DNA雙螺旋結構的發現

自從孟德爾的遺傳定律被重新發現以後，人們又提出了一個問題：遺傳因子是不是一種物質實體？為了解決基因是什麼的問題，人們開始了對核酸和蛋白質的研究。

早在1868年，人們就已經發現了核酸。在德國化學家霍佩·賽勒的實驗室裡，有一個瑞士籍的研究生名叫米歇爾（1844--1895），他對實驗室附近的一家醫院扔出的帶膿血的繃帶很感興趣，因為他知道膿血是那些為了保衛人體健康，與病菌"'作戰"而戰死的白細胞和被殺死的人體細胞的"遺體"。于是他細心地把繃帶上的膿血收集起來，并用胃蛋白酶進行分解，結果發現細胞遺體的大部分被分解了，但對細胞核不起作用。他進一步對細胞核内物質進行分析，發現細胞核中含有一種富含磷和氮的物質。霍佩·賽勒用酵母做實驗，證明米歇爾對細胞核内物質的發現是正确的。于是他便給這種從細胞核中分離出來的物質取名為"核素"，後來人們發現它呈酸性，因此改叫"核酸"。從此人們對核酸進行了一系列卓有成效的研究。

弗雷德裡希·米歇爾

20世紀初，德國科賽爾（1853--1927）和他的兩個學生瓊斯（1865--1935）和列文（1869－－1940）的研究，弄清了核酸的基本化學結構，認為它是由許多核苷酸組成的大分子。核苷酸是由堿基、核糖和磷酸構成的。其中堿基有4種（腺嘌呤、鳥嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶），核糖有兩種（核糖、脫氧核糖），因此把核酸分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。

DNA和RNA的比較

列文急于發表他的研究成果，錯誤地認為4種堿基在核酸中的量是相等的，從而推導出核酸的基本結構是由4個含不同堿基的核苷酸連接成的四核苷酸，以此為基礎聚合成核酸，提出了"四核苷酸假說"。這個錯誤的假說，對認識複雜的核酸結構起了相當大的阻礙作用，也在一定程度上影響了人們對核酸功能的認識。人們認為，雖然核酸存在于重要的結構--細胞核中，但它的結構太簡單，很難設想它能在遺傳過程中起什麼作用。

蛋白質的發現比核酸早30年，發展迅速。進人20世紀時，組成蛋白質的20種氨基酸中已有12種被發現，到1940年則全部被發現。

1902年，德國化學家費歇爾提出氨基酸之間以肽鍊相連接而形成蛋白質的理論，1917年他合成了由15個甘氨酸和3個亮氨酸組成的18個肽的長鍊。于是，有的科學家設想，很可能是蛋白質在遺傳中起主要作用。如果核酸參與遺傳作用，也必然是與蛋白質連在一起的核蛋白在起作用。因此，那時生物界普遍傾向于認為蛋白質是遺傳信息的載體。

1928年，美國科學家格裡菲斯（1877--1941）用一種有莢膜、毒性強的和一種無莢膜、毒性弱的肺炎雙球菌對老鼠做實驗。他把有莢病菌用高溫殺死後與無莢的活病菌一起注人老鼠體内，結果他發現老鼠很快發病死亡，同時他從老鼠的血液中分離出了活的有莢病菌。這說明無莢菌竟從死的有莢菌中獲得了什麼物質，使無莢菌轉化為有莢菌。這種假設是否正确呢？格裡菲斯又在試管中做實驗，發現把死了的有莢菌與活的無莢菌同時放在試管中培養，無莢菌全部變成了有莢菌，并發現使無莢菌長出蛋白質莢的就是已死的有莢菌殼中遺留的核酸（因為在加熱中，莢中的核酸并沒有被破壞）。格裡菲斯稱該核酸為"轉化因子"。

弗雷德裡克·格裡菲斯

格裡菲斯的肺炎雙球菌體内轉化實驗

肺炎雙球菌侵染實驗過程

1944年，美國細菌學家艾弗裡（1877--1955）從有莢菌中分離得到活性的"轉化因子"，并對這種物質做了檢驗蛋白質是否存在的試驗，結果為陰性，并證明"轉化因子"是DNA。但這個發現沒有得到廣泛的承認，人們懷疑當時的技術不能除淨蛋白質，殘留的蛋白質起到轉化的作用。

奧斯瓦德·西奧多·艾弗裡

美籍德國科學家德爾布呂克（1906--1981）的噬菌體小組對艾弗裡的發現堅信不移。因為他們在電子顯微鏡下觀察到了噬菌體的形态和進入大腸杆菌的生長過程。噬菌體是以細菌細胞為寄主的一種病毒，個體微小，隻有用電子顯微鏡才能看到它。它像一個小蝌蚪，外部是由蛋白質組成的頭膜和尾鞘，頭的内部含有DNA，尾鞘上有尾絲、基片和小鈎。當噬菌體侵染大腸杆菌時，先把尾部末端紮在細菌的細胞膜上，然後将它體内的DNA全部注人到細菌細胞中去，蛋白質空殼仍留在細菌細胞外面，再沒有起什麼作用了。進人細菌細胞後的噬菌體DNA，就利用細菌内的物質迅速合成噬菌體的DNA和蛋白質，從而複制出許多與原噬菌體大小形狀一模一樣的新噬菌體，直到細菌被徹底解體，這些噬菌體才離開死了的細菌，再去侵染其他的細菌。

噬菌體

1952年，噬菌體小組主要成員赫爾希（1908一）和他的學生蔡斯用先進的同位素标記技術，做噬菌體侵染大腸杆菌的實驗。他把大腸杆菌T2噬菌體的核酸标記上32P，蛋白質外殼标記上35S。先用标記了的T2噬菌體感染大腸杆菌，然後加以分離，結果噬菌體将帶35S标記的空殼留在大腸杆菌外面，隻有噬菌體内部帶有32P标記的核酸全部注人大腸杆菌，并在大腸杆菌内成功地進行噬菌體的繁殖。這個實驗證明DNA有傳遞遺傳信息的功能，而蛋白質則是由DNA的指令合成的。這一結果立即為學術界所接受。

艾爾弗雷德·戴·赫爾希

噬菌體侵染大腸杆菌的實驗

幾乎與此同時，奧地利生物化學家查加夫（1905--）對核酸中的4種堿基的含量的重新測定取得了成果。在艾弗裡工作的影響下，他認為如果不同的生物種是由于DNA的不同，則DNA的結構必定十分複雜，否則難以适應生物界的多樣性。因此，他對列文的"四核苷酸假說"産生了懷疑。在1948－1952年4年時間内，他利用了比列文時代更精确的紙層析法分離4種堿基，用紫外線吸收光譜做定量分析，經過多次反複實驗，終于得出了不同于列文的結果。實驗結果表明，在DNA大分子中嘌呤和嘧啶的總分子數量相等，其中腺嘌呤A與胸腺嘧啶T數量相等，鳥嘌呤G與胞嘧啶C數量相等。說明DNA分子中的堿基A與T、G與C是配對存在的，從而否定了"四核苷酸假說"，并為探索DNA分子結構提供了重要的線索和依據。

DNA分子結構模式圖

1953年4月25日，英國的《自然》雜志刊登了美國的沃森和英國的克裡克在英國劍橋大學合作的研究成果：DNA雙螺旋結構的分子模型，這一成果後來被譽為20世紀以來生物學方面最偉大的發現，标志着分子生物學的誕生。

詹姆斯·沃森（1928-）和 弗朗西斯·克裡克（1916-2004）

沃森（1928一）在中學時代是一個極其聰明的孩子，15歲時便進人芝加哥大學學習。當時，由于一個允許較早人學的實驗性教育計劃，使沃森有機會從各個方面完整地攻讀生物科學課程。在大學期間，沃森在遺傳學方面雖然很少有正規的訓練，但自從閱讀了薛定愕的《生命是什麼？--活細胞的物理面貌》一書，促使他去"發現基因的秘密"。他善于集思廣益，博取衆長，善于用他人的思想來充實自己。隻要有便利的條件，不必強迫自己學習整個新領域，也能得到所需要的知識。沃森22歲取得博士學位，然後被送往歐洲攻讀博士後研究員。

為了完全搞清楚一個病毒基因的化學結構，他到丹麥哥本哈根實驗室學習化學。有一次他與導師一起到意大利那不勒斯參加一次生物大分子會議，有機會聽英國物理生物學家威爾金斯（1916--）的演講，看到了威爾金斯的DNA的X射線衍射照片。從此，尋找解開DNA結構的鑰匙的念頭在沃森的頭腦中萦回。什麼地方可以學習分析X射線衍射圖呢？于是他又到英國劍橋大學卡文迪什實驗室學習，在此期間沃森認識了克裡克。

詹姆斯·沃森(1928～ )

克裡克（1916）上中學時對科學充滿熱情，1937年畢業于倫敦大學。1946年，他閱讀了《生命是什麼？--活細胞的物理面貌叢書，決心把物理學知識用于生物學的研究，從此對生物學産生了興趣。1947年他重新開始了研究生的學習，1949年他同佩魯茲一起使用X射線技術研究蛋白質分子結構，于是在此與沃森相遇了。當時克裡克比沃森大12歲，還沒有取得博士學位。但他們談得很投機，沃森感到在這裡居然能找到一位懂得DNA比蛋白質更重要的人，真是三生有幸。同時沃森感到在他所接觸的人當中，克裡克是最聰明的一個。

克裡克與沃森

他們每天交談至少幾個小時，讨論學術問題。兩個人互相補充，互相批評以及相互激發出對方的靈感。他們認為解決DNA分子結構是打開遺傳之謎的關鍵。隻有借助于精确的X射線衍射資料，才能更快地弄清DNA的結構。為了搞到DNA的X射線衍射資料，克裡克請威爾金斯到劍橋來度周末。在交談中威爾金斯接受了DNA結構是螺旋型的觀點，還談到他的合作者富蘭克林（1920--1958，女）以及實驗室的科學家們，也在苦苦思索着DNA結構模型的問題。從1951年11月至1953年4月的18個月中，沃森、克裡克同威爾金斯、富蘭克林之間有過幾次重要的學術交往。

1951年11月，沃森聽了富蘭克林關于DNA結構的較詳細的報告後，深受啟發，具有一定晶體結構分析知識的沃森和克裡克認識到，要想很快建立DNA結構模型，隻能利用别人的分析數據。他們很快就提出了一個三股螺旋的DNA結構的設想。1951年底，他們請威爾金斯和富蘭克林來讨論這個模型時，富蘭克林指出他們把DNA的含水量少算了一半，于是第一次設立的模型宣告失敗。

有一天，沃森又到國王學院威爾金斯實驗室，威爾金斯拿出一張富蘭克林最近拍制的"B型"DNA的X射線衍射的照片。沃森一看照片，立刻興奮起來、心跳也加快了，因為這種圖像比以前得到的"A型"簡單得多，隻要稍稍看一下"B型"的X射線衍射照片，再經簡單計算，就能确定DNA分子内多核苷酸鍊的數目了。

威爾金斯（左）、富蘭克林（右）

克裡克請數學家幫助計算，結果表明源吟有吸引嘧啶的趨勢。他們根據這一結果和從查加夫處得到的核酸的兩個嘌呤和兩個嘧啶兩兩相等的結果，形成了堿基配對的概念。

他們苦苦地思索4種堿基的排列順序，一次又一次地在紙上畫堿基結構式，擺弄模型，一次次地提出假設，又一次次地推翻自己的假設。

有一次，沃森又在按着自己的設想擺弄模型，他把堿基移來移去尋找各種配對的可能性。突然，他發現由兩個氫鍵連接的腺嘌呤一胸腺嘧啶對竟然和由3個氫鍵連接的鳥嘌呤一胞嘧啶對有着相同的形狀，于是精神為之大振。因為嘌呤的數目為什麼和嘧啶數目完全相同這個謎就要被解開了。查加夫規律也就一下子成了DNA雙螺旋結構的必然結果。因此，一條鍊如何作為模闆合成另一條互補堿基順序的鍊也就不難想象了。那麼，兩條鍊的骨架一定是方向相反的。

經過沃森和克裡克緊張連續的工作，很快就完成了DNA金屬模型的組裝。從這模型中看到，DNA由兩條核苷酸鍊組成，它們沿着中心軸以相反方向相互纏繞在一起，很像一座螺旋形的梯子，兩側扶手是兩條多核苷酸鍊的糖－磷基因交替結合的骨架，而踏闆就是堿基對,生命的遺傳密碼就刻在梯子的橫檔上。這個模型就是我們今天在挂圖上和生物實驗室看到的那個樣子。

DNA分子雙螺旋結構模型（a）及其圖解（b）

由于缺乏準确的X射線資料，他們還不敢斷定模型是完全正确的。

下一步的科學方法就是把根據這個模型預測出的衍射圖與X射線的實驗數據作一番認真的比較。他們又一次打電話請來了威爾金斯。不到兩天工夫，威爾金斯和富蘭克林就用X射線數據分析證實了雙螺旋結構模型是正确的，并寫了兩篇實驗報告同時發表在英國《自然》雜志上。1962年，沃森、克裡克和威爾金斯獲得了諾貝爾醫學和生理學獎，而富蘭克林因患癌症于1958年病逝而未被授予該獎。

克裡克、沃森與威爾金斯

富蘭克林

DNA雙螺旋結構被發現後，極大地震動了學術界，啟發了人們的思想。從此，人們立即以遺傳學為中心開展了大量的分子生物學的研究。首先是圍繞着4種堿基怎樣排列組合進行編碼才能表達出20種氨基酸為中心開展實驗研究。

1967年，遺傳密碼全部被破解，基因從而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因實際上就是DNA大分子中的一個片段，是控制生物性狀的遺傳物質的功能單位和結構單位。在這個單位片段上的許多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密碼順序排列的。一定結構的DNA，可以控制合成相應結構的蛋白質。蛋白質是組成生物體的重要成分，生物體的性狀主要是通過蛋白質來體現的。因此，基因對性狀的控制是通過DNA控制蛋白質的合成來實現的。在此基礎上相繼産生了基因工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程等，這些生物技術的發展必将使人們利用生物規律造福于人類。現代生物學的發展，愈來愈顯示出它将要上升為帶頭學科的趨勢。

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