DNA雙螺旋結構發現的奧秘

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2018-07-13

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DNA是大多數生物的遺傳物質,是規則的雙螺旋結構。 DNA的雙螺旋結構是怎麼發現的?發現的過程又經歷了怎樣的曲折?20世紀上半葉,自然界中大多數生物的遺傳物質被確定為DNA,在此基礎上一批青年科學家加入了生物學的研究。 1951年,沃森和克裏克在劍橋著名的卡文迪什實驗室相遇,並開始進行DNA結構的研究。 沃森和克裏克認為揭示DNA分子結構需要建立一個結構模型。

在當時,人們已經認識到DNA是由許多基本單位疊合在一起組成的,疊層間距是納米,DNA是長鏈分子,分子直徑基本衡定。

在化學成分中,DNA含有4種鹼基(兩種嘌呤A和G,兩種嘧啶C和T),以及脫氧核糖和磷酸基團。 DNA是由許多核酸構成DNA分子的長鏈,通過X射線衍射分析表明,DNA分子中不僅只有一個長鏈。

那麼多個長鏈是怎樣結合在一起的呢?是多條核酸鏈靠鹼基相互連接的嗎?如果如此,那麼兩個鹼基之間有三種不同連接方式:相同的鹼基相互連接,如A與A相連;相同類別的鹼基相連,即嘌呤與嘌呤、嘧啶與嘧啶相連;不同類別的鹼基相連,即嘌呤與嘧啶相連。 那麼這種連接究竟是不同多核酸鏈上的鹼基相互連接?還是同一條鏈不同部位上的鹼基相互連接?1952年6月,沃森和克裏克邀請劍橋大學數學係研究生格裏菲斯進行理論計算後得知:A吸引T,G吸引C,即嘌呤有吸引嘧啶的趨勢。

同年,哥倫比亞大學教授查伽夫訪問劍橋,沃森和克裏克得知查伽夫已發表研究成果,即查伽夫定律:核酸的兩個嘌呤和兩個嘧啶兩兩相等,分子數A=T、G=C,繼而形成了鹼基配對的概念。

由此,沃森和克裏克確定DNA分子不是多條鏈而是由兩條單鏈組成。

之後,沃森和克裏克從生物大分子的基本單位出發,運用化學規律發現核酸之間可能形成的排列方式,著重考慮對整個大分子結構的穩定性具有決定作用的氫鍵的形成方式,並開始了模型設計。

兩人測定各種嘌呤和嘧啶的大小、鹼基對的排列、氫鍵的引力以及DNA分子直徑、螺距、鍵角等結構數據,再與DNA衍射圖像一一對比設計模型。 他們發現四種鹼基中,腺嘌呤(A)-胸腺嘧啶(T)對之間可以形成兩個氫鍵連接,鳥嘌呤(G)-胞嘧啶(C)對之間可以形成三個氫鍵連接,兩種配對均是一個雙環和一個單環的組合,直徑相差較小,並且從這一發現解釋了查伽夫定律。

最終他們設計出了DNA分子雙螺旋結構的模型。

這一結構模型可以描述為:脫氧核糖和磷酸交替排列構成DNA的基本骨架,鹼基在內側,兩條長鏈的鹼基通過氫鍵形成鹼基對,並且是A與T配對,G與C配對。

由此也可以證實一條鏈是如何作為模板合成另一條互補鹼基順序的鏈,並且兩條鏈的方向一定是相反的。 沃森和克裏克用運用一周的時間構建了DNA結構模型,測量出兩種鹼基對和DNA長鏈上每一種鍵的旋轉角度。 同時將金屬材料制成的模型與X射線拍攝的衍射照片相比較,發現二者完全相符,進一步分析證實了雙螺旋結構模型是正確的。 1953年4月,英國的《自然》雜志刊登了沃森和克裏克在英國劍橋大學合作的研究成果:DNA雙螺旋結構的分子模型,這一成果被譽為20世紀以來生物學方面最偉大的發現,標志著分子生物學的誕生。 DNA分子結構的發現,更好地解釋了DNA是遺傳物質以及在分子水平上闡明了DNA的復制和控制蛋白質合成的功能。

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