沃森 克里克

发现DNA双螺旋结构的故事

在刚刚过去的20世纪,遗传学也许是发展最快、变化最烈的一门自然科学学科。1900年孟德尔(G. Mendel)揭示的生物遗传规律被重新发现,2000年人类基因组全序列工作草图宣告完成,这一头一尾两件大事充分展现了100年来遗传学的重大发展,而连接首尾的关节点,则是1953年沃森(J. D. Watson)和克里克(F. H. C.

Crick)共同提出DNA双螺旋结构模型。

发现的前夜

20世纪上半叶的几十年,几代科学家不懈的努力终于将遗传物质的化学本质确定为DNA。在此基础上,玻尔(N. Bohr)、德尔布吕克(M. Delbrück)、薛定谔(E.

Schr o dinger)等一批物理学家的适时加入,将物理学的新观点、思维方式和研究手段引入遗传学研究,深深影响着整整一代战后的青年科学家,包括沃森和克里克。

克里克是一个深受薛定谔思想影响的物理学家,战后从物理学转入生物学研究。他认为,运用物理学和化学的科学概念和精确的术语重新思考生物学的基本问题,是会有成果的。他思考问题敏锐深刻,不停顿地思考与评论是他最大的嗜好。沃森说:“他掌握别人的资料,并使之条理化的速度之快,令人倒吸一口冷气。”也正因为这一点,在克里克的周围聚集了一批沃森这样的优秀青年科学家。1951年,23岁的沃森来到英国剑桥著名的卡文迪什实验室,在那里遇到了大他12岁的克里克,开始了现代生物学史上最动人心弦的合作。

沃森和克里克决定一起揭示DNA分子结构后,立刻确定目标:提出一个结构模型,它既要能解释X射线衍射分析的图像,又要能阐明基因自体催化(复制)和异体催化(编码蛋白质)等生物学性质。

那当时有关DNA结构的知识是怎样的呢?从物理学性质讲:根据阿斯特伯里(W.

Astbury)等人的X射线衍射分析资料,DNA是由许多亚单位叠合在一起组成的,叠层间距是0.34纳米;DNA是一个长链分子,在整个分子线性结构中,分子的直径是衡定的。

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沃森-克里克DNA模型（Watson-CrickDNAmodel）

沃森-克里克DNA模型(Watson-CrickDNAmodel)

J.D.Watson和P.H.C.Crick以及Wilkins在1953年提出的DNA双螺旋结构模型：两条多聚核苷酸链相互反平行盘绕成直径为2nm的双螺旋;互补碱基对A-T、G-C由氢键联结位于螺旋内部，其平面垂直于螺旋轴，两相邻平面间距为0.34nm;每10个碱基对构成一段完整的右螺旋结构。这是他们通过X射线衍射实验，总结分析前人与自己工作的成果，该项研究成果促进生物学进入了发展的新时期。1979年，美籍华人Wang等发现了左旋Z-DNA。

DNA双螺旋模型的建立过程

1953年，两位年轻的科学家美国的沃森(J．D．Watson)和英国的克里克(F．H．C．Crick)

发现了DNA双螺旋结构，这一发现是20世纪生物学的伟大成就之一，有人甚至认为，“在

整个生物学史上比之双螺旋的发现，几乎没有更为决定性的突破。”

沃森-克里克的成功不是偶然的，他们在DNA双螺旋结构的发现过程中，综合了3个学

派(生化学派、结构学派、信息学派)的研究成果，成功地运用了模型方法。

1．酝酿期(模型孕育期) 这一时期持续的时间较长，主要是为建造模型作思想上、资料

上的准备，并形成建模的目的与基本思路。

本世纪40年代，当大多数生物学家由于受四核苷酸理论的影响，放弃DNA作为遗传物质的思想时，沃森却直觉地预感到DNA是基本的遗传物质。迈尔认为：“这些研究者中，沃

森先于任何其他人，认识到了DNA分子在生物学中的决定性价值，同时正是这种理解激励他

不懈地推进这项工作直到成功的结论。”然而，直到1950年，结构学派权威威尔金斯

(M·Wilkins)还感到纳闷：“核酸在细胞中是干什么的？”

当沃森-克里克确立研究DNA的重要性后，立即认识到要了解DNA的功能，首先就要弄

清DNA的结构，而研究DNA的结构又不能不顾及它的生物学功能。他们认为，威尔金斯将

DNA的结构与功能割裂开来的研究方法必然会把研究引入死胡同。

基于上述认识，沃森和克里克试图运用有关DNA的结构资料和生化资料建立一种分子模

型。

早在20世纪30年代初期，生物化学家就已确定了DNA的化学组成：DNA是由4种脱氧核苷酸组成，每个脱氧核苷酸包括1分子碱基、1分子脱氧核糖和1分子磷酸：DNA的纵向

骨架是由脱氧核糖和磷酸交替组成的。那么这3种分子是如何相连的？根据威尔金斯和富兰

克林的X射线衍射研究，已经清楚DNA分子是由许多亚单位堆积而成的，这些亚单位有着规

则的螺旋几何形状，每3.4单位重复一次，并且弄清了DNA分子是一种长链多聚体，有不

DNA双螺旋结构的发现

20世纪初，在生物学领域，人们开始更加深入地了解细胞的内部结构和功能，对于基因的研究也愈加深入。但是，DNA分子的结构却一直是个迷。直到1953年，科学家克里克和沃森在伦敦的研究所所在的一个小小的房间里，突破了这个问题。

早在20世纪初，科学家们就已经发现了DNA分子的结构中包含着两个单链股，但是这两个链股是如何相互连接的却一直没有被解决。在克里克和沃森的实验室里，有一个正在进行的探究DNA结构的项目，这也促使了克里克和沃森开展自己的研究。不断的试错和试验，终于使得他们发现了DNA分子结构背后的秘密：双螺旋结构。

这个发现极大地推动了基因研究，成为了生物学领域一个重大的里程碑。克里克和沃森的发现还是化学领域中的一次革命，在此之前，人们很少关注分子结构的问题，而这次发现证明了分子结构和功能之间的联系，为化学和生物学的交叉研究奠定了基础。

DNA双螺旋结构是怎么发现的呢？

1950年代初期，有很多科学家致力于确定基因的化学结构。

精确定义DNA的构成是非常困难的，它由核苷酸单元组成，单元包括磷酸基团、五碳糖核苷糖和氮碱基。已经发现了各种化学性质的DNA并进行了广泛研究，这使得科学家们对它的化学组成有了很大的了解。

早期的研究还表明，DNA分子是由两个单链股组成的。然而，这个单链结构似乎无法解释DNA分子是如何控制遗传信息和复制自己的。这引起了科学家们的担忧，他们非常想知道真正意义上的DNA结构是什么样的。

在英国，L. Bragg和罗森（M. F. Perutz）等人利用X射线晶体学作为工具，研究了生物大分子晶体结构，并在1945年发表了这一研究成果，这使得科学家们对生物结构的探索产生了极大的兴趣。克里克和沃森的研究正是在这个背景下进行的。

通过分析一些重要的实验结果，克里克和沃森建立了一个认识到基因结构的独特理念。其中一项实验结果来自小径荧光X射线，这表明DNA分子具有非常高的对称性和螺旋结构。