DNA双螺旋结构的提出及验证.docx

DNA双螺旋结构的提出及验证DNA双螺旋结构的提出开始便开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子 层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径 1953年，沃森和克里克发现了 DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究 深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途 径在以后的近50年里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春 笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明， DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景1 DNA双螺旋结构-简介1.1 DNA双螺旋结构1952年，奥地利裔美国生物化学家查伽夫（E.chargaff，1905 —）测定了 DNA 中4种碱基的含量，发现其中腺膘吟与胸腺嘧啶的数量相等，鸟膘吟与胞嘧啶的数量 相等这使沃森、克里克立即想到4种碱基之间存在着两两对应的关系，形成了腺膘 吟与胸腺嘧啶配对、鸟膘吟与胞嘧啶配对的概念2 DNA双螺旋结构的发现2.1 DNA双螺旋结构的提出者1953年2月，沃森、克里克通过维尔金斯看到了富兰克琳在 1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片，这一下激发了他们的灵感。

他们不仅确认 了 DNA 一定是螺旋结构，而且分析得出了螺旋参数他们采用了富兰克琳和威尔金斯 的判断，并加以补充：磷酸根在螺旋的外侧构成两条多核苷酸链的骨架，方向相反； 碱基在螺旋内侧，两两对应一连几天，沃森、克里克在他们的办公室里兴高采烈地 用铁皮和铁丝搭建着模型1953年2月28日，第一个DNA双螺旋结构的分子模型终 于诞生了2.2 DNA双螺旋结构的确定2.2.1建立DNA双螺旋结构Rosalind Franklin （ 1920〜1958 ）拍摄到的DNA晶体照片，为双螺旋结构的建 立起到了决定性作用但“科学玫瑰”没等到分享荣耀，在研究成果被承认之前就已 凋谢Franklin生于伦敦一个富有的犹太人家庭，15岁就立志要当科学家，但父亲 并不支持她这样做她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学 1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术她深受法国同事的喜爱，有人评价她“从 来没有见到法语讲得这么好的外国人1951年，她回到英国，在剑桥大学国王学院取得了一个职位那时人们已经知道 了脱氧核糖核酸（DNA ）可能是遗传物质，但是对于 DNA的结构，以及它如何在生命 活动中发挥作用的机制还不甚了解。

就在这时，Franklin加入了研究DNA结构的行列， 然而当时的环境相当不友善她开始负责实验室的 DNA项目时，有好几个月没有人干活同事Wilkins不喜欢她进入自己的研究领域，但他在研究上却又离不开她他把 她看做搞技术的副手，她却认为自己与他地位同等，两人的私交恶劣到几乎不讲话 当时的剑桥，对女科学家的歧视处处存在，女性甚至不被准许在高级休息室里用午餐 她们无形中被排除在科学家间的联系网络之外，而这种联系对了解新的研究动态、交 换新理念、触发灵感极为重要Franklin在法国学习的X射线衍射技术在研究中派上了用场X射线是波长非常 短的电磁波医生通常用它来透视人体，而物理学家用它来分析晶体的结构当 X射线穿过晶体之后，会形成样一种特定的明暗交替的衍射图形不同的晶体产生不同的 衍射图样，仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的 Franklin精于此道，她成功地拍摄了 DNA晶体的X射线衍射照片2.2.2研究DNA双螺旋结构Watson和Crick也在剑桥大学卡文迪许实验室进行 DNA结构的研究，Watson在 美国本来是在微生物学家指导下从事噬菌体遗传学研究的， 他们希望通过噬菌体来搞清楚基因如何控制生物的遗传。

派他出国学习并没有生硬地规定课题，甚至他从一个 国家的实验室到另一个国家的实验室也能得到导师的支持或谅解当他听了 Wilkins的学术报告，看到DNA的X射线衍射图片后，认定一旦搞清DNA的结构，就能了解基 因如何起作用于是他不等批准，就决定先斩后奏从丹麦去伦敦学习 X射线衍射技术了至于Crick，他是个不拘小节又相当狂妄的聪明人，不太受“老板” Bragg欢迎，甚至一度有可能被炒尤鱼但是，当因为学术问题引起的误会消除后，老板照样关心 他的工作，在那篇划时代的论文写成后，Bragg认真修改并热情地写信向《Nature》 推荐这种现象在一个以学术为重的研究机构应该是正常的人际关系对研究事业的 干扰是轻微的Watson擅自选择，后来和Crick 一起在那里做出划时代贡献的研究机构， 在当时已经是一个闻名全球的单位 英国剑桥大学卡文迪许实验室 这个实验室创立于1874年，麦克斯威尔、卢瑟福、玻尔等一批物理学大师都在这里工作过创立至今， 先后造就了近30位诺贝尔奖获得者早在20世纪初，物理学家汤姆森领导这个实验 室时，就形成了一个“ TeaBreak ”习惯，每天上午和下午，都有一个聚在一起喝茶的 时间，有时是海阔天空的议论，有时是为某个具体实验设计的争论，不分长幼，不论 地位，彼此可以毫无顾忌地展开辩论和批评。

历史证明这种文化氛围确实有利于学术 进步，所以这种习惯现在已经被国外许多大学和研究机构仿效，就连国际学术会议的 日程安排中，这个节目也是必不可少的近十几年来，国内个别大学和科研单位的领 导人也在试图推广这种做法如果能够长期坚持下去，必有收获在卡文迪许实验室 里，Watson遇到了物理学家Crick，又得到机会向Wilkins、Franklin等X射线衍射 专家学习，还有包括著名蛋白质结构专家的儿子在内一批科学家和他经常交换各种信 息和意见，又得到实验室主任Bragg等老一辈的指导和鼓励，这些都是他取得成就的 重要因素而直接导致Watson集中精力从事DNA结构研究的契机，则是他得到美国 主管部门资助去参加在拿不勒斯召开的学术会议， 在那里他看到了 Wilkins的X射线衍射图片2.3创新创新者必须破除迷信，敢于向权威挑战1953年的Watson和Crick都是名不见 经传的小人物，37岁的Crick连博士学位还没有得到受到前人的影响，他们原来按 照3股螺旋的思路进行了很长时间的工作，可是既构建不出合理模型，也遭到结晶学 专家Franklin的强烈反对，结果使工作陷于僵局在发现正确的双股螺旋结构前 2 个月，他们看到蛋白质结构权威 Pauling 一篇即将发表的关于 DNA结构的论文， Pauling错误地确定为3股螺旋。

Watson在认真考虑并向同事们请教后，决然地否定 了权威的结论正是在否定权威之后，他们加快了工作，在不到两个月内终于取得了 后来震惊世界的成果两位年轻科学家没有迷信权威，而且敢于向权威挑战，这需要勇气，更需要严肃 认真的实验工作和深厚的科学功底在科学界经常遇到的是年轻人对权威无原则的屈 服，甚至Watson在开始知道鲍林提出的是三螺旋模型的一刹那，也曾后悔几个月前 放弃了自己按三螺旋思路进行的工作不过他们没有从此打住，而是为了赢得时间， 加快了工作因为他们相信这是智者 Pauling千虑之一失，很快本人就会发现错误并 迅速得出正确结论Wilkins在Franklin不知情的情况下给他们看了那张照片 根据照片，整日焦虑于DNA结构发现的Watson和Crick立即领悟到了现在已经成为众所 周知的事实一一两条以磷酸为骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构， 氢键把它们连结在一起他们在1953年5月25日出版的英国《Nature》杂志上报告了这一发现双 螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够自我复制，完善地解释了生命体要繁衍后 代，物种要保持稳定，细胞内必须有遗传属性和复制能力的机制这是生物学的一座 里程碑，分子生物学时代的开端，怎样评价其重要性都不过分。

在1953年2月底，33岁的Franklin已经在日记中写道，DNA具有两条链的结构 这时她已经确认这个生物分子具有两种形式，链外面有磷酸根基团 1953年3月17日，当Franklin将研究结果整理成文打算发表时，发现 Watson和Crick破解DNA结 构的消息已经出现在新闻简报中4月2日，Watson、Crick和Wilkins的文章送交 《Nature》杂志，4月25日发表，接着他们在5月30日的《Nature》杂志上又发表 了 “DNA的遗传学意义”一文，更加详细地阐述了 DNA双螺旋模型在功能上的意义1953年初，Watson和Crick构建出DNA分子双螺旋结构模型，而此时 Franklin对 这一进展并不知情她更不知道的是， Watson和Crick曾看过她拍摄的能验证 DNA双螺旋结构的X射线晶体衍射照片，并由此获得了重要启发Franklin的贡献是毋庸置疑的：她分辨出了 DNA的两种构型，并成功地拍摄了它 的X射线衍射照片Watson和Crick未经她的许可使用了这张照片，但她并不在意， 反而为他们的发现感到高兴，还在《Nature》杂志上发表了一篇证实DNA双螺旋结构 的文章。

Watson在1968年出版的《双螺旋》一书中坦承，“Franklin 没有直接给我们她的数据”而Crick在很多年后也承认，“她离真相只有两步”目前，科技界对 Franklin的工作给予较高评价，对Wilkins是否有资格分享发现DNA双螺旋结构的殊 荣存在很大争论1962年，当Watson、Crick和Wilkins共同分享诺贝尔奖时，Franklin已经因 长期接触放射性物质而患乳腺癌英年早逝这个故事的结局有些伤感按照惯例，诺贝尔奖不授予已经去世的人此外，同 一奖项至多只能由3个人分享，假如Franklin活着，她会得奖吗？性别差异是否会 成为公平竞争的障碍？后人为了这个永远不能有答案的问题进行过许多猜测与争论 那么我们应该从中吸取什么教训呢？2.4故事英国剑桥大学的卡文迪许实验室，一直坚持这样的规定：每天下午六点整，老资 格的研究人员来到实验室，宣布时间已到，要求每个人停止工作如果谁不遵守，他 们便引用Rutherford的话加以劝导Rutherford说过：“谁未能完成六点前必须完成的工作，也就没有必要拖延下去，倒是希望各位马上回家，好好想想今天做的工作， 好好思考明天要做的工作。

那是一天深夜，Rutherford披着外衣，又来到实验室检 查，惊奇地发现有人还在做实验由于低头，又十分专心，那学生没发现 Rutherford站在他的身后Rutherford轻声地问道：“你上午干什么？ ”学生回头一看，是 Rutherford，他马上站起来，小心地回答：“做实验"Rutherford 又问：“那么， 下午呢？ ”学生回答：“做实验"Rutherford 提高了声调，再问：“晚上呢？ ”学 生以为老师在表扬他，得意地回答：“还是做实验"Rutherford极为严肃地问：“你 整天做实验，还有时间去认真思考吗？！ ”那学生低下了头临走， Rutherford告诫他：“别忘了思考！ ”从此，卡文迪许实验室的人记住了 Rutherford的忠告：“别忘了思考！”3 DNA双螺旋结构的特点3.1 主链(backbone)由脱氧核糖和磷酸基通过酯键交替连接而成主链有二条 ，它们似“麻花状”绕一共同轴心以右手方向盘旋，相互平行而走向相反形成双螺旋构型主链处于螺旋的 外则，这正好解释了由糖和磷酸构成的主链的亲水性所谓双螺旋就是针对二条主链 的形状而言的3.2 碱基对(base pair)碱基位于螺旋的内则，它们以垂直于螺旋轴的取向通过糖苷键与主链糖基相连。

同一平面的碱基在二条主链间形成碱基对。