DNA 雙螺旋分子模型華生 Watson 及克里克 Crick

DNA雙螺旋分子模型華生Watson及克里克Crick

目錄 • 人物介紹 • DNA雙螺旋 • 原因 • 過程 • 成果 • 貢獻 • 組員介紹

DNA 由糖 , 磷酸 , 鹽基組成的" 核甘酸 “長長連綴成雙股 ,雙股纏成螺旋狀 , 形成 " 雙螺旋構造" . DNA 有腺嘌呤 (A) , 鳥嘌呤 (G) , 胞嘧啶 (C) ,胸腺嘧啶 (T) 4 種鹽基 , " A 與 T " ," C 與 G "結合 , 使DNA 如曲的梯子 . DNA 雙螺旋構造

弗朗西斯.克里克F. Crick • 出生:1916年6月8日 • 出生地點:英國的北安普敦 • 1937年他從倫敦大學畢業後繼續攻讀物理博士。

詹姆斯.華生J. Watson • 出生:1928年4月6日 • 出生地點:伊利諾伊州的芝加哥 • 1950年在印第安那大學獲動物學博士學位 • 當他1951 年在歐洲從事博士後工作時，看到威爾金斯對ＤＮＡ的Ｘ射線繞射研究，因而對ＤＮＡ分子結構發生了興趣，不久在劍橋大學和克里克共同著手研究這一課題。

DNA雙螺旋~原因 • 卡本迪史研究所所長布萊格爵士正在此以X射線來研究蛋白質構造。Watson 和維爾金斯 (M. H. F. Wilkins) 一同進了肯德爾 (Kendall) 研究所。此時，克立可 (Francis Crick) 也在此研究蛋白質構造，Watson 和Crick 互相爭論後不久，決定將明示DNA構造的雄心付諸實行。 • 華生和克里克決定一起揭示DNA分子結構後，立刻確定目標：提出一個結構模型，它既要能解釋X射線衍射分析的圖像，又要能闡明基因自體催化（複製）和異體催化（編碼蛋白質）等生物學性質。

DNA雙螺旋~過程 • 那當時有關DNA結構的知識是怎樣的呢？1)物理2)化學 • DNA分子結構的發現過程中必須解決的關鍵問題主要 • 影響重大的四件事情

當時DNA結構知識~從物理學性質 • 根據阿斯特伯里（W. Astbury）等人的X射線衍射分析資料，DNA是由許多亞單位疊合在一起組成的，疊層間距是0.34納米；DNA是一個長鏈分子，在整個分子線性結構中，分子的直徑是衡定的。

當時DNA結構知識~從化學性質 • DNA含有4種鹼基：兩種嘌呤（A和G）兩種嘧啶（C和T） • 去氧核糖和磷酸根。 • 一個鹼基、一個糖分子和一個磷酸根組成一個結構單位，叫核苷酸。 • 核苷酸之間經磷酸酯鍵相連，組成分子的骨架結構。

要解決關鍵問題 • 確定DNA分子是否是螺旋形結構。 • 具體判定究竟是雙螺旋還是三螺旋結構。 • 確定由去氧核糖和磷酸組成螺旋的骨架，雙螺旋的兩條骨架是反向平行的，骨架是在螺旋的外側。 • 確定四種核苷酸分子A、G、C、T，組成遺傳密碼字母，它們排列在兩條螺旋的骨架上，通過分子間化合鍵的作用按照A-T，C-G的方式配對，位於螺旋的中央，兩條螺旋可攜帶相同的遺傳信息。

提出問題 • 那麼多個長鏈骨架是怎樣結合在一起的呢？ • 會不會是多條核苷酸鏈靠堿基間的氫鍵相互連接？ • 這種連接究竟是不同多核苷酸鏈上的堿基相互連接呢，還是同一條鏈不同部位上的堿基相互連接呢？

有催化的事件 • 1951年，科學家在實驗室裏得到了DNA結晶； • 1952年，得到DNAX射線衍射圖譜，發現病毒DNA進入細菌細胞後，可以複製出病毒顆粒…… 在此期間，有兩件事情是對DNA雙螺旋結構發現，起了直接的“催化”作用的。 • 一是美國加州大學森格爾教授發現了蛋白質分子的螺旋結構，給人以重要啟示； • 一是X射線衍射技術在生物大分子結構研究中得到有效應用，提供了決定性的實驗依據。

影響重大的四件事情~No.1 • 第一件，1952年6月，在聽完天文學家高爾特（T. Gold）的講座“完美的宇宙學原理”後，華生、克里克和劍橋大學數學系研究生格里菲斯（J. Griffith）閒談有沒有“完美的生物學原理”，又談到DNA的複製，談到DNA分子中鹼基間如何形成穩態結構。 • 格里菲斯對基因的複製很感興趣，應他們的請求，他答應用量子力學和化學鍵理論來計算不同堿基間的吸引力大小，以及如何搭配才能使分子趨於最穩態。不久，格里菲斯告訴他們，理論計算表明A吸引T，G吸引C。 • 克里克立刻想到，A吸引B、B吸引A，這樣相互形成的專一性配對不就能解釋鏈的複製嗎。那麼，怎樣把鹼基互補和DNA分子的三維結構聯繫起來呢？克里克動腦筋的速度實在太快了，甚至連格里菲斯所講的相互間吸引力最大的鹼基對是什麼都沒有記住。

影響重大的四件事情~No.2 • 第二件，也是在那年六七月間，哥倫比亞大學教授查伽夫（E. Chargaff）訪問劍橋，來到卡文迪什實驗室。肯德魯(J. C. Kendrew)把兩位年輕人介紹給查伽夫。 • 這是一次非常重要的會見，克里克多年後記述了這次會見：“起初，我們談了許多有關蛋白質的問題，後來我問及核酸研究現狀，查伽夫頓了一下說：‘一句話說完，就是1:1。’ 我又問1:1是什麼意思，他說：‘文章已經發表了。’ 毫無疑問，我漏讀了查伽夫的重要文章，感到茫然若失。他又補充了一句：‘這是電效應的緣故。’我突然閃現了一個念頭，‘天哪！1:1不就是互補配對嗎？’他還講了些什麼，我一點也沒有聽見。 • 告別了查伽夫，我立刻去找格里菲斯，請他再告訴我，理論計算表明哪兩種堿基間吸引力最大。我轉而去查閱查伽夫的文章，頓時驚呆了：格里菲斯算出來的堿基對A配T、G配C，正是查伽夫實驗中克分子量呈現1:1比例的堿基對。”這就是著名的查伽夫當量定律，即分子數A＝T、G＝C。

影響重大的四件事情~No.3 • 第三件，華生和克里克成功地運用了鮑林(L. C. Pauling)提出的生物大分子結構分析方法。 • 鮑林根據量子力學原理，提出了作為量子化學基石的化學鍵理論，在蛋白質結構研究中提出了肽鏈折疊通過氫鍵形成α螺旋的學說。他通過多肽鏈基本構件的拼裝組合，構建出符合蛋白質晶體X射線衍射分析圖像的結構模型，並據此建立了結構分析的所謂“第一性原理”，又稱逼近法。它要求從生物大分子最基本的構件出發，運用化學規律找出構件間可能形成的所有排列方式，特別要考慮對整個大分子結構穩定有決定作用的氫鍵的形成方式；再將所獲得的各種理論模型與X射線圖像一一對比，不斷修正，並決定取捨。 • 兩人運用逼近法測定各種嘌呤和嘧啶的大小、堿基對的排列、氫鍵的引力，以及DNA分子直徑、螺距、鍵角等結構資料，再與衍射圖像一一對比，不斷校正，逐步逼近真實狀態。

影響重大的四件事情~No.4 • 第四件事，有機分子在不同的條件下往往具有不同的構型，它們互為異構體。當時，華生和克里克畫在草圖上的堿基只是若干種異構體中的一種，這種結構很難同時符合分子的幾何結構要求和化學穩定性要求。 • 他們去請教實驗室的訪問學者多諾休（J. Donohue）。多諾休是曾和鮑林共事的量子化學家，他看了華生的草圖後，指出他們畫的堿基構型屬於烯醇式，應該改為酮式異構體。這真是神來之筆！克里克在回憶中寫道：“多諾休和華生站在黑板旁邊，我坐在辦公桌一側。突然，我看到了一幅堿基對互補的圖像，它能解釋1:1。太妙了，真是再美不過了！就在1953年2月20日星期五的這一刻，我們都明白了，堿基在分子內部，它們是靠氫鍵來專一性配對的。” • 華生很快發現，在酮式結構情況下，A-T鹼基對與G-C鹼基對長度相等，又恰恰與DNA分子的直徑相當，這使華生和克里克確信DNA是雙鏈而不是三鏈。

DNA模型~成果 • 1953年4月25日《自然》週刊發表了Watson及Crick這篇僅有900多字的文章：DNA的分子結構。這個結構模型的要義是：DNA是一個長長的雙鏈分子，由兩條同軸反向相互纏繞的多核苷酸鏈組成，外側是由去氧核糖和磷酸根組成的分子骨架，中間是由互補的鹼基對組成的階梯，鹼基配對方式是A配T，C配G；鹼基對間距為0.34納米，每10個鹼基對形成一個螺旋週期，螺旋直徑為1納米。這個模型既能從螺旋性、分子直徑、鹼基對的幾何學尺度等方面闡明X射線衍射圖像，又能以鹼基專一性互補配對來解釋查伽夫當量定律。 • 這個模型不但外形美，更有內在的hhh第一，鹼基配對的專一性保證了複製的高度精確性，只要一條鏈上的鹼基序列確定了，其互補鏈上的鹼基序列也隨之確定了；第二，就一條鏈而言，模型並不限制鹼基排列順序，這保證了DNA可以負載無窮多樣的遺傳信息。這充分體現了基因的屬性：變異的無窮多樣性和複製的高度精確性。

DNA雙螺旋模型~貢獻 • DNA雙螺旋模型的建成是20世紀生物學領域極為重要的發現，它為現代分子生物學的發展奠定了基礎。 • DNA結構的發現和後來“中心法則”的提出，以及隨後發明的重組DNA和分子克隆技術，使人類獲得了嶄新的干預生物進化和優化生物的某些功能的有效手段和途徑。

DNA雙螺旋模型~貢獻 • 第一，它能夠說明遺傳物質的自我複製。在複製時，DNA的雙鏈拆開，成為兩個範本，再根據鹼基配對的原則，複製成兩個與原來的DNA序列一模一樣的新分子。在這兩個新DNA分子中，各有一條舊鏈和一條新合成的鏈。這個“半保留複製”的設想後來被麥賽爾遜和斯塔勒用同位素追蹤實驗證實。 • 第二，它能夠說明遺傳物質是如何攜帶遺傳信息的。DNA上的堿基序列就是遺傳信息，4種堿基的排列組合可以攜帶無限多樣的遺傳信息。第三，它能夠說明基因是如何突變的。基因突變是由於堿基序列發生了變化，這樣的變化可以通過複製而得到保留。

組員~~ • 6B6梁蘭花 • 6B12翁雯雯

~The End~Bye Bye

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