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双螺旋结构的发现过程DNA在刚刚过去的20世纪,遗传学也许是发展最快、变化最烈的一门自然科学学科1900年孟德尔G.Mendel揭示的生物遗传规律被重新发现,2000年人类基因组全序列工作草图宣告完成,这一头一尾两件大事充分展现了100年来遗传学的重大发展,而连接首尾的关节点,则是1953年沃森J.D.Watson和克里克F.H.C.Crick共同提出DNA双螺旋结构模型发现的前夜20世纪上半叶的几十年,几代科学家不懈的努力终于将遗传物质的化学本质确定为DNA在此基础上,玻尔N.Bohr、德尔布吕克M.Delbruck、薛定谓E.Schrodinger等一批物理学家的适时加入,将物理学的新观点、思维方式和研究手段引入遗传学研究,深深影响着战后整整一代的青年科学家,包括沃森和克里克克里克是一个深受薛定谓思想影响的物理学家,战后从物理学转入生物学研究他认为,运用物理学和化学的科学概念和精确的术语重新思考生物学的基本问题,是会有成果的他思考问题敏锐深刻,不停顿地思考与评论是他最大的嗜好沃森说“他掌握别人的资料,并使之条理化的速度之快,令人倒吸一口冷气”也正因为这一点,在克里克的周围聚集了一批沃森这样的优秀青年科学家1951年,23岁的沃森来到英国剑桥著名的卡文迪什实验室,在那里遇到了大他12岁的克里克,开始了现代生物学史上最动人心弦的合作沃森和克里克决定一起揭示DNA分子结构后,立刻确定目标提出一个结构模型,它既要能解释X射线衍射分析的图像,又要能阐明基因自体催化(复制)和异体催化(编码蛋白质)等生物学性质从物理学性质讲根据阿斯特伯里(W.Astbury)等人的X射线衍射分析资料,DNA是由许多亚单位叠合在一起组成的,叠层间距是
0.34纳米;DNA是一个长链分子,在整个分子线性结构中,分子的直径是衡定的而从化学性质讲DNA含有4种碱基,即两()种喋吟(A和G)和两种嗑嚏C和T,以及脱氧核糖和磷酸根一个碱基、一个糖分子和一个磷酸根组成一个结构单位,叫核昔酸核甘酸之间经磷酸酯键相连,组成分子的骨架结构影响重大的三件事他们面临的第一个问题是如何设想DNA分子中核昔酸的排列和连接,使之保证DNA大分子内部的几何协调和力的平衡,在化学上趋于最稳态,还要保证DNA作为遗传物质所需的复制精确性值得一提的是,鲍林当时也在构建DNA分子结构模型威尔金斯(M.Wilkins)和富兰克林(R.Franklin)也在利用,衍射图像分析DNA的结构与沃森和克里克保持着经常的联系和深入交流威尔金斯和富兰克林的思路与鲍林不同,他们作为晶体结构学家,总是先从衍射图像中的点及点的密集程度出发,并考虑衍射点的分布特点,经数学变换,将衍射图像诠释为分子中的各种化学键的键长、键角等结构要素1953年2月,沃森和克里克从富兰克林的X射线衍射图像分析,虽然还不能肯定DNA是双链还是三链,却已明白在DNA的螺旋结构中糖磷酯骨架在外侧,碱基在分子内部这是非常重要的发现,鲍林的错误之一就是认为糖磷酯键在分子中央所以,现在横在沃森和克里克面前的问题是DNA分子究竟由几条链组成,这些链又是怎样相互连接的第三件事,有机分子在不同的条件下往往具有不同的构型,它们互为异构体当时,沃森和克里克画在草图上的碱基只是若干种异构体中的一种,这种结构很难同时符合分子的几何结构要求和化学稳定性要求他们去请教实验室的访问学者多诺休J.Donohue多诺休是曾和鲍林共事的量子化学家,他看了沃森的草图后,指出他们画的碱基构型属于烯醇式,应该改为酮式异构体这真是神来之笔!克里克在回忆中写道“多诺休和沃森站在黑板旁边,我坐在办公桌一侧突然,我看到了一幅碱基对互补的图像,它能解释l:lo太妙了,真是再美不过了!就在1953年2月20日星期五的这一刻,我们都明白了,碱基在分子内部,它们是靠氢键来专一性配对的”沃森很快发现,在酮式结构情况下,A-T碱基对与G-C碱基对长度相等,又恰恰与DNA分子的直径相当,这使沃森和克里克确信DNA是双链而不是三链沃森和克里克花了整整一个星期来设计DNA结构模型,测量了两种碱基对和DNA长链上每一种键的旋转角度,并和X射线衍射图像一一对比,不断修正沃森以惊人的记忆力把从威尔金斯和富兰克林实验室得到的新的信息全部融入了这个模型,克里克以他特有的思想和表达能力把一切都记录下来他们的合作真是到了水融、你我不分的地步成功的模型3月29日是三月份最后一个周末,两人终于完成了文稿但因秘书休假,沃森请正在英国度假的姐姐帮忙打字,姐弟俩整整忙了一个下午沃森对姐姐说“我们的工作,称得上是达尔文进化论发表以来,生物学中最为轰动的事件”4月1日,他们把文章送给实验室主任布拉格W.L.Braggo布拉格非常高兴,原因至少有两条第一,这件了不起的事是在卡文迪什实验室完成的,而不是在鲍林的实验室;第二,他和他父亲所建立的晶体X射线衍射分析方法,在探索生命本质的研究中发挥了十分重要的作用布拉格对文章作了少许文字,修饰附了一封推荐信,在4月2日就发往《自然》周刊鲍林闻讯时正在赴布鲁塞尔开会途中,特地于4日赶到剑桥他仔细看了模,型又看了富兰克林的DNA衍射照片,当即向两位年轻人祝贺布拉格主任设宴欢庆1953年4月25日,《自然》周刊发表了这篇仅有900多字的文章DNA的分子结构这个结构模型的要义是DNA是一个长长的双链分子,由两条同轴反向相互缠绕的多核甘酸链组成,外侧是由脱氧核糖和磷酸根组成的分子骨架,;中间是由互补的碱基对组成的阶梯,碱基配对方式是A配T,C配G碱基对间距为
0.34纳米,每10个碱基对形成一个螺旋周期,螺旋直径为1纳米这个模型既能从螺旋性、分子直径、碱基对的几何学尺度等方面阐明X射线衍射图像,又能以碱基专一性互补配对来解释查伽夫当量定律这个模型不但外形美,更有内在的科学美它的科学美体现在两个方面第一,碱基配对的专一性保证了复制的高度精确性,只要一条链上的碱基序列确定了,其互补链上的碱基序列也随之确定了;第二,就一条链而言,模型并不限制碱基排列顺序,这保证了DNA可以负载无穷多样的遗传信息这充分体现了基因的属性变异的无穷多样性和复制的高度精确性1962年,沃森、克里克因发现DNA分子结构,与改进了X射线衍射技术的威尔金斯一起获得了诺贝尔医学或生理学奖从X射线衍射分析技术看,沃森和克里克是不及威尔金斯和富兰克林的;就结构化学知识而言,沃森和克里克更不是鲍林的对手沃森和克里克能够在这场科学竞赛中取胜,靠的是两人的合作,靠的是知识和能力的互补,靠的是博采众家之长这对组合最强的优势是把物理和化学的研究资料都放到生物学背景上去考虑,时刻牢记DNA是遗传物质,搞清楚DNA分子结构,就是为了在分子水平上阐明基因的自体催化和异体催化迄今为止,搞清楚结构的大分子不计其数,结构之复杂、精度之高都大大超出双螺旋模型,有不少也得了诺贝尔奖但全世界唯独把1953年4月25日际DNA日就是因为这个模型深刻的生物学内涵来纪念,并把2003年4月25日定为国!揭示了生命的分子本质,揭示了DNA的生物学之魂沃森和克里克所做的显然不是一般意义上的实验研究,而是对已有的关于DNA的实验与观察资料进行审视与评判,再将它们融会在一起,形成一个有崭新的科学思想的整体这使人想起一位先哲的话To seewhat everyone has seenand thinkwhat no(onehasthought见人人之所见,思人人所未思)后面的故事富兰克林此后不久离开威尔金斯实验室,去伦敦从事烟草花叶,病毒方面的研究1958年4月16日她因癌症去世,时年仅37岁令人惋惜沃森1953年下半年回到美国,先在哈佛大学,后在冷泉港实验室当主任,在肿瘤的遗传病因研究中有重要贡献后来又大力推动人类基因组计划(HGP),并担任美国HGP的首任首席科学家,目前仍然在世克里克后来提出了分子遗传学中的信息传递中心法则,与布伦,纳S.Brenner一起弄清楚了遗传密码的本质后来又研究生命起,源和神经网络逝世于2004年7月28日威尔金斯继续做生物大分子的X射线衍射分析,并将该技术与活细胞的化学分析相结合,逝世于2004年10月5日查伽夫被称作没有得诺贝尔奖,但贡献超过这个奖的人,逝世于2002年6月20日布拉格不久退休,到英国伦敦皇家学院任自然哲学教授,逝世于1942年4月10日鲍林1954年因化学键理论获诺贝尔化学奖,后因反战和反对氢弹试验获1962年诺贝尔和平奖,逝世于1994年8月19日而与埃弗里O.T.Avery一起最先用实验方法证明DNA是遗传物质的麦克卡迪M.McCarty在纪念沃森和克里克文章发表50周年之际,他在《自然》周刊上发表回忆文章说“当沃森和克里克叙述DNA双螺旋结构的文章在《自然》周刊发表时,我当然立刻明白了他们的发现所具有的全部意义,也非常高兴地看到从结构研究获得如此辉煌的结果但他们都没有把我们的工作引作推动DNA结构研究的动力,这真让我不快双螺旋结构的发现DNA“老鹰酒吧”Eagle Pub因为酒吧的标志是一只张开翅漫步在剑桥大学国王学院附近,你很容易找到一家膀的老鹰走进店内,斑驳的墙上挂满了不同时期的照片,展示着这家酒吧过去厚重而骄傲的历史其中一面墙挂着的金属牌匾上写着“1953年2月28日,克里克和沃森在这里宣布他们发现了生命的奥秘——DNA双螺旋结构”据说在这两位年轻的科学家早期的研究生涯中,一周中有六天都是在这里共进晚餐,边吃边讨论DNA的结构问题说起沃森和克里克是如何合作发现DNA双螺旋结构的,可谓是天时、地利、人和的杰作20世纪40年代初,二战的阴云弥漫在整个欧洲,大批的年轻人走上战场,或从事军事技术研究1944年,量子力学的奠基人之
一、著名的物理学家薛定谓出版了一本书《生命是什么?——活细胞的物理观》他用物理学的概念分析生命现象,试图为解释生命系统内所存在的特殊性、有序性和基因的本质提供线索薛定谓的这一尝试吸引了一批物理学家转向了生物学研究克里克也属于这批转向的科学家之一他早年在伦敦大学学习物理,二战期间在海军实验室研究水雷1946年,30岁的克里克阅读了薛定谓的著作后大受启发,毅然决定从事生物大分子结晶学研究不久,他前往卡文迪许实验室攻读博士学位巧合的是,原本学习动物学的沃森也因阅读了《生命是什么》开始对生物学心生向往1951年,23岁的沃森获得了博士学位,前往卡文迪为辉煌的科研合作——探求DNA的结构二人开始着手研许实验室进修在那里他们相遇相知,开始了他们一生中最究DNA时远远落后于其他同行,当时人们已经清楚了DNA分子的基本组成同样受《生命是什么》一书影响,投身基因研究的科学家威尔金斯在伦敦成立了一个研究小组,采用X射线衍射技术潜心研究DNA的结构1951年,威尔金斯已经认识到DNA的螺旋结构这个组里有一位年轻聪颖的女物理学家弗兰克林,她推测出DNA分子有多股链,呈螺旋型等特点但他们都没有推测出DNA的真正结构沃森和克里克紧锣密鼓地推进研究,他们一边分析DNA晶体X射线衍射照片,分析螺旋的相关参数,用铁皮与铁丝在办公室搭建模型,一边和各方面学者接触请教,取百家之长二人曾提出DNA三螺旋模型的假设,但很快就被否定了1951年,弗兰克林获得了一张非常出色的DNA的X射线衍射照片1953年2月6日,威尔金斯将这张照片展示给了沃森和克里克看到这么清晰的DNA照片二人大受震撼,沃森和克里克随即进行了大量的研究和纠错,DNA双链的模型终于完整地呈现出来70年前的今天——1953年2月28日,剑桥大学这两位年轻的科学家沃森和克里克步入老鹰酒吧,宣布了他们发现了“生命的奥秘DNA双螺旋结构的发现可以说是20世纪生物学最重要的成就,标志着分子生物学的诞生他们二人也因这一发现获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。