

發現

提出者

20世紀上半葉，自然界中大多數生物的遺傳物質被确定為DNA，在此基礎上一批青年科學家加入了生物學的研究。1951年，沃森和克裡克在劍橋著名的卡文迪什實驗室相遇，并開始進行DNA結構的研究。

1953年2月，沃森、克裡克通過維爾金斯看到了富蘭克琳在1951年11月拍攝的一張十分漂亮的DNA晶體X射線衍射照片，這一下激發了他們的靈感。他們不僅确認了DNA一定是螺旋結構，而且分析得出了螺旋參數。

他們采用了富蘭克琳和威爾金斯的判斷，并加以補充：磷酸根在螺旋的外側構成兩條多核苷酸鍊的骨架，方向相反；堿基在螺旋内側，兩兩對應。一連幾天，沃森、克裡克在他們的辦公室裡興高采烈地用鐵皮和鐵絲搭建着模型。1953年2月28日，第一個DNA雙螺旋結構的分子模型終于誕生了。

意義

雙螺旋模型的意義，不僅意味着探明了DNA分子的結構，更重要的是它還提示了DNA的複制機制：由于腺膘呤(A)總是與胸腺嘧啶(T)配對、鳥膘呤(G)總是與胞嘧啶(C)配對，這說明兩條鍊的堿基順序是彼此互補的，隻要确定了其中一條鍊的堿基順序，另一條鍊的堿基順序也就确定了。

因此，隻需以其中的一條鍊為模版，即可合成複制出另一條鍊。克裡克從一開始就堅持要求在發表的論文中加上“DNA的特定配對原則，立即使人聯想到遺傳物質可能有的複制機制”這句話。他認為，如果沒有這句話，将意味着他與沃森“缺乏洞察力，以緻不能看出這一點來”。在發表DNA雙螺旋結構論文後不久，《自然》雜志随後不久又發表了克裡克的另一篇論文，闡明了DNA的半保留複制機制。

确定

建立

RosalindFranklin（1920～1958）拍攝到的DNA晶體照片，為雙螺旋結構的建立起到了決定性作用。但“科學玫瑰”沒等到分享榮耀，在研究成果被承認之前就已凋謝。Franklin生于倫敦一個富有的猶太人家庭，15歲就立志要當科學家，但父親并不支持她這樣做。她早年畢業于劍橋大學，專業是物理化學。1945年，當獲得博士學位之後，她前往法國學習X射線衍射技術。她深受法國同事的喜愛，有人評價她“從來沒有見到法語講得這麼好的外國人。”

1951年，她回到英國，在劍橋大學國王學院取得了一個職位。那時人們已經知道了脫氧核糖核酸（DNA）可能是遺傳物質，但是對于DNA的結構，以及它如何在生命活動中發揮作用的機制還不甚了解。就在這時，Franklin加入了研究DNA結構的行列，然而當時的環境相當不友善。

她開始負責實驗室的DNA項目時，有好幾個月沒有人幹活。同事Wilkins不喜歡她進入自己的研究領域，但他在研究上卻又離不開她。他把她看做搞技術的副手，她卻認為自己與他地位同等，兩人的私交惡劣到幾乎不講話。當時的劍橋，對女科學家的歧視處處存在，女性甚至不被準許在高級休息室裡用午餐。她們無形中被排除在科學家間的聯系網絡之外，而這種聯系對了解新的研究動态、交換新理念、觸發靈感極為重要。

Franklin在法國學習的X射線衍射技術在研究中派上了用場。X射線是波長非常短的電磁波。醫生通常用它來透視人體，而物理學家用它來分析晶體的結構。當X射線穿過晶體之後，會形成樣一種特定的明暗交替的衍射圖形。不同的晶體産生不同的衍射圖樣，仔細分析這種圖形人們就能知道組成晶體的原子是如何排列的。Franklin精于此道，她成功地拍攝了DNA晶體的X射線衍射照片。

研究

Watson和Crick也在劍橋大學卡文迪許實驗室進行DNA結構的研究，Watson在美國本來是在微生物學家指導下從事噬菌體遺傳學研究的，他們希望通過噬菌體來搞清楚基因如何控制生物的遺傳。派他出國學習并沒有生硬地規定課題，甚至他從一個國家的實驗室到另一個國家的實驗室也能得到導師的支持或諒解。

當他聽了Wilkins的學術報告，看到DNA的X射線衍射圖片後，認定一旦搞清DNA的結構，就能了解基因如何起作用。于是他不等批準，就決定先斬後奏從丹麥去倫敦學習X射線衍射技術了。至于Crick，他是個不拘小節又相當狂妄的聰明人，不太受“老闆”Bragg歡迎，甚至一度有可能被炒尤魚。但是，當因為學術問題引起的誤會消除後，老闆照樣關心他的工作，在那篇劃時代的論文寫成後，Bragg認真修改并熱情地寫信向《Nature》推薦。這種現象在一個以學術為重的研究機構應該是正常的。人際關系對研究事業的幹擾是輕微的。

Watson擅自選擇，後來和Crick一起在那裡做出劃時代貢獻的研究機構，在當時已經是一個聞名全球的單位———英國劍橋大學卡文迪許實驗室。這個實驗室創立于1874年，麥克斯威爾、盧瑟福、玻爾等一批物理學大師都在這裡工作過。創立至今，先後造就了近30位諾貝爾獎獲得者。

早在20世紀初，物理學家湯姆森領導這個實驗室時，就形成了一個“TeaBreak”習慣，每天上午和下午，都有一個聚在一起喝茶的時間，有時是海闊天空的議論，有時是為某個具體實驗設計的争論，不分長幼，不論地位，彼此可以毫無顧忌地展開辯論和批評。曆史證明這種文化氛圍确實有利于學術進步，所以這種習慣現在已經被國外許多大學和研究機構仿效，就連國際學術會議的日程安排中，這個節目也是必不可少的。

近十幾年來，國内個别大學和科研單位的領導人也在試圖推廣這種做法。如果能夠長期堅持下去，必有收獲。在卡文迪許實驗室裡，Watson遇到了物理學家Crick，又得到機會向Wilkins、Franklin等X射線衍射專家學習，還有包括著名蛋白質結構專家的兒子在内一批科學家和他經常交換各種信息和意見，又得到實驗室主任Bragg等老一輩的指導和鼓勵，這些都是他取得成就的重要因素。而直接導緻Watson集中精力從事DNA結構研究的契機，則是他得到美國主管部門資助去參加在拿不勒斯召開的學術會議，在那裡他看到了Wilkins的X射線衍射圖片。

創新

創新者必須破除迷信，敢于向權威挑戰。1953年的Watson和Crick都是名不見經傳的小人物，37歲的Crick連博士學位還沒有得到。受到前人的影響，他們原來按照3股螺旋的思路進行了很長時間的工作，可是既構建不出合理模型，也遭到結晶學專家Franklin的強烈反對，結果使工作陷于僵局。

在發現正确的雙股螺旋結構前2個月，他們看到蛋白質結構權威Pauling一篇即将發表的關于DNA結構的論文，Pauling錯誤地确定為3股螺旋。Watson在認真考慮并向同事們請教後，決然地否定了權威的結論。正是在否定權威之後，他們加快了工作，在不到兩個月内終于取得了後來震驚世界的成果。

兩位年輕科學家沒有迷信權威，而且敢于向權威挑戰，這需要勇氣，更需要嚴肅認真的實驗工作和深厚的科學功底。在科學界經常遇到的是年輕人對權威無原則的屈服，甚至Watson在開始知道鮑林提出的是三螺旋模型的一刹那，也曾後悔幾個月前放棄了自己按三螺旋思路進行的工作。不過他們沒有從此打住，而是為了赢得時間，加快了工作。因為他們相信這是智者Pauling千慮之一失，很快本人就會發現錯誤并迅速得出正确結論。

Wilkins在Franklin不知情的情況下給他們看了那張照片。根據照片，整日焦慮于DNA結構發現的Watson和Crick立即領悟到了現在已經成為衆所周知的事實——兩條以磷酸為骨架的鍊相互纏繞形成了雙螺旋結構，氫鍵把它們連結在一起。

他們在1953年5月25日出版的英國《Nature》雜志上報告了這一發現。雙螺旋結構顯示出DNA分子在細胞分裂時能夠自我複制，完善地解釋了生命體要繁衍後代，物種要保持穩定，細胞内必須有遺傳屬性和複制能力的機制。這是生物學的一座裡程碑，分子生物學時代的開端，怎樣評價其重要性都不過分。

在1953年2月底，33歲的Franklin已經在日記中寫道，DNA具有兩條鍊的結構。這時她已經确認這個生物分子具有兩種形式，鍊外面有磷酸根基團。

1953年3月17日，當Franklin将研究結果整理成文打算發表時，發現Watson和Crick破解DNA結構的消息已經出現在新聞簡報中。4月2日，Watson、Crick和Wilkins的文章送交《Nature》雜志，4月25日發表，接着他們在5月30日的《Nature》雜志上又發表了“DNA的遺傳學意義”一文，更加詳細地闡述了DNA雙螺旋模型在功能上的意義。

1953年初，Watson和Crick構建出DNA分子雙螺旋結構模型，而此時Franklin對這一進展并不知情。她更不知道的是，Watson和Crick曾看過她拍攝的能驗證DNA雙螺旋結構的X射線晶體衍射照片，并由此獲得了重要啟發。

Franklin的貢獻是毋庸置疑的：她分辨出了DNA的兩種構型，并成功地拍攝了它的X射線衍射照片。Watson和Crick未經她的許可使用了這張照片，但她并不在意，反而為他們的發現感到高興，還在《Nature》雜志上發表了一篇證實DNA雙螺旋結構的文章。

Watson在1968年出版的《雙螺旋》一書中坦承，“Franklin沒有直接給我們她的數據”。而Crick在很多年後也承認，“她離真相隻有兩步”。目前，科技界對Franklin的工作給予較高評價，對Wilkins是否有資格分享發現DNA雙螺旋結構的殊榮存在很大争論。

1962年，當Watson、Crick和Wilkins共同分享諾貝爾獎時，Franklin已經因長期接觸放射性物質而患乳腺癌英年早逝。

結構特點

主鍊(backbone)

由脫氧核糖和磷酸基通過酯鍵交替連接而成。主鍊有二條,它們似“麻花狀”繞一共同軸心以右手方向盤旋，相互平行而走向相反形成雙螺旋構型。主鍊處于螺旋的外則,這正好解釋了由糖和磷酸構成的主鍊的親水性。DNA外側是脫氧核糖和磷酸交替連接而成的骨架。所謂雙螺旋就是針對二條主鍊的形狀而言的。

堿基對(basepair)

堿基位于螺旋的内則,它們以垂直于螺旋軸的取向通過糖苷鍵與主鍊糖基相連。同一平面的堿基在二條主鍊間形成堿基對。配對堿基總是A與T和G與C。堿基對以氫鍵維系，A與T間形成兩個氫鍵，G與C間形成三個氫鍵。DNA結構中的堿基對與Chatgaff的發現正好相符。

從立體化學的角度看,隻有嘌呤與嘧啶間配對才能滿足螺旋對于堿基對空間的要求，而這二種堿基對的幾何大小又十分相近,具備了形成氫鍵的适宜鍵長和鍵角條件。每對堿基處于各自自身的平面上，但螺旋周期内的各堿基對平面的取向均不同。堿基對具有二次旋轉對稱性的特征，即堿基旋轉180°并不影響雙螺旋的對稱性。也就是說雙螺旋結構在滿足二條鍊堿基互補的前提下，DNA的一級結構産并不受限制。這一特征能很好的闡明DNA作為遺傳信息載體在生物界的普遍意義。