发现DNA双螺旋结构的故事.docVIP

发现DNA双螺旋结构的故事在刚刚过去的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. Delbrück）、薛定谔（E. Schr o dinger）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，深深影响着整整一代战后的青年科学家，包括沃森和克里克。 克里克是一个深受薛定谔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。 那当时有关DNA结构的知识是怎样的呢？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。 从化学性质讲：DNA含有4种碱基，即两种嘌呤（A和G）和两种嘧啶（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，叫核苷酸。核苷酸之间经磷酸酯键相连，组成分子的骨架结构。 影响重大的四件事情 他们面临的第一个问题是如何设想DNA分子中核苷酸的排列和连接，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。 组成分子骨架的糖磷酯键是结合力最强的共价键。然而X射线衍射分析表明，DNA分子中有不止一个这样的骨架，那么多个长链骨架是怎样结合在一起的呢？会不会是多条核苷酸链靠碱基间的氢键相互连接？如果是这样，那碱基间就有三种不同连接方式：相同的碱基相互连接，如A与A相连；相同类别的碱基相连，即嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶相连；不同类别的碱基相连，即嘌呤与嘧啶相连。 还有，这种连接究竟是不同多核苷酸链上的碱基相互连接呢，还是同一条链不同部位上的碱基相互连接呢？这后一种设想也就是所谓单链回旋折叠自我连接，也是沃森和克里克最初的想法，显然受了蛋白质肽链折叠模式的影响。然而，在接下来的一年半中，至少有四件事使他们摒弃了这种看法。 第一件，1952年6月，在听完天文学家高尔特（T. Gold）的讲座“完美的宇宙学原理”后，沃森、克里克和剑桥大学数学系研究生格里菲斯（J. Griffith）闲谈有没有“完美的生物学原理”，又谈到DNA的复制，谈到DNA分子中碱基间如何形成稳态结构。格里菲斯对基因的复制很感兴趣，应他们的请求，他答应用量子力学和化学键理论来计算不同碱基间的吸引力大小，以及如何搭配才能使分子趋于最稳态。不久，格里菲斯告诉他们，理论计算表明A吸引T，G吸引C。克里克立刻想到，A吸引B、B吸引A，这样相互形成的专一性配对不就能解释链的复制吗。那么，怎样把碱基互补和DNA分子的三维结构联系起来呢？克里克动脑筋的速度实在太快了，甚至连格里菲斯所讲的相互间吸引力最大的碱基对是什么都没有记住。 第二件，也是在那年六七月间，哥伦比亚大学教授查伽夫（E. Chargaff）访问剑桥，来到卡文迪什实验室。肯德鲁(J. C. Kendrew)把两位年轻人介绍给查伽夫。这是一次非常重要的会见，克里克多年后记述了这次会见：“起初，我们谈了许多有关蛋白质的问题，后来我问及核酸研究现状，查伽夫顿了一下说：‘一句话说完，就是1:1。’ 我又问1:1是什么意思，他说：‘文章已经发表了。’ 毫无疑问，我漏读了查伽夫的重要文章，感到茫然若失。他又补充了一句：‘这是电效应的缘故。’我突然闪现了一个念头，‘天哪！1:1不就是互补配对吗？’他还讲了些什么，我一点也没有听见。告别了查伽夫，我立刻去找格里菲斯，请他再告诉我，理论计算表明哪两种碱基间吸引力最大。我转而去查阅查伽夫