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DNA分子

  DNA概述

  DNA即脫氧核糖核酸(英文Deoxyribonucleic acid的縮寫),又稱去氧核糖核苷酸,是染色體的主要組成成分,同時也是組成基因的材料。有時被稱為「遺傳微粒」,因為在繁殖過程中,父代把它們自己DNA的一半複製傳遞到子代中,從而完成性狀的傳播。原核細胞的染色體是一個長DNA分子。真核細胞核中有不止一個染色體,每個染色體也只含一個DNA分子。不過它們一般都比原核細胞中的DNA分子大而且和蛋白質結合在一起。DNA分子的功能是貯存決定物種性狀的幾乎所有蛋白質和RNA分子的全部遺傳信息;編碼和設計生物有機體在一定的時空中有序地轉錄基因和表達蛋白完成定向發育的所有程序;初步確定了生物獨有的性狀和個性以及和環境相互作用時所有的應激反應.除染色體DNA外,有極少量結構不同的DNA存在於真核細胞的線粒體和葉綠體中。DNA病毒的遺傳物質也是DNA,極少數為RNA.

  DNA的組成元素

  碳、氫、氧、氮、磷( C、H、O、N、P)

  DNA分子特性

  穩定性 DNA分子的雙螺旋結構是相對穩定的。這是因為在DNA分子雙螺旋結構的內側,通過氫鍵形成的鹼基對,使兩條脫氧核苷酸長鏈穩固地並聯起來。另外,鹼基對之間縱向的相互作用力也進一步加固了DNA分子的穩定性。各個鹼基對之間的這種縱向的相互作用力叫做鹼基堆集力,它是芳香族鹼基π電子間的相互作用引起的。現在普遍認為鹼基堆集力是穩定DNA結構的最重要的因素。再有,雙螺旋外側負電荷的磷酸基團同帶正電荷的陽離子之間形成的離子鍵,可以減少雙鏈間的靜電斥力,因而對DNA雙螺旋結構也有一定的穩定作用。

  多樣性 DNA分子由於鹼基對的數量不同,鹼基對的排列順序千變萬化,因而構成了DNA分子的多樣性。例如,一個具有4 000個鹼基對的DNA分子所攜帶的遺傳信息是4種,即10種。

  特異性 不同的DNA分子由於鹼基對的排列順序存在著差異,因此,每一個DNA分子的鹼基對都有其特定的排列順序,這種特定的排列順序包含著特定的遺傳信息,從而使DNA分子具有特異性。

  發現,發展

  DNA結構的發現是科學史上最具傳奇性的「章節」之一。發現DNA結構是劃時代的成就,但發現它的方法是模型建構法,模型建構法就像小孩子拼圖遊戲一樣的「拼湊」法。而在這場「拼湊」中表現最出色的是沃森和克里克。

  1928年4月6日,沃森出生於美國芝加哥。16歲就在芝加哥大學畢業,獲得動物學學士學位,在生物學方面開始顯露才華。22歲時取得博士學位,隨後沃森來到英國劍橋大學的卡文迪什實驗室,結識了早先已在這裡工作的克里克,從此開始了兩人傳奇般的合作生涯。克里克於1916年6月8日生於英格蘭的北安普敦,21歲在倫敦大學畢業。二戰結束后,來到劍橋的卡文迪什實驗室,克里克和沃森一樣,對DNA有著濃厚的興趣,從物理學轉向研究生物學。

  當時人們已經知道,DNA是一種細長的高分子化合物,由一系列脫氧核苷酸鏈構成,脫氧核苷酸又是由脫氧核糖、磷酸和含氮鹼基組成,鹼基有4種,分別是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。在1951年,很多科學家對DNA的結構研究展開了一場競賽。當時有兩個著名的DNA分子研究小組,一個是以著名的物理學家威爾金斯和化學家富蘭克林為首的英國皇家學院研究小組,他們主要用X射線衍射來研究DNA結構。一個是以著名化學家鮑林為首的美國加州理工大學研究小組,他們主要用模型建構法研究DNA結構,並且已經用該方法發現蛋白質a螺旋。

  1951年2月,威爾金斯將富蘭克林拍的一張非常精美的DNA的X光衍射照片
DNA的X光衍射照片DNA的X光衍射照片
在義大利舉行的生物大分子結構會議上展示,一直對DNA有濃厚興趣的沃森看到這張圖時,激動得話也說不出來,他的心怦怦直跳,根據此圖他斷定DNA的結構是一個螺旋體。他打定主意要製作一個DNA模型。他把這種想法告訴了他的合作者克里克,得到了克里克的認可。

  沃森和克里克構建DNA分子結構模型的工作始於1951年秋。他們用模型構建法,仿照著名化學家鮑林構建蛋白質α螺旋模型的方法,根據結晶學的數據,用紙和鐵絲搭配脫氧核苷酸。

  他們構建了一個又一個模型,都被否定了。但沃森堅持認為,DNA分子可能是一種雙鏈結構。因為自然界中的事物,很多是成雙成對的,細胞中的染色體也是成對的。之後他們分別完成了以脫氧核糖和磷酸交替排列為基本骨架,鹼基排在外面的雙螺旋結構(如圖一),和以脫氧核糖和磷酸交替排

  列為基本骨架,鹼基排在內部,且同型鹼基配對的雙螺旋結構(如圖二)。

  1952年,生物化學家查伽夫訪問劍橋大學時向報道了他對人、豬、牛、羊、細菌和酵母等不同生物DNA進行分析的結果。查伽夫的結果表明,雖然在不同生物的DNA之間,4種脫氧核苷酸的數量和相對比例很不相同,但無論哪種物質的DNA中,都有A=T和G=C,這被稱為DNA化學組成的「查伽夫法則」。1952年7月,查伽夫訪問卡文迪什實驗室時,向克里克詳細解釋了A:T=G:C=1:1的法則。之後,克里克的朋友,理論化學家格里菲斯通過計算表明,DNA的4種脫氧核苷酸中,A必須與T成鍵,G必須與C成鍵。這與查伽夫法則完成一致。隨後,鮑林以前的同事多諾告訴沃森,A-T和G-C配對是靠氫鍵維繫的。以上這些工作,就成了沃森和克里克DNA分子模型中A—T配對、G=C配對結構的基礎。

  至此,DNA模型已經浮現。2月28日,沃森用紙板做成4種鹼基的模型,將紙板粘到骨架上朝向中心配對,克里克馬上指出,只有兩條單鏈的走向相反才能使鹼基完善配對,這正好與X光衍射資料一致。完整的DNA分子結構模型完成於1953年3月7日。根據這個模型,DNA分子是一個雙螺旋結構,每一個螺旋單位包含10對鹼基,長度為34埃(1埃=10-10米)。螺旋直徑為20埃。4月15日,沃森和克里克關於該模型的第一篇論文在《自然》(Nature)雜誌上發表。

  DNA分子雙螺旋結構模型的發現,是生物學史上的一座里程碑,它為DNA複製提供了構型上的解釋,使人們對DNA作為基因的物質基礎不再懷疑,並且奠定了分子遺傳學的基礎。DNA雙螺旋模型在科學上的影響是深遠的。

  有人說沃森和克里克的諾貝爾獎是站在「巨人的腳趾」上獲得的,我不這麼認為,在X光衍射照片的基礎上,運用鮑林研究蛋白質螺旋的方法,綜合DNA化學研究方面的資料,沃森和克里克,特別是沃森,有著更寬廣的眼界,從各專家處汲取所需,而得到新的綜合結果,而且這種綜合結果比其各部分更偉大,這是那些不能聚木為林的專家們無法領悟到的。

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