If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

如果你被网页过滤器挡住,请确保域名*.kastatic.org*.kasandbox.org 没有被阻止.

主要内容

DNA结构的发现

DNA双螺旋结构及其发现方法。查加夫,华生,克里克,威尔金斯和富兰克林。

介绍

今天,DNA双螺旋可能是所有生物分子中最具标志性的。它也是成了楼梯,装饰品,人行天桥(例如新加坡的人行天桥,如下图所示)等等的灵感来源。
我必须同意建筑师和设计师的意见:双螺旋结构是一种美丽的结构,其形式以非凡的方式适应其功能。但是双螺旋并不总是我们文化词典的一部分。实际上,在1950年代之前,DNA的结构仍是一个谜。
图片来源: "双螺旋桥," 由William Cho提供, CC BY-SA 2.0
在本文中,我们将简要探讨DNA的双螺旋结构是如何通过詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、罗莎琳德·富兰克林和其他研究人员的工作发现的。然后,我们再看看双螺旋自身的属性。

DNA的组成

从生物化学家菲伯斯·莱文等人的工作中,沃森和克里克时代的科学家知道DNA由称为核苷酸 start superscript, 1, end superscript的亚基组成。核苷酸由糖(脱氧核糖),磷酸基和四个含氮碱基之一组成:腺嘌呤(A),胸腺嘧啶(T),鸟嘌呤(G)或胞嘧啶(C)。
仅有一个环的C和T碱基称为嘧啶,而具有两个环的A和G碱基称为嘌呤
图左:DNA核苷酸的结构。脱氧核糖糖连接至磷酸基和含氮碱基。碱基是四种选择中的任何一种:胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)。这四个碱基在结构和功能上有所不同。胞嘧啶和胸腺嘧啶是嘧啶,它们的化学结构只有一个环。腺嘌呤和鸟嘌呤是嘌呤,它们的结构中有两个环。
图右:一串连接的DNA核苷酸。脱氧核糖通过磷酸二酯键连接。磷酸二酯键由磷酸根基团组成,其中两个氧原子与其他原子键合并与相邻的脱氧核糖糖的碳原子键合。 DNA链由交替的磷酸基团和脱氧核糖(糖-磷酸主链)组成,含氮碱基从脱氧核糖中伸出。
图片来源: 图左, 图片改编自 "Nucleic acids: Figure 1," 由OpenStax College, Biology提供 (CC BY 3.0). 图右, 图片改编自 "DNA chemical structure," 由Madeleine Price Ball提供 (CC0/public domain).
DNA核苷酸通过共价键连接成链,共价键在一个核苷酸的脱氧核糖和另一个核苷酸的磷酸基之间形成。这种排列方式使得DNA聚合物中的脱氧核糖和磷酸基团交替成链,这种结构称为糖-磷酸骨架

查格夫法则

另一个与DNA结构有关的关键信息来自奥地利的生物化学家埃文 查格夫。 查格夫分析了不同物种的DNA,确定了其A,T,C和G碱基的组成。他提出了一些关键意见:
  • A,T,C和G的数量不相等(正如当时某些模型所预测的那样)
  • 不同物种的碱基的数量也不相同,同一物种的个体之间除外
  • A的数量始终等于T的数量,C的数量始终等于G的数量(A = T且G = C)
这些发现被称为查格夫法则,它对沃森和克里克的DNA双螺旋模型至关重要。

沃森、克里克和罗莎琳·富兰克林

在1950年代初期,美国生物学家詹姆斯·沃森(James Watson)和英国物理学家弗朗西斯·克里克(Francis Crick)提出了他们著名的DNA双螺旋模型。他们在这项科学“竞赛”中拔得头筹,同时期的莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)(发现了蛋白质的二级结构)等人也在试图寻找正确的模型。
相较于在实验室中进行新的实验,沃森和克里克大部分时间在收集和分析现有的数据,并以新颖而有见地的方式将它们组合在一起squared。 他们的DNA结构最关键的线索来自罗莎琳·富兰克林,一位化学家并且在物理学家莫里斯·威尔金斯实验室工作。
富兰克林是X射线晶体学”这方面的专家,这种技术对确定分子结构非常关键。当分子的结晶形式(例如DNA)暴露于X射线时,某些射线会被晶体中的原子偏转,形成的衍射图可以提供有关分子结构的线索。
DNA的X射线衍射图。衍射图样呈现代表性的DNA双螺旋结构的X形。
图片改编自 "DNA structure and sequencing: Figure 2," 由OpenStax College, Biology提供 (CC BY 3.0)
富兰克林(Franklin)的晶体学为沃森(Watson)和克里克(Crick)提供了有关DNA结构的重要线索。有一些线索就来自著名的“51号图”,这图是富兰克林(Franklin)和她的研究生做的DNA的非常清晰且引人注目的X射线衍射图像。 (上面的例子是现在由DNA产生的衍射图像)对沃森(Watson)来说,富兰克林(Franklin)图像上的X形衍射图揭示了DNAcubed的双螺旋结构。
沃森(Watson)和克里克(Crick)将许多研究人员(包括富兰克林,威尔金斯,查格夫等人)的数据汇集在一起​​,以构建他们著名的DNA结构的三维模型。 1962年,詹姆斯·沃森(James Watson),弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)被授予诺贝尔医学奖。不幸的是,那时富兰克林已经去世了,诺贝尔奖不追授。

沃森和克里克的DNA模型

沃森和克里克模型中的DNA结构是双链,反向平行,右手螺旋。 DNA链的糖-磷酸主链构成了螺旋的外部,含氮碱基位于内部,形成氢键对从而将DNA链连接在一起。
在下面的模型中,橙色和红色原子表示糖-磷酸骨架的磷酸盐,螺旋内部的蓝色原子就是含氮碱基。
DNA双螺旋分子三维结构的动画。
图片来源: "Bdna cropped," 由Jahobr, public domain提供.

反向平行

双链DNA是反向平行分子,这意味着它由两条并排排列但指向相反的链组成。在双链DNA分子中,一条链的5'端(连接磷酸的末端)与另一条链的3'端(连接羟基的末端)对齐,反之亦然。
图左:DNA反向平行结构的图示。DNA双螺旋的一小段,由通过碱基之间的氢键保持在一起的两条DNA链组成。左侧的链的顶部(5'端)是磷酸基团,底部(3'端)是羟基。右侧的链则方向相反,磷酸基团在其底部(5'端),而羟基在其顶部(3'端)。因此,一条链的5'端与另一条链的3'端相连,反之亦然。
图右:核苷酸的结构展示了5'磷酸基和3'羟基。这些名称来自脱氧核糖糖环上的位置。糖的碳环标记从1'(带有氮基的碳)到5'(带有磷酸基的碳)。中间的3'碳带有羟基。
_图片改编自 "DNA chemical structure," 由Madeleine Price Ball提供 (CC0/public domain)._

右手螺旋

在沃森和克里克的模型中,DNA的两条链相互缠绕在一起,形成右手螺旋。所有螺旋都具有惯性,这个属性解释了DNA的凹槽在空间中如何定向。
DNA双螺旋的图像,说明了它的右侧结构。主槽是沿分子长度螺旋上升的较大间隙,而小槽是与主槽平行的较小间隙。碱基对位于螺旋的中心,而糖-磷酸盐的主链则在螺旋的外侧。
_图片改编自 "DNA structure and sequencing: Figure 3," 由OpenStax College, Biology提供 (CC BY 3.0)._
DNA双螺旋的扭曲和碱基的几何形状沿着分子的长度方向形成了一个较大的间隙(称为主凹槽)和一个较窄的间隙(称为次凹槽),如上图所示。这些凹槽是维持DNA和调节基因活性的蛋白质的重要​​结合点。

碱基配对

在沃森和克里克的模型中,DNA双螺旋的两条链通过不同链上含氮碱基之间的氢键保持在一起。每对碱基平放,在DNA分子的阶梯上形成“梯级”。
碱基对不是碱基的随意组合。相反,如果在一个链上发现A,则必须在另一链上用T与它配对(反之亦然)。同样,在一条链上发现的G必须在另一条链上用C与它配对。这些A-T和G-C关联称为互补碱基对
该图说明了A-T和G-C碱基之间的配对。在螺旋的两条链上发现A和T彼此相反,它们的官能团形成两个氢键,将链保持在一起。类似地,在两条链上发现G和C彼此相反,并且它们的官能团形成三个氢键,将两条链连接在一起。
_图片改编自 "DNA structure and sequencing: Figure 3," 由OpenStax College, Biology提供 (CC BY 3.0)._
碱基对解释了查格夫法则(为什么A的数量总是等于T的数量,而C的数量等于G的数量start superscript, 11, end superscript)。如果一条链中有A,则另一条链中必须有T,G和C也是如此。由于大嘌呤(A或G)总是与小嘧啶(T或C)配对,螺旋的直径是均匀的,大约2纳米。
尽管沃森和克里克的原始模型提出每对碱基之间存在两个氢键,今天我们知道G和C会形成一个额外的键(这样,A-T对总共形成两个氢键,而G-C对形成三个氢键)start superscript, 12, end superscript

双螺旋的影响

DNA的结构为理解DNA的功能打开了大门,例如DNA是如何复制的以及DNA携带的信息如何被细胞用来制造蛋白质。
正如我们将在接下来的文章和视频中看到的,沃森和克里克的模型开创了分子生物学的新时代。该模型以及相应的发现为当今生物学和生物医学领域的许多前沿研究奠定了基础。

在可汗学院之外探索

想要了解更多关于DNA梯的信息吗?看看这个 LabXchange 的交互式滚动页面
LabXchange是一个免费的在线科学教育平台,由哈佛大学文理学院教授创建,并得到了安进基金会的支持。