雙螺鏇結構

螺鏇結構是生物結構中常見的基本單元，在1953年，由年僅25歲的詹姆斯•沃森和37歲的弗朗西斯•克里克共同發現的。

簡介

雙螺鏇結構

雙螺鏇結構自發現以來就為人類提供了詮釋和利用生命體有機結構的重要工具。關於不同螺鏇結構的詮釋和它在基因科學中起的巨大作用，從數學家，生物學家，生物醫學工作者，乃至納米科學技術工作者，正在進行著不棄不捨的追求。

概述

雙螺鏇結構

1952年，奧地利裔美國生物化學家查伽夫（E.chargaff，1905—）測定了DNA中4種鹼的含量，發現其中腺膘呤與胸腺嘧啶的數量相等，鳥膘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，形成了腺膘呤與胸腺嘧啶配對、鳥膘呤與胞嘧啶配對的概念。

953年2月，沃森、克里克通過維爾金斯看到了富蘭克琳在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一定是螺鏇結構，而且分析得出了螺鏇參數。他們採用了富蘭克琳和威爾金斯的判斷，並加以補充：磷酸根在螺鏇的外側構成兩條多核苷酸鏈的骨架，方向相反；鹼基在螺鏇內側，兩兩對應。DNA，蛋白質和有機大分子所形成的螺鏇結構是生物結構中常見的基本單元，然而由無機晶體態材料所形成的螺鏇結構是非常少見的。

發現前後

雙螺鏇結構

1953年，年僅25歲的詹姆斯•沃森和37歲的弗朗西斯•克里克共同完成了一項偉業：他們從DNA（脫氧核糖核酸）的X光衍射圖上解讀了它的雙螺鏇結構。當時大多數人對於這一發現並沒有予以關注，就連當時的媒體，也只有一家小報（現早已停刊）稍作報導。然而隨著時光流轉，DNA雙螺鏇結構的發現對人類社會產生的影響與日俱增，克隆技術、基因工程、生物晶片技術等都與之不可分割。

DNA雙螺鏇結構的發現開啟了分子生物學時代。它使生物大分子的研究進入一個嶄新的階段，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開，人們清楚地了解遺傳信息的構成和傳遞的途徑。50年來，分子遺傳學、分子免疫學、細胞生物學等新學科如雨後春筍般出現，一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，DNA重組技術更是為利用生物工程手段的研究和套用開闢了廣闊的前景。

有趣的是，在發現DNA雙螺鏇結構時，沃森是一個剛剛邁出校門不久的大學生，而克里則是一個不懂遺傳學的、一個不得志的物理學家。然而就是這兩個人，改寫了生物學的歷史。他們的研究成果被譽為可與達爾文的進化論、孟德爾的遺傳定律相媲美的重要科學發現。

關於DNA雙螺鏇結構的發現日期還有一段小“故事”。1953年2月28日，37歲的克里克走進英格蘭劍橋大學的雄鷹酒館，在那裡他向一群困惑的聽眾宣布，他和一位朋友發現了“生命的秘密”。然而包括沃森在內的許多科學家卻都認為，只有當沃森和克里克於1953年4月25日在《自然》雜誌上首次發表關於DNA雙螺鏇結構的論文時，生命的秘密才算得上是真正展現在人類面前。正因此，中國遺傳學會將在這一論文發表50周年之際，於4月20－24日在南京舉行隆重的學術紀念研討會，國家有關部門也將在4月24日舉行相關紀念活動。

“發現DNA雙螺鏇結構的意義對生物學來說怎么估量都不為過。”莫鑫泉先生對記者說：“用雙螺鏇結構解釋遺傳是如何進行的，這是人類對自己、對生物學認識的巨大飛躍。發現雙螺鏇之前，科學家對生命現象進行了長期的思考與研究：是什麼因素使人類能夠一代一代地將遺傳特性保持下去？”的確，就是一個桌子還有腐朽變壞的時候，為什麼人類就能代代延續？什麼決定了人生人，老鼠生老鼠？

雙螺鏇結構

在20世紀初，沒有人能夠想到DNA就是遺傳物質。當時科學家們猜測，生命的遺傳物質應該是蛋白質，因為20種胺基酸多種不同的組合，可以形成許多不同的蛋白質，蛋白質作為酶催化生物代謝反應，由此控制多種遺傳性狀的表達。然而在沃森和克里克發現DNA雙螺鏇結構後，科學家們終於明白了，DNA的4種核苷酸分子不同的組合或序列構成了成千上萬種基因，這些“化學語言”編碼著不同的遺傳信息，指導和控制著生物體的生化、形態、生理和行為等多種性狀的表達和變化。DNA是自然界唯一能夠自我複製的分子，正是這種精細準確的複製，為生物將其特性傳遞給下一代提供了最基本的分子基礎。

DNA雙螺鏇結構的發現及由此產生的生物技術革命正以前所未有的深度和廣度影響著人類的生活，影響著自然科學，包括社會科學的發展。DNA及其雙螺鏇結構的發現，揭示了基因複製和遺傳信息傳遞的奧秘，並由此引發了一場蔚為壯觀的生命科學和生物技術革命。

複製機制

雙螺鏇結構

雙螺鏇模型的意義，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：由於腺膘呤總是與胸腺嘧啶配對、鳥膘呤總是與胞嘧啶配對，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。它的成功測定，開創了現代生物學的新時代．

克里克從一開始就堅持要求在4月25日發表的論文中加上“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雙螺鏇結構論文後不久，《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。

DNA的結構———現在已經成為了一個眾所周知的事實———兩條以磷酸為骨架的鏈相互纏繞形成了雙螺鏇結構，氫鍵把它們連結在一起。他們在1953年5月25日出版的英國《自然》雜誌上報告了這一發現。這是生物學的一座里程碑，分子生物學時代的開端。

結構模型

雙螺鏇結構

DNA的發現及雙螺鏇結構模型（ThediscoveryofDNAandDoublehelixmodel）DNA即脫氧核糖核酸，是染色體的主要化學成分和遺傳信息的主要載體，其分子結構是由兩條核苷酸鏈組成的雙螺鏇形。

1869年，瑞士生化學家米歇爾（J.F.Miescher，1844－1895）在分析細胞的化學組成時，在細胞核內發現了核酸。1929年，俄裔美國生物化學家列文（P.A.leven，1869－1940）發現核酸可分為核糖核酸（RNA）與脫氧核糖核酸（DNA）。1928和1943年，英國細菌學家格里菲斯（F.Griffith，1877－1941）和美國細菌學家艾弗里（O.T.Averyy，1877－1955）先後通過肺炎雙球菌的轉化實驗證明DNA具有傳遞遺傳信息的功能。1950年，奧地利裔美國生物化學家查加夫（E.Chargaff，1905－？）發現DNA分子中的鹼基A與T、G與C是配對存在的。

1953年，美國生物學家沃森（J.Watson，1928－）和英國生物物理學家克里克（F.Crick，1916－2004），在英國女生物學家富蘭克琳（R.Franklin，1920－1958）和英國生物物理學家威爾金斯（M.Wilkins，1916－2004）對DNA晶體所作的X光衍射分析的基礎上，根據DNA分子鹼基配對原則，構建出了DNA分子的雙螺鏇結構模型。雙螺鏇結構顯示出DNA分子在細胞分裂時能夠被精確複製，解釋了其在遺傳和進化中的作用。同時，沃森和克里克還預言了遺傳信息的複製、傳遞和表達傳遞過程是從DNA→RNA→蛋白質，被稱為“中心法則”。不久，這一構想被其他科學家的發現所證實。

沃森和克里克提出著名的DNA雙螺鏇結構模型，他們構造出一個右手性的雙螺鏇結構。當鹼基排列呈現這種結構時分子能量處於最低狀態。沃森後來撰寫的《雙螺鏇：發現DNA結構的故事》 （科學出版社1984年出版過中譯本）中，有多張DNA結構圖，全部是右手性的。這種雙螺鏇展示的是DNA分子的二級結構。那么在DNA的二級結構中是否只有右手性呢？回答是否定的。雖然多數DNA分子是右手性的，如A-DNA、B-DNA（活性最高的構象）和C-DNA都是右手性的，但1979年Rich提出一種局部上具有左手性的Z-DNA結構。現在證明，這種左手性的Z-DNA結構只是右手性雙螺鏇結構模型的一種補充。

雙螺鏇結構

21世紀是資訊時代或者生命信息的時代，僅北京就有多處立起了DNA雙螺鏇的建築雕塑，其中北京大學後湖北大生命科學院的一個研究所門前立有一個巨大的雙螺鏇模型。人們容易把它想像為DNA模型，其實是不對的，因為雕塑是左鏇的，整體具有左手性。就算Z-DNA可以有左手性，也只能是局部的。因此，雕塑造形整體為一左手性的雙螺鏇是不恰當的，至少用它暗示DNA的一般結構是錯誤的。

從天文學到地球科學，從化學到生物學，幾乎處處都有手性顯身影。2001年諾貝爾化學獎就授予分子手性催化的主要貢獻者。1968年諾爾斯（W.S.Knowles）用過渡金屬元素製造出含手性配體的絡合物，以它為催化劑，生產出有手性的產物。後來日本名古屋大學的野依良治開發出更有效的催化劑。1980美國的夏普萊斯（B.Sharpless）發現了氧化反應的手性催化劑，極大推動了手性藥物的化學合成。到2000年，全球的手性藥物銷售額已達1230億美元，占藥物總銷售額的三分之一。1998年全球暢銷的500種藥物中，單一對映體銷售的手性藥物。

背景資料

沃森

1953年4月25日，年僅25歲的沃森與同在劍橋大學的合作夥伴弗朗西斯•克里克一起，在英國《自然》雜誌上發表了一篇僅兩頁的論文，提出了DNA的結構和自我複製機制。這篇論文被普遍視作分子生物學時代的開端。

英國科學家羅莎琳德•富蘭克林和莫里斯•威爾金斯通過Ｘ射線衍射獲得的DNA晶體結構照片對這一發現起到了重要作用。沃森、克里克和威爾金斯共同獲得1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。

克里克和威爾金斯未能出席這次聚會，富蘭克林早已在1958年去世。與會的數百位客人中，包括威爾金斯和富蘭克林的家人和朋友，多位生物學或醫學界的英國諾貝爾獎獲得者，英國政府首席科學顧問等。

沃森在講話中說，知識和教育是人類進步的基礎；人類有追求幸福的權利，也有巨大的責任；“我們不能孤獨地生存，必須互相幫助”。他認為，在接下來的這個世紀，生物學和心理學將會產生某種結合，人類不僅要了解各種疾病，也要了解我們自身。

英國癌症研究院比特森研究所所長凱倫•烏斯登代表年輕的“DNA一代”生物學家講話。她說，癌症是威脅人類健康的主要殺手之一，研究DNA可在對抗癌症方面帶來巨大利益，例如為病人“定製”最合適的療法、預測個人患癌症的風險並進行預防。

羅莎琳德•富蘭克林

英國科學部長賽恩斯伯里說，DNA結構發現之後的50年裡，英國的生物學研究取得了巨大的進步，這期間英國科學家取得的46項諾貝爾獎中，超過三分之二為化學獎、生理學或醫學獎；英國參與完成了人類基因組圖譜繪製，生物技術工業也居世界領先地位。他說，接下來的50年裡，人類在科學研究和對抗疾病兩方面都必將取得激動人心的進展。DNA（脫氧核糖核酸）是核酸的一類，因分子中含有脫氧核糖而得名。

DNA分子極為龐大（分子量一般至少在百萬以上），主要組成成分是腺嘌呤脫氧核苷酸、鳥嘌呤脫氧核苷酸、胞嘧啶脫氧核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸。DNA存在於細胞核、線粒體、葉綠體中，也可以以游離狀態存在於某些細胞的細胞質中。大多數已知噬菌體、部分動物病毒和少數植物病毒中也含有DNA。

除了RNA（核糖核酸）和噬菌體外，DNA是所有生物的遺傳物質基礎。生物體親子之間的相似性和繼承性即所謂遺傳信息，都貯存在DNA分子中。

1953年，詹姆斯•沃森和弗朗西斯•克里克描述了DNA的結構：由一對多核苷953酸鏈相互盤繞組成雙螺鏇。他們因此與倫敦國家工學院的物理學家弗雷德里克•威爾金斯共享了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。