DNA双螺旋结构是怎样发现的VIP免费

物理与工程Vol.15No.22005近代物理发现DNA双螺旋结构是怎样发现的3向义和(清华大学物理系,北京100084)(收稿日期:2004212216)3本文研究课题得到清华大学国家工科基础课程物理基地教改项目资助.摘要文章具体地介绍了DNA双螺旋结构是怎样发现的.克里克和沃森两位不同国籍,不同学科的科学家是怎样走到一起进行研究的,他们所采用的分子建模方法和实验依据.他们的建模过程怎样由三螺旋到双螺旋;由主链在内到主链在外;碱基键合怎样由离子键到氢键;碱基配对怎样由同类配对到互补配对.以及从这一研究过程中在思想方法上应吸取的教益与启迪.关键词分子建模方法;DNA化学结构式;DNA的X射线衍射分析;氢键;碱基同类配对;碱基互补配对DNA双螺旋结构的发现是20世纪自然科学最重要的三大发现之一.这一结构直接表示了遗传物质的一种可能的复制机制,揭示了生命的秘密;这一发现开启了分子生物学的新时代,为人类从分子水平上认识生命过程及生命活动的机制奠定了基础.DNA双螺旋结构的发现是由英国物理学家克里克(Crick.Francis,1916—)和美国生物学家沃森(Watson.JamesD,1928—)在1951年9月到1953年4月间共同研究的结果.他们是在当时遗传学关于遗传物质的确定[1],生物化学对DNA化学结构式的研究[2],X射线晶体学对DNA纤维的X射线衍射分析[2]和结构化学对化学键、尤其是对氢键的认识,以及通常使用的分子建模方法等方面的研究知识积累到一定程度的基础上进行工作的.本文要讨论的问题是沃森和克里克这两位不同国籍、不同学科的科学家是怎样走到一起的?他们是如何得到这一结构的?他们的思想渊源来于何处?在探索过程中经历了哪些重大事件?遇到了哪些困难?获得了哪些帮助?得到了哪些启发?他们又是如何分析并解决这些问题的?以及从这一发现中我们吸取到的教益与启迪.1走向DNA合作研究之路克里克1916年出生于英国北安普敦郡(Northampton).1937年从伦敦大学学院(UniversityCollegeLondon)物理系毕业后,他的研究生工作是研究水在高温下(100℃以上)的粘滞性.二战期间在海军实验室研究磁性水雷.在战争结束后的1946年,他阅读了薛定谔写的《生命是什么?》一书,书中提出的“可以用精确的物理概念,即物理学和化学的概念来考虑生物学的本质问题”,使他受到很大的启发.他读罢书后有这样一个印象,“伟大的事情就在转折处”(Greatthingswerejustaroundthecorners)[3].他所说的伟大的事情指的就是当时英国物理学家伯尔钠(BernalJ.D,1901—1971)利用X射线对蛋白质和核酸的研究.1947—1949年间,他在英国医学研究委员会(MedicalResearchCouncil简称MRC)的一个实验室工作,研究的题目是,细胞中磁性粒子的运动,后来在《实验细胞研究》杂志上发表了一篇长达72页的论文.1949年6月克里克进入布拉格领导下的卡文迪什实验室,与佩鲁兹(PerutzMax,1914—)一起从事血红蛋白的X射线研究.一年后,他参加了一个题为“狂热追求什么(WhatMadPursuit)”的研讨会,他对X射线结晶学研究中所遵循的一些基本技术和解释模式感到不满,针对分子结构的复杂性,提出了正确的研究方法.他说:“像我以前说过的那样,X射线数据通常只给我们显示出晶体三维结构一半的信息(即只给出了全部傅立叶分量的强度,而没有给出44物理与工程Vol.15No.22005它们的相位).有什么方法能使我们获得这失去的部分数据呢?”这就是他提出的“同晶置换(Isomorphousreplacement)”方法[4].当时这一研究方法人们很少使用,克里克完全正确地预见到使用这一方法能够揭示蛋白质结构的细节.1952年春克里克还与科克兰(CochranW)和万德(VandV)在《结晶学报(ActaCrystallographica)》发表了“在螺旋上原子的变换”的文章[2].他们推导出在沿着螺旋线等距离分布的原子在衍射空间中的傅立叶变换式,这一理论为研究蛋白质和核酸结构,分析X射线衍射图片提供了有力的工具.沃森1928年出生于美国芝加哥.1943年进入芝加哥大学攻读动物学.他在大学即将毕业时,也像克里克一样,阅读了奥地利物理学家薛定谔写的《生命是什么?》一书,从而使他对遗传学产生了向往之情,后来他在《双螺旋》中说:“这本书非常清楚地提出了一个信念,即基因是活细胞的组成部分以及要懂得什么是生命,必须知道基因是如何发挥作用的”[3].正是这...