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4.DNA，生命中最美的分子
4.1核酸的發現DNA的發現比其遺傳作用的發現要早得多。1868年，瑞士生物化學家米歇爾從膿細胞中提取了一種物質，發現它是一種酸性物質，與蛋白質不一樣，含有磷元素；進一步發現它在細胞核中，因此被稱為“核酸”。核酸的發現並沒有受到重視，因為蛋白質的神奇魅力太讓人著迷了。今天的情形就不一樣了，核酸的作用比蛋白質更加令人驚訝和迷戀。
發現核酸以後，生物化學家想知道的是它的化學組成。德國的科賽爾第一個係統地做這項了不起的工作，他小心地把核酸水解，分離到一些含氮的堿性基團，DNA共有四種堿基，現在分別用字母A、T、C、G代替，我這裏不想提到它們難記的名稱，盡可以把它們分別想象為紅、綠、黑、白四種顏色的球。別小看這一工作，科賽爾因此獲得了1910年諾貝爾生理醫學獎；當時核酸的生物重要性並未揭示，在人們心目中它與澱粉、糖脂類沒有什麽太大差別，諾貝爾獎委員會居然將這項重大的獎授予這一工作，這是令人迷惑不解的。
科賽爾獲獎的第二年，他的學生萊文另有新的發現，DNA中還有含五個碳原子的糖；後來又在酵母核酸中發現類似的糖，不過後者比前者多一個氧，所以前者叫脫氧核糖，後者叫核糖，意即核酸中發現的糖。膿細胞中的核酸叫脫氧核糖核酸(英文縮寫DNA)，酵母核酸叫核糖核酸(RNA)。
1934年，萊文證明組成核酸的基本單位是核苷酸，猶如蛋白質基本單位是氨基酸，不過核苷酸沒氨基酸種類多，它總共隻有8種，DNA有4種，RNA有4種。水解實驗證明核苷酸又是由五碳糖+磷酸+堿基組成。DNA的4種核苷酸中，五碳糖和磷酸是相同的，隻有堿基不同，可以表示為A、T、C、G，所以我們也可把核苷酸看成是顏色不同的。
4.2美妙的雙螺旋自從DNA被發現是遺傳物質之後，科學家對DNA的興趣突然高漲，在英國和美國展開了一場研究DNA結構的競爭。
1951年前後，關於DNA研究有兩項重要的進展。第一項是由威爾金斯和弗蘭克林作出的DNA晶體的X-衍射照片，因此人們斷定DNA結構類似於蛋白質，也是螺旋狀的。不過人們普遍認為DNA是三條螺旋盤旋而成，遠貌有點像女孩子織的辮子。泡林就是這樣發表他的DNA結構模型的。
讓我們假定泡林模型的三條DNA鏈一樣長，即含有一樣多的核苷酸數，各為n個，則DNA分子總核苷酸N=3n，能整除3.
另一項更為重要的結果是化學家查伽夫作出的，他測量了DNA的核苷酸數，發現總有“紅色的”與“綠色的”接近相等，“黑色的”和“白色的”接近相等，即有A=T，C=G。後來這被叫做查伽夫原則。這個結果有什麽意義呢？讓我們設A=T=n1，C=G=n2，則總核苷酸數N=A+T
+C+G=2(n1+n2)，總核苷酸數能整除2.這一結果與泡林模型是不符的。泡林設想的是三條螺旋才會有整除3的推論，結果整除2是否意味是2條螺旋鏈呢？
沃森和克裏克正是這麽想的，DNA是二條螺旋的雙螺旋結構。他們把這種想法發表在1953年4月25日的英國《自然》雜誌上，這是分子生物學史上一篇光輝的文獻(才隻有一千多字)，這一發現是分子遺傳學蓬勃發展的基礎，是分子生物學的裏程碑。
因為這一偉大的發現，沃森、克裏克和威爾金斯分享了1962年諾貝爾生理醫學獎。
DNA雙螺旋結構模型的美妙之處是由兩條右手螺旋盤旋而成，螺旋之間由堿基之間形成氫鍵而互補配對，遵循查伽夫原則：A=T，C=G(A、T間兩個氫鍵，C、G間三個氫鍵)兩條鏈核苷酸順序不一樣，互稱互補鏈。如果我們有登過高塔的經驗，那麽DNA兩條鍵鏈猶如登塔螺旋梯的兩側，而堿基之間的氫鍵猶如每一級台階。隻要我翻開任何一本大學生物學教材，都會看到DNA雙螺旋結構示意圖。
4.3雙螺旋發現的故事沃森，1928年出生於美國芝加哥，中學畢業後進入芝加哥大學動物學係，曾立誌於鳥類學研究，後來突然改變主意攻讀遺傳學。大學畢業後師從著名噬菌體遺傳學家盧裏亞(此人在其學生獲獎後五年(1967)獲獎)，獲得博士學位。
此後，獲取一筆可觀的博士後研究經費，得以遊學歐洲。
1951年，他在意大利生物大分子結構會議上聽到了威爾金斯關於DNAX-衍射分析報告，決定去英國了解進一步的情況，此舉得到導師的熱情支持並受到推薦。秋天，他到了劍橋大學卡文迪許實驗室，在肯德魯指導下研究病毒DNA結構。在這裏，他遇上了無所事事、正在攻讀博士學位的克裏克，開始了分子生物學激動人心的篇章。
克裏克，1916年出生於英國北安普敦，1938年畢業於倫敦大學，主攻物理學和數學。做博士論文的第二年，第二次世界大戰爆發了，他進入海軍科研單位研究磁性魚雷。戰後的1947年進入劍橋大學自修生物學，1949年進入卡文迪許實驗室，在佩魯茲門下做“多肽和X射線研究”的博士論文，似乎並無多大建樹。
對DNA結構發現有重大貢獻的還有兩位科學家，一位是威爾金斯，另一位是女物理學家弗蘭克林。威爾金斯在上大學時也是學物理學的，二戰期間曾參與過原子彈研究(曼哈頓計劃)，因擔心承擔原子彈道義上的責任而改宗生物學。戰後到皇家學院工作，1950年開始研究DNA。威爾金斯對X射線衍射技術並不怎麽在行，於是招聘了弗蘭克林。
弗蘭克林1920年生於英國，大學時在劍橋攻讀物理學，畢業後研究煤炭分子的細微結構，這使她熟諳X射線衍射分析技術。她對DNA結構的確定立下了不可磨滅的功勳，遺憾的是，未及看到諾貝爾獎頒發就因癌症於1958年病逝。
這四位科學家都是個性鮮明的。沃森性格文靜內向，做事嚴謹踏實，為人謹慎；克裏克則比較急躁坦率，以大聲說話、縱情歡笑而知名；沃森在一本暢銷書《雙螺旋》裏這樣打趣克裏克：“聽到他的笑聲，就知道他在卡文迪許實驗室的哪個地方。”他的笑聲經常打擾另一位大科學家布喇格，以至布喇格總希望克裏克能早些完成博士論文離開實驗室，可是克裏克在博士論文上並無長進。布喇格隻好躲到安靜的地方去，但這並不解決問題，他的辦公室外的走廊曾兩次被克裏克實驗室漫出來的水淹沒。
威爾金斯冷漠怪僻，極難相處，但沃森能與之友好相處。弗蘭克林為人敦厚、生活儉樸，從不像別的女性一樣喜歡裝扮自己，以至沃森形容她像一個不太幸運的母親的女兒。但她易於固執己見，沃森不友好地寫了她一筆，說有一次她要出手打他。威爾金斯對她抱怨女休息室簡陋失修的事耿耿於懷，卻又想不出理由來解雇她，大概所有國度的人在男女平等意識上總是大打折扣的。
沃森和克裏克成功的主要原因是建立金屬模型，而其他人似乎不感興趣。1951年底，他們建立了一個三鏈模型，
但當克裏克邀請弗蘭克林和威爾金斯參觀時，模型被發現是錯誤的，他們把DNA含水量算少了，因而密度增大，導致三鏈結論。三鏈模型失敗後，沃森去從事煙草花葉病毒遺傳學研究，而克裏克則去敷衍他的博士論文。
1952年6月，他們會見了查伽夫，了解到A=T，C=G的事，這使他們想到DNA應該是雙鏈螺旋；沃森也曾想到A和T，C和G之間存在對應關係，但遭到查伽夫高傲的反對，查伽夫認為這隻是偶然現象。冬天，他們又走訪了威爾金斯和弗蘭克林，了解到弗蘭克林拍攝了另一張更為簡潔的DNA衍射照片，這張照片與雙鏈模型符合得很好。1953年2月，當克裏克忙於他的博士論文時，沃森在工具間裏做了第二個模型，這個也像我們登塔的螺旋梯，但堿基是A和A、C和C、G和G、T和T配對，這樣兩條鏈核苷酸順序就完全一樣了。2月19日，正當沃森為此興高采烈時，同室的美國化學家多諾休潑了冷水，他從結構化學的角度指出，堿基同配是行不通的。於是他們修改了模型，提出了現在通行的堿基異配(A=T，C≡G)模型，兩條核苷酸鏈順序不一樣，互稱互補鏈。
當你第一次接觸DNA雙螺旋結構時，你是否會為它的簡潔、互補對稱和曲線造型而體現的美而激動呢？你是否會對生命由然而生崇敬之情呢？
DNA的對稱不是軸對稱，而是互補對稱，就像我們中國的對聯，紅對綠、黑對白，沃森第二個模型是經典對稱的軸對稱，生命中行不通。
發現核酸以後，生物化學家想知道的是它的化學組成。德國的科賽爾第一個係統地做這項了不起的工作，他小心地把核酸水解，分離到一些含氮的堿性基團，DNA共有四種堿基，現在分別用字母A、T、C、G代替，我這裏不想提到它們難記的名稱，盡可以把它們分別想象為紅、綠、黑、白四種顏色的球。別小看這一工作，科賽爾因此獲得了1910年諾貝爾生理醫學獎；當時核酸的生物重要性並未揭示，在人們心目中它與澱粉、糖脂類沒有什麽太大差別，諾貝爾獎委員會居然將這項重大的獎授予這一工作，這是令人迷惑不解的。
科賽爾獲獎的第二年，他的學生萊文另有新的發現，DNA中還有含五個碳原子的糖；後來又在酵母核酸中發現類似的糖，不過後者比前者多一個氧，所以前者叫脫氧核糖，後者叫核糖，意即核酸中發現的糖。膿細胞中的核酸叫脫氧核糖核酸(英文縮寫DNA)，酵母核酸叫核糖核酸(RNA)。
1934年，萊文證明組成核酸的基本單位是核苷酸，猶如蛋白質基本單位是氨基酸，不過核苷酸沒氨基酸種類多，它總共隻有8種，DNA有4種，RNA有4種。水解實驗證明核苷酸又是由五碳糖+磷酸+堿基組成。DNA的4種核苷酸中，五碳糖和磷酸是相同的，隻有堿基不同，可以表示為A、T、C、G，所以我們也可把核苷酸看成是顏色不同的。
4.2美妙的雙螺旋自從DNA被發現是遺傳物質之後，科學家對DNA的興趣突然高漲，在英國和美國展開了一場研究DNA結構的競爭。
1951年前後，關於DNA研究有兩項重要的進展。第一項是由威爾金斯和弗蘭克林作出的DNA晶體的X-衍射照片，因此人們斷定DNA結構類似於蛋白質，也是螺旋狀的。不過人們普遍認為DNA是三條螺旋盤旋而成，遠貌有點像女孩子織的辮子。泡林就是這樣發表他的DNA結構模型的。
讓我們假定泡林模型的三條DNA鏈一樣長，即含有一樣多的核苷酸數，各為n個，則DNA分子總核苷酸N=3n，能整除3.
另一項更為重要的結果是化學家查伽夫作出的，他測量了DNA的核苷酸數，發現總有“紅色的”與“綠色的”接近相等，“黑色的”和“白色的”接近相等，即有A=T，C=G。後來這被叫做查伽夫原則。這個結果有什麽意義呢？讓我們設A=T=n1，C=G=n2，則總核苷酸數N=A+T
+C+G=2(n1+n2)，總核苷酸數能整除2.這一結果與泡林模型是不符的。泡林設想的是三條螺旋才會有整除3的推論，結果整除2是否意味是2條螺旋鏈呢？
沃森和克裏克正是這麽想的，DNA是二條螺旋的雙螺旋結構。他們把這種想法發表在1953年4月25日的英國《自然》雜誌上，這是分子生物學史上一篇光輝的文獻(才隻有一千多字)，這一發現是分子遺傳學蓬勃發展的基礎，是分子生物學的裏程碑。
因為這一偉大的發現，沃森、克裏克和威爾金斯分享了1962年諾貝爾生理醫學獎。
DNA雙螺旋結構模型的美妙之處是由兩條右手螺旋盤旋而成，螺旋之間由堿基之間形成氫鍵而互補配對，遵循查伽夫原則：A=T，C=G(A、T間兩個氫鍵，C、G間三個氫鍵)兩條鏈核苷酸順序不一樣，互稱互補鏈。如果我們有登過高塔的經驗，那麽DNA兩條鍵鏈猶如登塔螺旋梯的兩側，而堿基之間的氫鍵猶如每一級台階。隻要我翻開任何一本大學生物學教材，都會看到DNA雙螺旋結構示意圖。
4.3雙螺旋發現的故事沃森，1928年出生於美國芝加哥，中學畢業後進入芝加哥大學動物學係，曾立誌於鳥類學研究，後來突然改變主意攻讀遺傳學。大學畢業後師從著名噬菌體遺傳學家盧裏亞(此人在其學生獲獎後五年(1967)獲獎)，獲得博士學位。
此後，獲取一筆可觀的博士後研究經費，得以遊學歐洲。
1951年，他在意大利生物大分子結構會議上聽到了威爾金斯關於DNAX-衍射分析報告，決定去英國了解進一步的情況，此舉得到導師的熱情支持並受到推薦。秋天，他到了劍橋大學卡文迪許實驗室，在肯德魯指導下研究病毒DNA結構。在這裏，他遇上了無所事事、正在攻讀博士學位的克裏克，開始了分子生物學激動人心的篇章。
克裏克，1916年出生於英國北安普敦，1938年畢業於倫敦大學，主攻物理學和數學。做博士論文的第二年，第二次世界大戰爆發了，他進入海軍科研單位研究磁性魚雷。戰後的1947年進入劍橋大學自修生物學，1949年進入卡文迪許實驗室，在佩魯茲門下做“多肽和X射線研究”的博士論文，似乎並無多大建樹。
對DNA結構發現有重大貢獻的還有兩位科學家，一位是威爾金斯，另一位是女物理學家弗蘭克林。威爾金斯在上大學時也是學物理學的，二戰期間曾參與過原子彈研究(曼哈頓計劃)，因擔心承擔原子彈道義上的責任而改宗生物學。戰後到皇家學院工作，1950年開始研究DNA。威爾金斯對X射線衍射技術並不怎麽在行，於是招聘了弗蘭克林。
弗蘭克林1920年生於英國，大學時在劍橋攻讀物理學，畢業後研究煤炭分子的細微結構，這使她熟諳X射線衍射分析技術。她對DNA結構的確定立下了不可磨滅的功勳，遺憾的是，未及看到諾貝爾獎頒發就因癌症於1958年病逝。
這四位科學家都是個性鮮明的。沃森性格文靜內向，做事嚴謹踏實，為人謹慎；克裏克則比較急躁坦率，以大聲說話、縱情歡笑而知名；沃森在一本暢銷書《雙螺旋》裏這樣打趣克裏克：“聽到他的笑聲，就知道他在卡文迪許實驗室的哪個地方。”他的笑聲經常打擾另一位大科學家布喇格，以至布喇格總希望克裏克能早些完成博士論文離開實驗室，可是克裏克在博士論文上並無長進。布喇格隻好躲到安靜的地方去，但這並不解決問題，他的辦公室外的走廊曾兩次被克裏克實驗室漫出來的水淹沒。
威爾金斯冷漠怪僻，極難相處，但沃森能與之友好相處。弗蘭克林為人敦厚、生活儉樸，從不像別的女性一樣喜歡裝扮自己，以至沃森形容她像一個不太幸運的母親的女兒。但她易於固執己見，沃森不友好地寫了她一筆，說有一次她要出手打他。威爾金斯對她抱怨女休息室簡陋失修的事耿耿於懷，卻又想不出理由來解雇她，大概所有國度的人在男女平等意識上總是大打折扣的。
沃森和克裏克成功的主要原因是建立金屬模型，而其他人似乎不感興趣。1951年底，他們建立了一個三鏈模型，
但當克裏克邀請弗蘭克林和威爾金斯參觀時，模型被發現是錯誤的，他們把DNA含水量算少了，因而密度增大，導致三鏈結論。三鏈模型失敗後，沃森去從事煙草花葉病毒遺傳學研究，而克裏克則去敷衍他的博士論文。
1952年6月，他們會見了查伽夫，了解到A=T，C=G的事，這使他們想到DNA應該是雙鏈螺旋；沃森也曾想到A和T，C和G之間存在對應關係，但遭到查伽夫高傲的反對，查伽夫認為這隻是偶然現象。冬天，他們又走訪了威爾金斯和弗蘭克林，了解到弗蘭克林拍攝了另一張更為簡潔的DNA衍射照片，這張照片與雙鏈模型符合得很好。1953年2月，當克裏克忙於他的博士論文時，沃森在工具間裏做了第二個模型，這個也像我們登塔的螺旋梯，但堿基是A和A、C和C、G和G、T和T配對，這樣兩條鏈核苷酸順序就完全一樣了。2月19日，正當沃森為此興高采烈時，同室的美國化學家多諾休潑了冷水，他從結構化學的角度指出，堿基同配是行不通的。於是他們修改了模型，提出了現在通行的堿基異配(A=T，C≡G)模型，兩條核苷酸鏈順序不一樣，互稱互補鏈。
當你第一次接觸DNA雙螺旋結構時，你是否會為它的簡潔、互補對稱和曲線造型而體現的美而激動呢？你是否會對生命由然而生崇敬之情呢？
DNA的對稱不是軸對稱，而是互補對稱，就像我們中國的對聯，紅對綠、黑對白，沃森第二個模型是經典對稱的軸對稱，生命中行不通。
