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DNA分子雙螺旋結構的發現:20世紀50年代,世界上有三個小組正在進行DNA生物大分子的分析研究,他們分屬於不同派別,競爭非常激烈。結構學派,主要以倫敦皇家學院的威爾金斯和富蘭克林(R.Franklin)為代表;生物化學學派是以美國加州理工學院鮑林(L.G.Pauling)為代表;信息學派,則以劍橋大學的沃森和克里克為代表。

1DNA分子學說

富蘭克林
結構學派的另一位代表人物是富蘭克林,她是一位具有卓越才能的英國女科學家。1952年,她在DNA分子晶體結構研究上成功地製備了DNA樣品,更重要的是通過X射線衍射拍攝到一張舉世聞名的B型DNA的X射線衍射照片,由此推算DNA分子呈螺旋狀,並定量測定了DNA螺旋體的直徑和螺距;同時,她已認識到DNA分子不是單鏈,而是雙鏈同軸排列的。
DNA分子模型
自1951年開始,沃森和克里克先後建立了三個DNA分子模型。他們在建立模型時,不只是考慮其結構,還要始終聯繫DNA的功能和信息。他們要求建立的模型既要滿足物理、化學、數學研究的最新事實,如X射線衍射結果、鹼基配對的力學要求,還要滿足生化知識,如酮型、氫鍵、鍵角等,更要使DNA能解釋遺傳學和代謝理論,這是一種很先進的思想。
第一個模型是一個三鏈的結構。這是在對實驗數據理解錯誤的基礎上建立的,最終失敗。但他們並不氣餒,繼續搜集材料,查閱資料,富蘭克林的B型DNA的X射線衍射照片,查爾加夫的DNA化學成分的分析都曾給沃森和克里克很大啟示。他們建立的第二個模型是一個雙鏈的螺旋體,糖和磷酸骨架在外,鹼基成對的排列在內,鹼基是以同配方式即A與A,C與C,G與G,T與T配對。由於配對方式的錯誤,這個模型同樣宣告失敗。儘管這次又失敗了,但他們從中總結了不少有益的經驗教訓,為成功地建立第三個模型打下了基礎。
成功啟示
從沃森和克里克的成功,我們不難發現,現代科學的創舉決非一兩個人所能辦到的,他們必須采百家之長,充分借鑒別人的成功經驗和理論,勤于思考,勇於探索,在掌握先進的科學方法后,有高明正確的科學思想指導才能成功。從科學發展的角度上看,沃森和克里克把各自獨立研究的信息學派、結構學派和生化學派對生物遺傳的研究統一起來推向前進,建立了不可磨滅的豐功偉績。是他們完成了歷史的、科學的統一,創建了DNA分子的雙螺旋結構,這是分子生物學史上劃時代的創舉,是突破性的進展,人們從此開始從分子角度來研究生命科學,奠定了分子生物學的基礎。中國著名的生物學家談家楨指出:「DNA分子雙螺旋結構的發現,不僅是生物科學的重大突破,也是整個自然科學的輝煌成就,其意義足以同迄今已有的任何一次科學發現相媲美」。
中心法則
早在1953年DNA分子結構被發現之前,沃森就對DNA到蛋白質的遺傳信息傳遞路線作出了預測:「DNA→RNA→蛋白質」,但缺少深入分析。1958年,克里克提出了遺傳信息的中心法則,將DNA、RNA和蛋白質三種物質可能具有的信息流都畫了上去。後來,在人們弄清了三種RNA即mRNA、rRNA、tRNA的存在及作用,知道DNA經過轉錄可以形成mRNA,mRNA穿過核孔進入細胞質,在以rRNA為主形成的核糖體上,以mRNA為模板,以tRNA為運載工具合成蛋白質后,克里克對中心法則又進行了修改。
1965年,科學家發現了RNA複製酶,說明RNA可以自我複製。1970年,坦明(H.M.Temin)和巴爾的摩(D.Baltimore)在一種RNA病毒侵染的宿主細胞中分離出一種反向轉錄酶,它能使RNA反常地轉向DNA,從而整合到宿主的細胞上去。根據這些實際情況,克里克於1970年再次修改了中心法則,在這次修改中,他認為遺傳信息從DNA到蛋白質的直接轉移只是一種理論上的假設。
中心法則合理地說明了核酸和蛋白質兩類大分子的聯繫和分工:核酸的功能在於貯存和轉移遺傳信息,指導和控制蛋白質的合成;蛋白質的主要功能是進行新陳代謝以及作為細胞結構的組成成分。
發展
自從1953年,沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結構模型以來,基因的分子生物學迅速發展起來。
1967年,DNA連接酶首次被分離出來,這種酶能使DNA分子的末端之間形成3』,5』-磷酸二酯鍵,因此可以使2個DNA分子連接起來。1970年,科學家發現了第一種限制性內切酶,這種酶能識別特定的DNA順序,並且在這個順序內的一定位置上把DNA分子切斷。1972年,美國斯坦福大學的伯格(P.Berg)等人設想,如果把猿病毒DNA和λ噬菌體DNA用同一種限制性內切酶切割后,再用DNA連接酶把這兩種DNA分子連接起來,就會產生一種新的重組DNA分子,這是分子克隆的開創性工作。1973年,科恩(S.Cohen)等人將外源DNA片段與質粒DNA連接起來,構成一個重組質粒,並成功地將其轉移到大腸桿菌中,從而首次建立了分子克隆體系。
20世紀50年代初
20世紀50年代初,英國科學家威爾金斯等用X射線衍射技術對DNA結構潛心研究了3年,意識到DNA是一種螺旋結構。女物理學家富蘭克林在1951年底拍到了一張十分清晰的DNA的X射線衍射照片。
誕生
在19世紀上半葉,科學家們對分子的概念還缺乏準確的認知。原子論的提出者、英國化學家道爾頓把化合物的分子看作是複雜原子,英國物理學家和化學家法拉弟則把「分子」、「原子」當成同義語。
1808年,法國化學家蓋-呂薩克(J.L.Gay-Lussac 1778-1850)根據化合反應實驗的發現,提出假說:「在同溫同壓下,相同體積的不同氣體含有相同數目的原子」。但道爾頓認為:不同元素的原子大小不一,相同體積、不同元素氣體的原子數不可能相等。 1811年,義大利物理學家阿伏加德羅(Amedeo Avogadro,1776-1856)在蓋-呂薩克氣體反應實驗的基礎上,引進了分子概念,提出了分子假說:在同溫同壓下,所有同體積的氣體,無論是元素、化合物還是混合物,都含有相同數目的分子。

分子假說

分子假說有兩個核心概念:雖然相同體積氣體的原子數不同,但分子數相同;物質由分子組成,分子由原子組成。 但分子假說當時並未獲得化學界的承認。由於不承認分子的存在,化合物的原子組成就無法確定,以至原子量測定的數據呈現一片混亂。直到1860年國際化學會議上就原子量問題激烈爭論之際,義大利化學家康尼查羅指出:只有接受阿伏加德羅50年前提出的分子假說,原子量、化學式的問題才能迎刃而解。化學家們終於承認分子假說了,但阿伏加德羅已在4年前逝世,未能親眼看到自己學說的勝利。 分子學說奠定了原子-分子論的基礎,是人類認識物質世界過程中的一次重大突破。
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