DNA结构（DNA Structure）

细胞遗传学的突出成就，使一些著名的物理学家对生物学产生了浓厚的兴趣。在他们的影响下，一些较年轻的物理学家开始从事遗传学和生物大分子结构的研究工作。一些新的物理学思想和方法也随之向生物学渗透。至于生物学内部各分支学科之间的交叉，如细胞学、遗传学、微生物学以及它们同生物化学之间的交叉，则更为广泛深入。这种结合使得对DNA结构的认识很快取得了进展。

著名物理学家薛定谔1944年发表了《生命是什么?》一书。这是一本小册子，副标题是“活细胞的物理观”。这本书一经出版，即广为流传。该书用量子力学的观点论证基因的稳定性和突变发生的可能性，并提出了一个科学的预测，认为必定有一种由同分异构的连续体构成的非周期性晶体，其中含有巨大数量的排列组合，构成遗传密码的稿本。薛定谔在书中明确表示，生命物质的运动必然服从于已知的物理学定律，但他写这本书的惟一目的却是想从复杂的生命物质运动中发现未知的物理学定律。这实际上概括了20世纪30年代物理学界对生命物质运动和对遗传学问题感兴趣的原因所在。虽然物理学家的目的至今并未实现，却启发了人们用物理学的思想和方法探讨生命物质运动的兴趣。

1948年以来．美国生物化学家查加夫开展了一系列有关核酸化学结构的分析研究丁作。他发现了DNA的四种碱基腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)中，腺嘌呤(A)和胸腺啼啶(T)的比例是一致的，而鸟嘌呤(G)和胞嘧啶(C)的比例是一样的。也就是说，[A]=[T]，[G]=[C]，[A+G]=[T+C]。这—研究成果的意义是十分重大的，它直接为DNA双螺旋结构中碱基配对的原则奠定了化学基础。

以后人们对查加夫的研究做了大量普查工作，结果发现，从最低等的病毒、细菌到真菌藻类，以至高等动植物中所提取的DNA都符合这种比例。

虽然到20世纪50年代初，人们对核酸的化学结构已经有了相当丰富的知识，但是对它的空间结构DNA知道的还不多，因此对于核酸怎样实现它的遗传职能，从结构上来说明还有困难。这是个亟须解决的问题。后来，经过科学家的努力，终于找到了解决DNA分子空间结构之谜的一个关键性的技术手段，这就是X射线晶体学对生物大分子的成功应用。我们知道，早在1921年，英国晶体学家布拉格父子，就开始了通过x射线投射晶体所产生的衍射图案的分析来确定分子结构的工作。最初是分析像氯化钠那样的简单盐类，以后逐渐发展到比较复杂的有机分子。

1938年，欧洲科学家阿斯伯巴发表了一张DNA的X射线衍射照片，指出DNA是—个具有较强刚性的纤维结构，间隔周期为3.3×10^-10米。

第一个提出DNA是螺旋结构的是在贝尔纳实验室学习的挪威人福尔伯格。他在1949年的博士论文中提出了DNA的两种螺旋的构形。遗憾的是，这—重要发现没有引起遗传学家的注意。到了20世纪50年代初期，有三个小组展开了研究DNA的空间结构的竞赛。

鲍林小组没布取得什么成果。

英国物理学家威尔金斯小组取得一项重要的技术上的进展。他们设法制成了高度定向的DNA纤维，从而使拍摄到的x射线衍射照片，轮廓清晰，细致入微，并且从照片上确认DNA纤维的结构是螺旋形的。威尔金斯在第二次世界大战以前主要研究晶体的荧光现象以及电子运动。第二次世界大战期间他参加了曼哈顿计划，为研制原子弹而工作。战后，威尔金斯投身于基因的研究。一位女物理化学家富兰克林参加了威尔金斯的研究小组。富兰克林在x射线结晶学上有特殊的才能，她的到来使研究小组的实力大大加强。1951年，富兰克林系统地测定了DNA在不同温度时对x射线衍射图谱的影响，并获得了一张非常出色的照片。但是富兰克林并未能由此而引出正确的结论。

美国生物学家沃森和英国生物化学家克里克合作组成一个小组。沃森和克里克的合作可谓出师不利。他们提出了一个三链的DNA模型，其重复周期为28×10^-10米，错误很明显，甚至计算上也有失误，但他们却急匆匆地召集了一大批同行来参观这个模型，结果当众出了丑。不过，他们并没有灰心，他们虽然被迫从形式上离开了DNA模型这一合作课题，但是，仍然继续积极搜集有关的资料。他们完全明白这次的失败主要原因是没有详尽地占有资料。

沃森于1947年毕业于动物系之后不久，受薛定谔的《生命是什么?》小册子中思想的影响，对遗传学产生了兴趣，并进入“噬菌体遗传研究小组”核心成员卢里亚的实验室，研究“x射线对噬菌体增殖的影响”，1950年获得博士学位。1951年，在意大利召开的生物大分子结构会议上，沃森听到了维尔斯关于DNA晶体衍射分析的阶段性学术报告，决心从事x射线晶体衍射分析生物大分子的研究。经卢里亚的介绍，于1951年秋到英国剑桥大学，从事蛋白质和多肽晶体结构分析的研究。克里克在第二次世界大战前已经是物理系的研究生，战后，从事防御鱼雷袭击的有关军事科学的研究，其中也受到薛定谔思想的影响。克里克决心把物理学的知识用于生命科学的研究，于1949年到了剑桥大学，作《多肽和蛋白质的X射线衍射分析研究》的博士论文。于是，沃森和克里克在剑桥相遇了，两人在同一个办公室，虽然克里克比沃森大十几岁并且还没有获得博士学位，但两人关系极好，经常讨论学术问题。他们都认为解决DNA分子结构是打开遗传之谜的关键。

后来，沃森和克里克利用了威尔金斯所提供的照片和查加夫的有关DNA中四种碱基含量的新数据，并且结合他们自己的创造性工作，终于在1953年提出了DNA分子双螺旋结构模型。1953年4月25日，英国的《自然》科学杂志发表了沃森和克里克的DNA双螺旋模型。这个模型立刻得到全世界生物学家的认同。沃森—克里克模型一经公布立即震惊了世界各国的科学界。

DNA双螺旋模型以其提出者的名字又被称为沃森—克里克模型，模型如图1-7所示，我们可以看到，整个模型活像一个向右螺旋上升的楼梯，梯子两边的“扶手”是由磷酸和脱氧核糖相间连接而成的，中间的“踏脚”是分别连在两边脱氧核糖分子上的两个碱基，碱基之间通过一种弱的化学键——氢键相互连接。DNA的分子量巨大，一般在106~109之间，或比这更大。它由千千万万个核苷酸连接而成，包括四种核苷酸，每种核苷酸又由碱基、五碳糖、磷酸组成。这样DNA实际上由两条多核苷酸单链所组成。这两条单链原子的排列方向互相颠倒，方向相反，但它们仍平行地围绕一条公共的轴旋转，螺距为34×10^-10”米，相邻两个碱基的距离为3.4×10^-10米，内侧碱基与螺旋的轴是垂直的，外侧的核糖和磷酸则是与轴平行的，整个螺旋的直径为20×10^-10米。

人们现在已经认识到，DNA本身还存在着复杂的空间结构。用放大倍数达10万倍的电子显微镜，也不能显现出分子的结构。电子显微镜至多会显示出大分子的形状，而原子间的间距是几十亿分之一米的数量级，超出了目前科学家手上所拥有的最好的电子显微镜的分辨力。对于简单的化合物，测定化学结构和原子排列的任务是不太困难的：只要测定—系列组成原子、分子量和存在的特别功能的反应基团，一般就会分辨出这种结构。然而，对大分子，化学的分析并不能产生出整个的结构图像。像蛋白质和核酸这类聚合体中，重要的问题不仅是聚合物链中分子的排列，而且是这些链在空间的排列。这些链以特殊的形式折叠和连结起来，致使一条链的不同部分或不同链的不同部分归拢在—起和连结起来，造就了分子的最终形状。引起折叠的化学键很弱，致使链的局部可以展开，改变整个结构。因此，这些巨大的分子不是刚体，而是有点塑性的、可挠曲的固体，需要时可随时展开或关闭。

这两位分子遗传学的奠基人还根据整个结构做出了大胆的推论：由于磷酸和核糖是简单地相间排列，所以DNA所具有的“奇妙的”遗传信息就只能存在于两条多核苷酸的碱基排列顺序上。另一方面，他们考虑了查加夫的意见，认为从碱基分子大小和整个双螺旋的热力学稳定性来看，只存在下列碱基配对的可能性：

A= T

C=G

A只能和T配对，C只能和G配对，也叫做碱基的互补。但其他的排列顺序和比数都是不固定的，因此碱基的基本排列方式有以下四种：A—T、T—A、C—G、G—C。

其他的配对方式不是使双螺旋的直径小于20×10^-10米就是大于20×10^-10米，都与X射线衍射的数据不符。

至此，沃森和克里克得到了—条分子遗传学以至分子生物学的重要法则即碱基互补法则。根据这条法则就不难理解DNA的两条单链都含有一套遗传信息，因为只要决定了—条单链的碱基排列顺序，另一条按照碱基互补规律就可以“复制”出来了，这实际上已解决了DNA如何控制生物信息的遗传的问题。因为A—T后还可以是A —T、T— A，C— G后还可以是C—G、G—C等等，如果有四级四种不同的碱基，它们的可能排列就有44=256种。如果有100对核苷酸随机排列，可能就有4100种排列方式，有人估算这个数字比太阳系中的原子数目还要大。事实上，一个DNA分子的核苷酸不止100对，据估算可有4000到40亿对。这样看来，DNA这种遗传物质，对说明生物的多样性，对贮存和传递巨大数量的遗传信息是完全能胜任的。如果联想到拍电报的电码符号只有“一’’和“．”两种，但可以通过不同的排列而表达任何内容，对这个问题就不难理解了。

人类遗传信息全部存贮存在DNA分子里

利用DNA重组技术在细菌里生产胰岛素