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1、44物理与工程Vol.15No.22005近代物理发现3DNA双螺旋结构是怎样发现的向义和(清华大学物理系,北京100084)(收稿日期:2004212216)摘要文章具体地介绍了DNA双螺旋结构是怎样发现的.克里克和沃森两位不同国籍,不同学科的科学家是怎样走到一起进行研究的,他们所采用的分子建模方法和实验依据.他们的建模过程怎样由三螺旋到双螺旋;由主链在内到主链在外;碱基键合怎样由离子键到氢键;碱基配对怎样由同类配对到互补配对.以及从这一研究过程中在思想方法上应吸取的教益与启迪.关键词分子建模方法;DNA化学结构式;DNA的
2、X射线衍射分析;氢键;碱基同类配对;碱基互补配对DNA双螺旋结构的发现是20世纪自然科学(Northampton).1937年从伦敦大学学院最重要的三大发现之一.这一结构直接表示了遗传(UniversityCollegeLondon)物理系毕业后,他的物质的一种可能的复制机制,揭示了生命的秘密;研究生工作是研究水在高温下(100℃以上)的粘这一发现开启了分子生物学的新时代,为人类从分子滞性.二战期间在海军实验室研究磁性水雷.在战水平上认识生命过程及生命活动的机制奠定了基础.争结束后的1946年,他阅读了薛定谔写的《生命DNA双
3、螺旋结构的发现是由英国物理学家是什么?》一书,书中提出的“可以用精确的物理概克里克(Crick.Francis,1916—)和美国生物学念,即物理学和化学的概念来考虑生物学的本质家沃森(Watson.JamesD,1928—)在1951年9问题”,使他受到很大的启发.他读罢书后有这样月到1953年4月间共同研究的结果.他们是在当一个印象,“伟大的事情就在转折处”(Great[1][3]时遗传学关于遗传物质的确定,生物化学对thingswerejustaroundthecorners).他所说的[2]DNA化学结构式的研究,X射
4、线晶体学对伟大的事情指的就是当时英国物理学家伯尔钠[2]DNA纤维的X射线衍射分析和结构化学对化(BernalJ.D,1901—1971)利用X射线对蛋白质学键、尤其是对氢键的认识,以及通常使用的分子和核酸的研究.1947—1949年间,他在英国医学建模方法等方面的研究知识积累到一定程度的基研究委员会(MedicalResearchCouncil简称础上进行工作的.MRC)的一个实验室工作,研究的题目是,细胞中本文要讨论的问题是沃森和克里克这两位不磁性粒子的运动,后来在《实验细胞研究》杂志上同国籍、不同学科的科学家是怎样走到一
5、起的?发表了一篇长达72页的论文.1949年6月克里克他们是如何得到这一结构的?他们的思想渊源来进入布拉格领导下的卡文迪什实验室,与佩鲁兹于何处?在探索过程中经历了哪些重大事件?遇(PerutzMax,1914—)一起从事血红蛋白的X到了哪些困难?获得了哪些帮助?得到了哪些启射线研究.一年后,他参加了一个题为“狂热追求发?他们又是如何分析并解决这些问题的?以及什么(WhatMadPursuit)”的研讨会,他对X射线从这一发现中我们吸取到的教益与启迪.结晶学研究中所遵循的一些基本技术和解释模式感到不满,针对分子结构的复杂性,提
6、出了正确的1走向DNA合作研究之路研究方法.他说:“像我以前说过的那样,X射线数据通常只给我们显示出晶体三维结构一半的信息克里克1916年出生于英国北安普敦郡(即只给出了全部傅立叶分量的强度,而没有给出3本文研究课题得到清华大学国家工科基础课程物理基地教改项目资助.45物理与工程Vol.15No.22005它们的相位).有什么方法能使我们获得这失去的(KendrewJohnC1917—)一起从事肌红蛋白的部分数据呢?”这就是他提出的“同晶置换研究.正是在这里,他遇见了克里克.沃森和克里[4](Isomorphousreplac
7、ement)”方法.当时这一研克相见后立即相处得非常融洽,这是因为他们志究方法人们很少使用,克里克完全正确地预见到趣相投,知识互补.克里克是一位不仅了解X射线使用这一方法能够揭示蛋白质结构的细节.1952晶体学,蛋白质知识,而且是对基因的结构与生物年春克里克还与科克兰(CochranW)和万德学功能很感兴趣的物理学家.而沃森的确是一位(VandV)在《结晶学报(ActaCrystallographica)》知道许多关于噬菌体的实验工作和细菌遗传学知[2]发表了“在螺旋上原子的变换”的文章.他们推识的生物学家.沃森在《双螺旋》一
8、书中写道:“从导出在沿着螺旋线等距离分布的原子在衍射空间我到实验室的第一天起,我发觉和克里克谈得很中的傅立叶变换式,这一理论为研究蛋白质和核投机.”“他是一位懂得DNA比蛋白质更重要的酸结构,分析X射线衍射图片提供了有力的工具.人,真是三生有幸.”又说:“我和克里克每天至少沃
