第2节 DNA结构

在确信DNA是生物体的遗传物质后,人们更加迫切地想知道:DNA是怎样储存遗传信息的?又是怎样决定生物性状的?要回答这些问题,首先需要弄清楚DNA的结构。

DNA双螺旋结构模型的构建

在对DNA结构的探索中,于1953年摘取桂冠的是两位年轻的科学家——美国生物学家沃森(J.D. Watson,1928)和英国物理学家克里克(F.Crick,1916-2004),DNA双螺旋结构的揭示是划时代的伟大发现,在生物学的发展中具有里程碑式的意义。

思考讨论 DNA结构模型的构建

1951年秋天,一直对DNA结构的奥秘感兴趣的沃森,来到英国剑桥大学卡文迪什实验室工作。在这里,他遇到了同样对DNA结构着迷的克里克。

研究DNA结构常用的方法是X射线晶体衍射法。物理学家出身的克里克对X射线晶体衍射图谱的分析十分熟悉,能够帮助沃森理解晶体学原理,而沃森可以帮助克里克理解生物学的内容。两人决定合作进行DNA结构的研究。

当时,科学界已经认识到:DNA是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链,这4种脱氧核苷酸分别含有A、T、G、C4种碱基。但是,人们并不清楚这4种脱氧核苷酸是如何构成DNA的。英国生物物理学家威尔金斯(M. Wilkins,1916-2004)和他的同事富兰克林(R.E. Franklin,1920-1958)应用Ⅹ射线衍射技术获得了高质量的DNA衍射图谱(图A)。沃森和克里克主要以该照片的有关数据为基础,推算出DNA呈螺旋结构。

沃森和克里克尝试搭建了很多种不同的双螺旋和三螺旋结构模型,但都被否定了。1952年春天,奥地利生物化学家查哥夫(E. Chargaff,1905-2002)访问了剑桥大学,沃森和克里克从他那里得知了一条重要信息:在DNA中,腺嘌呤(A)的量总是等于胸腺嘧啶(T)的量;鸟嘌呤(G)的量总是等于胞嘧啶(C)的量。

这让沃森和克里克十分兴奋,他们构建了一个将碱基安排在双链螺旋内部,脱氧核糖—磷酸骨架安排在螺旋外部的模型(图B)。在这个模型中,A与T配对,G与C配对,DNA两条链的方向是相反的。结果发现:A—T碱基对与G—C碱基对具有相同的形状和直径,这样组成的DNA分子具有恒定的直径,能够解释A、T、G、C的数量关系。当他们把这个用金属材料制作的模型与拍摄的X射线衍射照片比较时,发现模型与基于照片推算出的DNA双螺旋结构相符。

1953年,沃森和克里克撰写的《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的一个结构模型》论文在英国《自然》杂志上刊载(见本章题图),引起了极大的轰动。1962年,沃森、克里克和威尔金斯三人因这一研究成果共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。

DNA的结构

DNA双螺旋结构(图3-8)的主要特点如下。(1)DNA是由两条单链组成的,这两条链按反向平行方式盘旋成双螺旋结构。(2)DNA中的脱氧核糖和磷酸交替连接,排列在外侧,构成基本骨架;碱基排列在内侧。(3)两条链上的碱基通过氢键连接成碱基对,并且碱基配对具有一定的规律:A(腺嘌呤)一定与T(胸腺嘧啶)配对;G(鸟嘌呤)定与C(胞嘧啶)配对。碱基之间的这种 一一对应的关系,叫作碱基互补配对原则。