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在黑白中的博客

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傅继梁:发现DNA双螺旋结构的故事(转载)  

2008-12-11 13:44:19|  分类: 教学资料 |  标签: |举报 |字号 订阅

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在刚刚过去的20世纪,遗传学也许是发展最快、变化最烈的一门自然科学学科。1900年孟德尔(G. Mendel)揭示的生物遗传规律被重新发现,2000年人类基因组全序列工作草图宣告完成,这一头一尾两件大事充分展现了100年来遗传学的重大发展,而连接首尾的关节点,则是1953年沃森(J. D. Watson)和克里克(F. H. C. Crick)共同提出DNA双螺旋结构模型。

   发 现 的 前 夜

20世纪上半叶的几十年,几代科学家不懈的努力终于将遗传物质的化学本质确定为DNA。在此基础上,玻尔(N. Bohr)、德尔布吕克(M. Delbrück)、薛定谔(E. Schr?觟dinger)等一批物理学家的适时加入,将物理学的新观点、思维方式和研究手段引入遗传学研究,深深影响着整整一代战后的青年科学家,包括沃森和克里克。

克里克是一个深受薛定谔思想影响的物理学家,战后从物理学转入生物学研究。他认为,运用物理学和化学的科学概念和精确的术语重新思考生物学的基本问题,是会有成果的。他思考问题敏锐深刻,不停顿地思考与评论是他最大的嗜好。沃森说:“他掌握别人的资料,并使之条理化的速度之快,令人倒吸一口冷气。”也正因为这一点,在克里克的周围聚集了一批沃森这样的优秀青年科学家。1951年,23岁的沃森来到英国剑桥著名的卡文迪什实验室,在那里遇到了大他12岁的克里克,开始了现代生物学史上最动人心弦的合作。

沃森和克里克决定一起揭示DNA分子结构后,立刻确定目标:提出一个结构模型,它既要能解释X射线衍射分析的图像,又要能阐明基因自体催化(复制)和异体催化(编码蛋白质)等生物学性质。

那当时有关DNA结构的知识是怎样的呢?从物理学性质讲:根据阿斯特伯里(W. Astbury)等人的X射线衍射分析资料,DNA是由许多亚单位叠合在一起组成的,叠层间距是0.34纳米;DNA是一个长链分子,在整个分子线性结构中,分子的直径是衡定的。

从化学性质讲:DNA含有4种碱基,即两种嘌呤(A和G)和两种嘧啶(C和T),以及脱氧核糖和磷酸根。一个碱基、一个糖分子和一个磷酸根组成一个结构单位,叫核苷酸。核苷酸之间经磷酸酯键相连,组成分子的骨架结构。

    影响重大的四件事情

他们面临的第一个问题是如何设想DNA分子中核苷酸的排列和连接,使之保证DNA大分子内部的几何协调和力的平衡,在化学上趋于最稳态,还要保证DNA作为遗传物质所需的复制精确性。

组成分子骨架的糖磷酯键是结合力最强的共价键。然而X射线衍射分析表明,DNA分子中有不止一个这样的骨架,那么多个长链骨架是怎样结合在一起的呢?会不会是多条核苷酸链靠碱基间的氢键相互连接?如果是这样,那碱基间就有三种不同连接方式:相同的碱基相互连接,如A与A相连;相同类别的碱基相连,即嘌呤与嘌呤、嘧啶与嘧啶相连;不同类别的碱基相连,即嘌呤与嘧啶相连。

还有,这种连接究竟是不同多核苷酸链上的碱基相互连接呢,还是同一条链不同部位上的碱基相互连接呢?这后一种设想也就是所谓单链回旋折叠自我连接,也是沃森和克里克最初的想法,显然受了蛋白质肽链折叠模式的影响。然而,在接下来的一年半中,至少有四件事使他们摒弃了这种看法。

第一件,1952年6月,在听完天文学家高尔特(T. Gold)的讲座“完美的宇宙学原理”后,沃森、克里克和剑桥大学数学系研究生格里菲斯(J. Griffith)闲谈有没有“完美的生物学原理”,又谈到DNA的复制,谈到DNA分子中碱基间如何形成稳态结构。格里菲斯对基因的复制很感兴趣,应他们的请求,他答应用量子力学和化学键理论来计算不同碱基间的吸引力大小,以及如何搭配才能使分子趋于最稳态。不久,格里菲斯告诉他们,理论计算表明A吸引T,G吸引C。克里克立刻想到,A吸引B、B吸引A,这样相互形成的专一性配对不就能解释链的复制吗。那么,怎样把碱基互补和DNA分子的三维结构联系起来呢?克里克动脑筋的速度实在太快了,甚至连格里菲斯所讲的相互间吸引力最大的碱基对是什么都没有记住。

 第二件,也是在那年六七月间,哥伦比亚大学教授查伽夫(E. Chargaff)访问剑桥,来到卡文迪什实验室。肯德鲁(J. C. Kendrew)把两位年轻人介绍给查伽夫。这是一次非常重要的会见,克里克多年后记述了这次会见:“起初,我们谈了许多有关蛋白质的问题,后来我问及核酸研究现状,查伽夫顿了一下说:‘一句话说完,就是1:1。’ 我又问1:1是什么意思,他说:‘文章已经发表了。’ 毫无疑问,我漏读了查伽夫的重要文章,感到茫然若失。他又补充了一句:‘这是电效应的缘故。’我突然闪现了一个念头,‘天哪!1:1不就是互补配对吗?’他还讲了些什么,我一点也没有听见。告别了查伽夫,我立刻去找格里菲斯,请他再告诉我,理论计算表明哪两种碱基间吸引力最大。我转而去查阅查伽夫的文章,顿时惊呆了:格里菲斯算出来的碱基对A配T、G配C,正是查伽夫实验中克分子量呈现1:1比例的碱基对。”这就是著名的查伽夫当量定律,即分子数A=T、G=C。

 第三件,沃森和克里克成功地运用了鲍林(L. C. Pauling)提出的生物大分子结构分析方法。鲍林根据量子力学原理,提出了作为量子化学基石的化学键理论,在蛋白质结构研究中提出了肽链折叠通过氢键形成α螺旋的学说。他通过多肽链基本构件的拼装组合,构建出符合蛋白质晶体X射线衍射分析图像的结构模型,并据此建立了结构分析的所谓“第一性原理”,又称逼近法。它要求从生物大分子最基本的构件出发,运用化学规律找出构件间可能形成的所有排列方式,特别要考虑对整个大分子结构稳定有决定作用的氢键的形成方式;再将所获得的各种理论模型与X

射线图像一一对比,不断修正,并决定取舍。两人运用逼近法测定各种嘌呤和嘧啶的大小、碱基对的排列、氢键的引力,以及DNA分子直径、螺距、键角等结构数据,再与衍射图像一一对比,不断校正,逐步逼近真实状态。

值得一提的是,鲍林当时也在构建DNA分子结构模型。威尔金斯(M. Wilkins)和富兰克林(R. Franklin)也在利用衍射图像分析DNA的结构,与沃森和克里克保持着经常的联系和深入交流。威尔金斯和富兰克林的思路与鲍林不同,他们作为晶体结构学家,总是先从衍射图像中的点及点的密集程度出发,并考虑衍射点的分布特点,经数学变换,将衍射图像诠释为分子中的各种化学键的键长、键角等结构要素。1953年2月,沃森和克里克从富兰克林的X射线衍射图像分析,虽然还不能肯定DNA是双链还是三链,却已明白在DNA的螺旋结构中糖磷酯骨架在外侧,碱基在分子内部。这是非常重要的发现,鲍林的错误之一就是认为糖磷酯键在分子中央。

现在,横在沃森和克里克面前的问题是DNA分子究竟由几条链组成,这些链又是怎样相互连接的。

第四件事,有机分子在不同的条件下往往具有不同的构型,它们互为异构体。当时,沃森和克里克画在草图上的碱基只是若干种异构体中的一种,这种结构很难同时符合分子的几何结构要求和化学稳定性要求。他们去请教实验室的访问学者多诺休(J. Donohue)。多诺休是曾和鲍林共事的量子化学家,他看了沃森的草图后,指出他们画的碱基构型属于烯醇式,应该改为酮式异构体。这真是神来之笔!克里克在回忆中写道:“多诺休和沃森站在黑板旁边,我坐在办公桌一侧。突然,我看到了一幅碱基对互补的图像,它能解释1:1。太妙了,真是再美不过了!就在1953年2月20日星期五的这一刻,我们都明白了,碱基在分子内部,它们是靠氢键来专一性配对的。”

沃森很快发现,在酮式结构情况下,A-T碱基对与G-C碱基对长度相等,又恰恰与DNA分子的直径相当,这使沃森和克里克确信DNA是双链而不是三链。

沃森和克里克花了整整一个星期来设计DNA结构模型,测量了两种碱基对和DNA长链上每一种键的旋转角度,并和X射线衍射图像一一对比,不断修正。沃森以惊人的记忆力把从威尔金斯和富兰克林实验室得到的新的信息全部融入了这个模型,克里克以他特有的思想和表达能力把一切都记录下来。他们的合作真是到了水乳交融、你我不分的地步。

     成 功 的 模 型

 3月29日是三月份最后一个周末,两人终于完成了文稿。但因秘书休假,沃森请正在英国度假的姐姐帮忙打字,姐弟俩整整忙了一个下午。沃森对姐姐说:“我们的工作,称得上是达尔文进化论发表以来,生物学中最为轰动的事件。”

 4月1日,他们把文章送给实验室主任布拉格(W. L. Bragg)。布拉格非常高兴,原因至少有两条:第一,这件了不起的事是在卡文迪什实验室完成的,而不是在鲍林的实验室;第二,他和他父亲所建立的晶体X射线衍射分析方法,在探索生命本质的研究中发挥了十分重要的作用。布拉格对文章作了少许文字修饰,附了一封推荐信,在4月2日就发往《自然》周刊。

鲍林闻讯时正在赴布鲁塞尔开会途中,特地于4日赶到剑桥。他仔细看了模型,又看了富兰克林的DNA衍射照片,当即向两位年轻人祝贺。布拉格主任设宴欢庆。

1953年4月25日,《自然》周刊发表了这篇仅有900多字的文章:DNA的分子结构。这个结构模型的要义是:DNA是一个长长的双链分子,由两条同轴反向相互缠绕的多核苷酸链组成,外侧是由脱氧核糖和磷酸根组成的分子骨架,中间是由互补的碱基对组成的阶梯,碱基配对方式是A配T,C配G;碱基对间距为0.34纳米,每10个碱基对形成一个螺旋周期,螺旋直径为1纳米。这个模型既能从螺旋性、分子直径、碱基对的几何学尺度等方面阐明X射线衍射图像,又能以碱基专一性互补配对来解释查伽夫当量定律。

这个模型不但外形美,更有内在的科学美。它的科学美体现在两个方面。第一,碱基配对的专一性保证了复制的高度精确性,只要一条链上的碱基序列确定了,其互补链上的碱基序列也随之确定了;第二,就一条链而言,模型并不限制碱基排列顺序,这保证了DNA可以负载无穷多样的遗传信息。这充分体现了基因的属性:变异的无穷多样性和复制的高度精确性。

1962年,沃森、克里克因发现DNA分子结构,与改进了X射线衍射技术的威尔金斯一起获得了诺贝尔医学或生理学奖。

也许大家会问:沃森和克里克为什么会成功?

从X射线衍射分析技术看,沃森和克里克是不及威尔金斯和富兰克林的;就结构化学知识而言,沃森和克里克更不是鲍林的对手。沃森和克里克能够在这场科学竞赛中取胜,靠的是两人的合作,靠的是知识和能力的互补,靠的是博采众家之长。这对组合最强的优势是把物理和化学的研究资料都放到生物学背景上去考虑,时刻牢记DNA是遗传物质,搞清楚DNA分子结构,就是为了在分子水平上阐明基因的自体催化和异体催化。迄今为止,搞清楚结构的大分子不计其数,结构之复杂、精度之高都大大超出双螺旋模型,有不少也得了诺贝尔奖。但全世界唯独把1953年4月25日来纪念,并把2003年4月25日定为国际DNA日,就是因为这个模型深刻的生物学内涵——它揭示了生命的分子本质,揭示了DNA的生物学之魂!

 沃森和克里克所做的显然不是一般意义上的实验研究,而是对已有的关于DNA的实验与观察资料进行审视与评判,再将它们融会在一起,形成一个有崭新的科学思想的整体。这使人想起一位先哲的话:To see what everyone has seen and think what no one has thought(见人人之所见,思人人所未思)。

 沃森和克里克是伟大的,但又是平凡的,他们的思想和工作都是一点一滴的积累,都不是我们不能理解、不能想象、甚至不可能去思去想去作去为的,只是他们把一点一滴都围绕了一个目标,锲而不舍,不屈不挠。

     后 面 的 故 事

故事讲完了。主角们后来又怎样了呢?

 富兰克林此后不久离开威尔金斯实验室,去伦敦从事烟草花叶病毒方面的研究。1958年她因癌症去世,时年仅37岁,令人惋惜。

 沃森1953年下半年回到美国,先在哈佛大学,后在冷泉港实验室当主任,在肿瘤的遗传病因研究中有重要贡献。后来又大力推动人类基因组计划(HGP),并担任美国HGP的首任首席科学家。

克里克后来提出了分子遗传学中的信息传递中心法则,与布伦纳(S. Brenner)一起弄清楚了遗传密码的本质,后来又研究生命起源和神经网络。

威尔金斯继续做生物大分子的X射线衍射分析,并将该技术与活细胞的化学分析相结合。

查伽夫被称作没有得诺贝尔奖,但贡献超过这个奖的人。

布拉格不久退休,到英国伦敦皇家学院任自然哲学教授。

鲍林1954年因化学键理论获诺贝尔化学奖,后因反战和反对氢弹试验获1962年诺贝尔和平奖。

最后还想讲一个人:与埃弗里(O. T. Avery)一起最先用实验方法证明DNA是遗传物质的麦克卡迪(M. McCarty)。在纪念沃森和克里克文章发表50周年之际,他在《自然》周刊上发表回忆文章说:“当沃森和克里克叙述DNA双螺旋结构的文章在《自然》周刊发表时,我当然立刻明白了他们的发现所具有的全部意义,也非常高兴地看到从结构研究获得如此辉煌的结果。但他们都没有把我们的工作引作推动DNA结构研究的动力,这真让我不快。” 笔者完全理解他的感受。

  

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