DNA双螺旋结构发现的奥秘

DNA是大多数生物的遗传物质，是规则的双螺旋结构。DNA的双螺旋结构是怎么发现的？发现的过程又经历了怎样的曲折？

20世纪上半叶，自然界中大多数生物的遗传物质被确定为DNA，在此基础上一批青年科学家加入了生物学的研究。1951年，沃森和克里克在剑桥著名的卡文迪什实验室相遇，并开始进行DNA结构的研究。

沃森和克里克认为揭示DNA分子结构需要建立一个结构模型。在当时，人们已经认识到DNA是由许多基本单位叠合在一起组成的，叠层间距是0.34纳米，DNA是长链分子，分子直径基本衡定。在化学成分中，DNA含有4种碱基（两种嘌呤A和G，两种嘧啶C和T），以及脱氧核糖和磷酸基团。

DNA是由许多核苷酸构成DNA分子的长链，通过X射线衍射分析表明，DNA分子中不仅只有一个长链。那么多个长链是怎样结合在一起的呢？是多条核苷酸链靠碱基相互连接的吗？如果如此，那么两个碱基之间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。那么这种连接究竟是不同多核苷酸链上的碱基相互连接？还是同一条链不同部位上的碱基相互连接？

1952年6月，沃森和克里克邀请剑桥大学数学系研究生格里菲斯进行理论计算后得知：A吸引T，G吸引C，即嘌呤有吸引嘧啶的趋势。同年，哥伦比亚大学教授查伽夫访问剑桥，沃森和克里克得知查伽夫已发表研究成果，即查伽夫定律：核酸的两个嘌呤和两个嘧啶两两相等，分子数A＝T、G＝C，继而形成了碱基配对的概念。由此，沃森和克里克确定DNA分子不是多条链而是由两条单链组成。

之后，沃森和克里克从生物大分子的基本单位出发，运用化学规律发现核苷酸之间可能形成的排列方式，着重考虑对整个大分子结构的稳定性具有决定作用的氢键的形成方式，并开始了模型设计。两人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DNA衍射图像一一对比设计模型。他们发现四种碱基中，腺嘌呤（A）-胸腺嘧啶（T）对之间可以形成两个氢键连接，鸟嘌呤（G）-胞嘧啶（C）对之间可以形成三个氢键连接，两种配对均是一个双环和一个单环的组合，直径相差较小，并且从这一发现解释了查伽夫定律。最终他们设计出了DNA分子双螺旋结构的模型。这一结构模型可以描述为：脱氧核糖和磷酸交替排列构成DNA的基本骨架，碱基在内侧，两条长链的碱基通过氢键形成碱基对，并且是A与T配对，G与C配对。由此也可以证实一条链是如何作为模板合成另一条互补碱基顺序的链，并且两条链的方向一定是相反的。

沃森和克里克用运用一周的时间构建了DNA结构模型，测量出两种碱基对和DNA长链上每一种键的旋转角度。同时将金属材料制成的模型与X射线拍摄的衍射照片相比较，发现二者完全相符，进一步分析证实了双螺旋结构模型是正确的。

1953年4月，英国的《自然》杂志刊登了沃森和克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型，这一成果被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。DNA分子结构的发现，更好地解释了DNA是遗传物质以及在分子水平上阐明了DNA的复制和控制蛋白质合成的功能。

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