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  • 双螺旋结构

    螺旋结构是生物结构中常见的基本单元,在1953年,由年仅25岁的詹姆斯•沃森和37岁的弗朗西斯•克里克共同发现的。

    编辑摘要

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    简介/双螺旋结构 编辑

    双螺旋结构双螺旋结构

    双螺旋结构自发现以来就为人类提供了诠释和利用生命体有机结构的重要工具。关于不同螺旋结构的诠释和它在基因科学中起的巨大作用,从数学家生物学家生物医学工作者,乃至纳米科学技术工作者,正在进行着不弃不舍的追求。

    概述/双螺旋结构 编辑

    双螺旋结构双螺旋结构
    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种碱的含量,发现其中腺膘呤与胸腺嘧啶的数量相等,鸟膘呤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,形成了腺膘呤与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤与胞嘧啶配对的概念。

    953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。DNA,蛋白质和有机大分子所形成的螺旋结构是生物结构中常见的基本单元,然而由无机晶体态材料所形成的螺旋结构是非常少见的。

    发现前后/双螺旋结构 编辑

    双螺旋结构双螺旋结构
    1953年,年仅25岁的詹姆斯•沃森和37岁的弗朗西斯•克里克共同完成了一项伟业:他们从DNA(脱氧核糖核酸)的X光衍射图上解读了它的双螺旋结构。当时大多数人对于这一发现并没有予以关注,就连当时的媒体,也只有一家小报(现早已停刊)稍作报道。然而随着时光流转,DNA双螺旋结构的发现对人类社会产生的影响与日俱增,克隆技术基因工程生物芯片技术等都与之不可分割。

    DNA双螺旋结构的发现开启了分子生物学时代。它使生物大分子的研究进入一个崭新的阶段,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。50年来,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。

    有趣的是,在发现DNA双螺旋结构时,沃森是一个刚刚迈出校门不久的大学生,而克里则是一个不懂遗传学的、一个不得志的物理学家。然而就是这两个人,改写了生物学的历史。他们的研究成果被誉为可与达尔文的进化论、孟德尔的遗传定律相媲美的重要科学发现。

    关于DNA双螺旋结构的发现日期还有一段小“故事”。1953年2月28日,37岁的克里克走进英格兰剑桥大学的雄鹰酒馆,在那里他向一群困惑的听众宣布,他和一位朋友发现了“生命的秘密”。然而包括沃森在内的许多科学家却都认为,只有当沃森和克里克于1953年4月25日《自然》杂志上首次发表关于DNA双螺旋结构的论文时,生命的秘密才算得上是真正展现在人类面前。正因此,中国遗传学会将在这一论文发表50周年之际,于4月20-24日在南京举行隆重的学术纪念研讨会,国家有关部门也将在4月24日举行相关纪念活动。

    “发现DNA双螺旋结构的意义对生物学来说怎么估量都不为过。”莫鑫泉先生对记者说:“用双螺旋结构解释遗传是如何进行的,这是人类对自己、对生物学认识的巨大飞跃。发现双螺旋之前,科学家对生命现象进行了长期的思考与研究:是什么因素使人类能够一代一代地将遗传特性保持下去?”的确,就是一个桌子还有腐朽变坏的时候,为什么人类就能代代延续?什么决定了人生人,老鼠生老鼠?

    双螺旋结构双螺旋结构
    在20世纪初,没有人能够想到DNA就是遗传物质。当时科学家们猜测,生命的遗传物质应该是蛋白质,因为20种氨基酸多种不同的组合,可以形成许多不同的蛋白质,蛋白质作为酶催化生物代谢反应,由此控制多种遗传性状的表达。然而在沃森和克里克发现DNA双螺旋结构后,科学家们终于明白了,DNA的4种核苷酸分子不同的组合或序列构成了成千上万种基因,这些“化学语言”编码着不同的遗传信息,指导和控制着生物体的生化、形态、生理和行为等多种性状的表达和变化。DNA是自然界唯一能够自我复制的分子,正是这种精细准确的复制,为生物将其特性传递给下一代提供了最基本的分子基础。

    DNA双螺旋结构的发现及由此产生的生物技术革命正以前所未有的深度和广度影响着人类的生活,影响着自然科学,包括社会科学的发展。DNA及其双螺旋结构的发现,揭示了基因复制和遗传信息传递的奥秘,并由此引发了一场蔚为壮观的生命科学和生物技术革命。

    复制机制/双螺旋结构 编辑

    双螺旋结构双螺旋结构

    双螺旋模型的意义,不仅意味着探明了DNA分子的结构,更重要的是它还提示了DNA的复制机制:由于腺膘呤总是与胸腺嘧啶配对、鸟膘呤总是与胞嘧啶配对,这说明两条链的碱基顺序是彼此互补的,只要确定了其中一条链的碱基顺序,另一条链的碱基顺序也就确定了。因此,只需以其中的一条链为模版,即可合成复制出另一条链。它的成功测定,开创了现代生物学的新时代.

    克里克从一开始就坚持要求在4月25日发表的论文中加上“DNA的特定配对原则,立即使人联想到遗传物质可能有的复制机制”这句话。他认为,如果没有这句话,将意味着他与沃森“缺乏洞察力,以致不能看出这一点来”。

    在发表DNA双螺旋结构论文后不久,《自然》杂志随后不久又发表了克里克的另一篇论文,阐明了DNA的半保留复制机制。

    DNA的结构———现在已经成为了一个众所周知的事实———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《自然》杂志上报告了这一发现。这是生物学的一座里程碑,分子生物学时代的开端。

    结构模型/双螺旋结构 编辑

    双螺旋结构双螺旋结构
    DNA的发现及双螺旋结构模型(ThediscoveryofDNAandDoublehelixmodel)DNA即脱氧核糖核酸,是染色体的主要化学成分和遗传信息的主要载体,其分子结构是由两条核苷酸链组成的双螺旋形。

    1869年,瑞士生化学家米歇尔(J.F.Miescher,1844-1895)在分析细胞的化学组成时,在细胞核内发现了核酸。1929年,俄裔美国生物化学家列文(P.A.leven,1869-1940)发现核酸可分为核糖核酸(RNA)与脱氧核糖核酸(DNA)。1928和1943年,英国细菌学家格里菲斯(F.Griffith,1877-1941)和美国细菌学家艾弗里(O.T.Averyy,1877-1955)先后通过肺炎双球菌的转化实验证明DNA具有传递遗传信息的功能。1950年,奥地利裔美国生物化学家查加夫(E.Chargaff,1905-?)发现DNA分子中的碱基A与T、G与C是配对存在的。

    1953年,美国生物学家沃森(J.Watson,1928-)和英国生物物理学家克里克(F.Crick,1916-2004),在英国女生物学家富兰克琳(R.Franklin,1920-1958)和英国生物物理学家威尔金斯(M.Wilkins,1916-2004)对DNA晶体所作的X光衍射分析的基础上,根据DNA分子碱基配对原则,构建出了DNA分子的双螺旋结构模型。双螺旋结构显示出DNA分子在细胞分裂时能够被精确复制,解释了其在遗传和进化中的作用。同时,沃森和克里克还预言了遗传信息的复制、传递和表达传递过程是从DNA→RNA→蛋白质,被称为“中心法则”。不久,这一设想被其他科学家的发现所证实。

    沃森和克里克提出著名的DNA双螺旋结构模型,他们构造出一个右手性的双螺旋结构。当碱基排列呈现这种结构时分子能量处于最低状态。沃森后来撰写的《双螺旋:发现DNA结构的故事》科学出版社1984年出版过中译本)中,有多张DNA结构图,全部是右手性的。这种双螺旋展示的是DNA分子的二级结构。那么在DNA的二级结构中是否只有右手性呢?回答是否定的。虽然多数DNA分子是右手性的,如A-DNA、B-DNA(活性最高的构象)和C-DNA都是右手性的,但1979年Rich提出一种局部上具有左手性的Z-DNA结构。现在证明,这种左手性的Z-DNA结构只是右手性双螺旋结构模型的一种补充。

    双螺旋结构双螺旋结构
    21世纪是信息时代或者生命信息的时代,仅北京就有多处立起了DNA双螺旋的建筑雕塑,其中北京大学后湖北大生命科学院的一个研究所门前立有一个巨大的双螺旋模型。人们容易把它想象为DNA模型,其实是不对的,因为雕塑是左旋的,整体具有左手性。就算Z-DNA可以有左手性,也只能是局部的。因此,雕塑造形整体为一左手性的双螺旋是不恰当的,至少用它暗示DNA的一般结构是错误的。

    天文学到地球科学,从化学到生物学,几乎处处都有手性显身影。2001年诺贝尔化学奖就授予分子手性催化的主要贡献者。1968年诺尔斯(W.S.Knowles)用过渡金属元素制造出含手性配体的络合物,以它为催化剂,生产出有手性的产物。后来日本名古屋大学的野依良治开发出更有效的催化剂。1980美国的夏普莱斯(B.Sharpless)发现了氧化反应的手性催化剂,极大推动了手性药物的化学合成。到2000年,全球的手性药物销售额已达1230亿美元,占药物总销售额的三分之一。1998年全球畅销的500种药物中,单一对映体销售的手性药物。

    背景资料/双螺旋结构 编辑

    双螺旋结构沃森
    1953年4月25日,年仅25岁的沃森与同在剑桥大学的合作伙伴弗朗西斯•克里克一起,在英国《自然》杂志上发表了一篇仅两页的论文,提出了DNA的结构和自我复制机制。这篇论文被普遍视作分子生物学时代的开端。

    英国科学家罗莎琳德•富兰克林莫里斯•威尔金斯通过X射线衍射获得的DNA晶体结构照片对这一发现起到了重要作用。沃森、克里克和威尔金斯共同获得1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

    克里克和威尔金斯未能出席这次聚会,富兰克林早已在1958年去世。与会的数百位客人中,包括威尔金斯和富兰克林的家人和朋友,多位生物学或医学界的英国诺贝尔奖获得者,英国政府首席科学顾问等。

    沃森在讲话中说,知识和教育是人类进步的基础;人类有追求幸福的权利,也有巨大的责任;“我们不能孤独地生存,必须互相帮助”。他认为,在接下来的这个世纪,生物学和心理学将会产生某种结合,人类不仅要了解各种疾病,也要了解我们自身。

    英国癌症研究院比特森研究所所长凯伦•乌斯登代表年轻的“DNA一代”生物学家讲话。她说,癌症是威胁人类健康的主要杀手之一,研究DNA可在对抗癌症方面带来巨大利益,例如为病人“定制”最合适的疗法、预测个人患癌症的风险并进行预防。

    双螺旋结构罗莎琳德•富兰克林
    英国科学部长赛恩斯伯里说,DNA结构发现之后的50年里,英国的生物学研究取得了巨大的进步,这期间英国科学家取得的46项诺贝尔奖中,超过三分之二为化学奖、生理学或医学奖;英国参与完成了人类基因组图谱绘制,生物技术工业也居世界领先地位。他说,接下来的50年里,人类在科学研究和对抗疾病两方面都必将取得激动人心的进展。DNA(脱氧核糖核酸)是核酸的一类,因分子中含有脱氧核糖而得名。

    DNA分子极为庞大(分子量一般至少在百万以上),主要组成成分是腺嘌呤脱氧核苷酸、鸟嘌呤脱氧核苷酸、胞嘧啶脱氧核苷酸和胸腺嘧啶脱氧核苷酸。DNA存在于细胞核、线粒体、叶绿体中,也可以以游离状态存在于某些细胞的细胞质中。大多数已知噬菌体、部分动物病毒和少数植物病毒中也含有DNA。

    除了RNA(核糖核酸)和噬菌体外,DNA是所有生物的遗传物质基础。生物体亲子之间的相似性和继承性即所谓遗传信息,都贮存在DNA分子中。

    1953年,詹姆斯•沃森和弗朗西斯•克里克描述了DNA的结构:由一对多核苷953酸链相互盘绕组成双螺旋。他们因此与伦敦国家工学院的物理学家弗雷德里克•威尔金斯共享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。

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    2中国科学院网站
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