基本介紹
- 中文名：DNA雙螺旋結構
- 外文名：DNA double helix structure
- 說明：開啟了分子生物學時代
- 發現者：沃森和克里克，富蘭克林和維金斯
- 發現時間：1953
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結構簡介
DNA雙螺旋結構
1952年，奧地利裔美國生物化學家查伽夫（E.chargaff，1905-2002）測定了DNA中4種鹼基的含量，發現其中腺嘌呤與胸腺嘧啶的數量相等，鳥嘌呤與胞嘧啶的數量相等。這使沃森、克里克立即想到4種鹼基之間存在著兩兩對應的關係，形成了腺嘌呤與胸腺嘧啶配對、鳥嘌呤與胞嘧啶配對的概念。
DNA雙螺旋結構
DNA雙螺旋結構發現
雙螺旋結構的提出者
1953年2月，沃森（Watson）、克里克（Crick）通過維爾金斯看到了富蘭克林（Rosalind Franklin）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。他們不僅確認了DNA一定是螺旋結構，而且分析得出了螺旋參數。他們採用了富蘭克琳和威爾金斯的判斷，並加以補充：磷酸根在螺旋的外側構成兩條多核苷酸鏈的骨架，方向相反；鹼基在螺旋內側，兩兩對應。一連幾天，沃森、克里克在他們的辦公室里興高采烈地用鐵皮和鐵絲搭建著模型。1953年2月28日，第一個DNA雙螺旋結構的分子模型終於誕生了。
美國科學家詹姆斯·沃森
美國科學家詹姆斯·沃森雙螺旋模型的意義
雙螺旋模型的意義，不僅意味著探明了DNA分子的結構，更重要的是它還提示了DNA的複製機制：由於腺膘呤(A)總是與胸腺嘧啶（T）配對、鳥膘呤（G）總是與胞嘧啶（C）配對，這說明兩條鏈的鹼基順序是彼此互補的，只要確定了其中一條鏈的鹼基順序，另一條鏈的鹼基順序也就確定了。因此，只需以其中的一條鏈為模版，即可合成複製出另一條鏈。克里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製機制”這句話。他認為，如果沒有這句話，將意味著他與沃森“缺乏洞察力，以致不能看出這一點來”。在發表DNA雙螺旋結構論文後不久，《自然》雜誌隨後不久又發表了克里克的另一篇論文，闡明了DNA的半保留複製機制。
結構確定
建立
DNA雙螺旋結構
Rosalind Franklin（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生於倫敦一個富有的猶太人家庭，15歲就立志要當科學家，但父親並不支持她這樣做。她早年畢業於劍橋大學，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么好的外國人。”
1951年，她回到英國，在倫敦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，但是對於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里用午餐。她們無形中被排除在科學家間的聯繫網路之外，而這種聯繫對了解新的研究動態、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。不同的晶體產生不同的衍射圖樣，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精於此道，她成功地拍攝了DNA晶體的X射線衍射照片。
研究
DNA雙螺旋結構
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。派他出國學習並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。於是他不等批准，就決定先斬後奏從丹麥去倫敦學習X射線衍射技術了。至於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魷魚。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認真修改並熱情地寫信向《Nature》（《自然》雜誌）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。人際關係對研究事業的干擾是輕微的。
DNA雙螺旋
DNA雙螺旋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。這個實驗室創立於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“Tea Break”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爭論，不分長幼，不論地位，彼此可以毫無顧忌地展開辯論和批評。歷史證明這種文化氛圍確實有利於學術進步，所以這種習慣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，國內個別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，必有收穫。在卡文迪許實驗室里，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內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。而直接導致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，敢於向權威挑戰。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，結果使工作陷於僵局。在發現正確的雙股螺旋結構前2個月，他們看到蛋白質結構權威Pauling一篇即將發表的關於DNA結構的論文，Pauling錯誤地確定為3股螺旋。Watson在認真考慮並向同事們請教後，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，在不到兩個月內終於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，而且敢於向權威挑戰，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剎那，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，而是為了贏得時間，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並迅速得出正確結論。Wilkins在Franklin不知情的情況下給他們看了那張照片。根據照片，整日焦慮於DNA結構發現的Watson和Crick立即領悟到了現在已經成為眾所周知的事實——兩條以磷酸為骨架的鏈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》雜誌上報告了這一發現。雙螺旋結構顯示出DNA分子在細胞分裂時能夠自我複製，完善地解釋了生命體要繁衍後代，物種要保持穩定，細胞內必須有遺傳屬性和複製能力的機制。這是生物學的一座里程碑，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具有兩條鏈的結構。這時她已經確認這個生物分子具有兩種形式，鏈外面有磷酸根基團。1953年3月17日，當Franklin將研究結果整理成文打算發表時，發現Watson和Crick破解DNA結構的訊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》雜誌，4月25日發表，接著他們在5月30日的《Nature》雜誌上又發表了“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對這一進展並不知情。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，並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，並成功地拍攝了它的X射線衍射照片。Watson和Crick未經她的許可使用了這張照片，但她並不在意，反而為他們的發現感到高興，還在《Nature》雜誌上發表了一篇證實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，“她離真相只有兩步”。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爭論。
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卵巢癌英年早逝。
這個故事的結局有些傷感。按照慣例，諾貝爾獎不授予已經去世的人。此外，同一獎項至多只能由3個人分享，假如Franklin活著，她會得獎嗎？性別差異是否會成為公平競爭的障礙？後人為了這個永遠不能有答案的問題進行過許多猜測與爭論。那么我們應該從中吸取什麼教訓呢？
故事
英國劍橋大學的卡文迪許實驗室，一直堅持這樣的規定：每天下午六點整，老資格的研究人員來到實驗室，宣布時間已到，要求每個人停止工作。如果誰不遵守，他們便引用Rutherford的話加以勸導。Rutherford說過：“誰未能完成六點前必須完成的工作，也就沒有必要拖延下去，倒是希望各位馬上回家，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披著外衣，又來到實驗室檢查，驚奇地發現有人還在做實驗。由於低頭，又十分專心，那學生沒發現Rutherford站在他的身後。Rutherford輕聲地問道：“你上午乾什麼？”學生回頭一看，是Rutherford，他馬上站起來，小心地回答：“做實驗。”Rutherford又問：“那么，下午呢？”學生回答：“做實驗。”Rutherford提高了聲調，再問：“晚上呢？”學生以為老師在表揚他，得意地回答：“還是做實驗。”Rutherford極為嚴肅地問：“你整天做實驗，還有時間去認真思考嗎？！”那學生低下了頭。臨走，Rutherford告誡他：“別忘了思考！”從此，卡文迪許實驗室的人記住了Rutherford的忠告：“別忘了思考！”
結構特點
主鏈(backbone)
由脫氧核糖和磷酸基通過酯鍵交替連線而成。主鏈有二條,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。主鏈處於螺旋的外則,這正好解釋了由糖和磷酸構成的主鏈的親水性。DNA外側是脫氧核糖和磷酸交替連線而成的骨架。所謂雙螺旋就是針對二條主鏈的形狀而言的。
DNA雙螺旋結構的多樣性
包括A-DNAB-DNA Z-DNA
n三種DNA構型的比較
旋向 | 螺距 (nm) | 鹼基數 （每圈） | 螺旋直徑 （nm） | 骨架 走行 | 存在條件 | |
A型 | 右手 | 2.53 | 11 | 2.55 | 平滑 | 體外脫水 |
B型 | 右手 | 3.54 | 10.5 | 2.37 | 平滑 | DNA生理條件 |
Z型 | 左手 | 4.56 | 12 | 1.84 | 鋸齒型 | CG序列 |
鹼基對(base pair)
鹼基位於螺旋的內則,它們以垂直於螺旋軸的取向通過糖苷鍵與主鏈糖基相連。同一平面的鹼基在二條主鏈間形成鹼基對。配對鹼基總是A與T和G與C。鹼基對以氫鍵維繫，A與T 間形成兩個氫鍵，G與C間形成三個氫鍵。DNA結構中的鹼基對與Chatgaff的發現正好相符。從立體化學的角度看,只有嘌呤與嘧啶間配對才能滿足螺旋對於鹼基對空間的要求, 而這二種鹼基對的幾何大小又十分相近,具備了形成氫鍵的適宜鍵長和鍵角條件。每對鹼基處於各自自身的平面上，但螺旋周期內的各鹼基對平面的取向均不同。鹼基對具有二次旋轉對稱性的特徵，即鹼基旋轉180°並不影響雙螺旋的對稱性。 也就是說雙螺旋結構在滿足二條鏈鹼基互補的前提下，DNA的一級結構產並不受限制。這一特徵能很好的闡明DNA作為遺傳信息載體在生物界的普遍意義。
大溝和小溝
大溝和小溝分別指雙螺旋表面凹下去的較大溝槽和較小溝槽。小溝位於雙螺旋的互補鏈之間，而大溝位於相毗鄰的雙股之間。這是由於連線於兩條主鏈糖基上的配對鹼基並非直接相對，從而使得在主鏈間沿螺旋形成空隙不等的大溝和小溝。在大溝和小溝內的鹼基對中的N和O原子朝向分子表面。
結構參數
螺旋直徑2nm；螺旋周期包含10對鹼基；螺距3.4nm；相鄰鹼基對平面的間距0.34nm。
