dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

通過(guò)發(fā)現(xiàn)dna雙鏈結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)自然科學(xué)最重要的三個(gè)發(fā)現(xiàn)之一。這種結(jié)構(gòu)直接展示了遺傳因素的可能復(fù)制機(jī)制，并揭示了生命的秘密。這一發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了一個(gè)新的分子時(shí)代，奠定了人類了解分子水平生活過(guò)程和活動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是由英國(guó)物理學(xué)家克里克(Crick.Francis,1916—)和美國(guó)生物學(xué)家沃森(Watson.JamesD,1928—)在1951年9月到1953年4月間共同研究的結(jié)果.他們是在當(dāng)時(shí)遺傳學(xué)關(guān)于遺傳物質(zhì)的確定,生物化學(xué)對(duì)DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)式的研究,X射線晶體學(xué)對(duì)DNA纖維的X射線衍射分析和結(jié)構(gòu)化學(xué)對(duì)化學(xué)鍵、尤其是對(duì)氫鍵的認(rèn)識(shí),以及通常使用的分子建模方法等方面的研究知識(shí)積累到一定程度的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的.本文要討論的問(wèn)題是沃森和克里克這兩位不同國(guó)籍、不同學(xué)科的科學(xué)家是怎樣走到一起的?他們是如何得到這一結(jié)構(gòu)的?他們的思想淵源來(lái)于何處?在探索過(guò)程中經(jīng)歷了哪些重大事件?遇到了哪些困難?獲得了哪些幫助?得到了哪些啟發(fā)?他們又是如何分析并解決這些問(wèn)題的?以及從這一發(fā)現(xiàn)中我們吸取到的教益與啟迪.1重新發(fā)現(xiàn)基因的“同晶置換”方法克里克1916年出生于英國(guó)北安普敦郡(Northampton).1937年從倫敦大學(xué)學(xué)院(UniversityCollegeLondon)物理系畢業(yè)后,他的研究生工作是研究水在高溫下(100℃以上)的粘滯性.二戰(zhàn)期間在海軍實(shí)驗(yàn)室研究磁性水雷.在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后的1946年,他閱讀了薛定諤寫的《生命是什么?》一書,書中提出的“可以用精確的物理概念,即物理學(xué)和化學(xué)的概念來(lái)考慮生物學(xué)的本質(zhì)問(wèn)題”,使他受到很大的啟發(fā).他讀罷書后有這樣一個(gè)印象,“偉大的事情就在轉(zhuǎn)折處”(Greatthingswerejustaroundthecorners).他所說(shuō)的偉大的事情指的就是當(dāng)時(shí)英國(guó)物理學(xué)家伯爾鈉(BernalJ.D,1901—1971)利用X射線對(duì)蛋白質(zhì)和核酸的研究.1947—1949年間,他在英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)(MedicalResearchCouncil簡(jiǎn)稱MRC)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室工作,研究的題目是,細(xì)胞中磁性粒子的運(yùn)動(dòng),后來(lái)在《實(shí)驗(yàn)細(xì)胞研究》雜志上發(fā)表了一篇長(zhǎng)達(dá)72頁(yè)的論文.1949年6月克里克進(jìn)入布拉格領(lǐng)導(dǎo)下的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室,與佩魯茲(PerutzMax,1914—)一起從事血紅蛋白的X射線研究.一年后,他參加了一個(gè)題為“狂熱追求什么(WhatMadPursuit)”的研討會(huì),他對(duì)X射線結(jié)晶學(xué)研究中所遵循的一些基本技術(shù)和解釋模式感到不滿,針對(duì)分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,提出了正確的研究方法.他說(shuō):“像我以前說(shuō)過(guò)的那樣,X射線數(shù)據(jù)通常只給我們顯示出晶體三維結(jié)構(gòu)一半的信息(即只給出了全部傅立葉分量的強(qiáng)度,而沒(méi)有給出它們的相位).有什么方法能使我們獲得這失去的部分?jǐn)?shù)據(jù)呢?”這就是他提出的“同晶置換(Isomorphousreplacement)”方法.當(dāng)時(shí)這一研究方法人們很少使用,克里克完全正確地預(yù)見(jiàn)到使用這一方法能夠揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié).1952年春克里克還與科克蘭(CochranW)和萬(wàn)德(VandV)在《結(jié)晶學(xué)報(bào)(ActaCrystallographica)》發(fā)表了“在螺旋上原子的變換”的文章.他們推導(dǎo)出在沿著螺旋線等距離分布的原子在衍射空間中的傅立葉變換式,這一理論為研究蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu),分析X射線衍射圖片提供了有力的工具.沃森1928年出生于美國(guó)芝加哥.1943年進(jìn)入芝加哥大學(xué)攻讀動(dòng)物學(xué).他在大學(xué)即將畢業(yè)時(shí),也像克里克一樣,閱讀了奧地利物理學(xué)家薛定諤寫的《生命是什么?》一書,從而使他對(duì)遺傳學(xué)產(chǎn)生了向往之情,后來(lái)他在《雙螺旋》中說(shuō):“這本書非常清楚地提出了一個(gè)信念,即基因是活細(xì)胞的組成部分以及要懂得什么是生命,必須知道基因是如何發(fā)揮作用的”.正是這部書引導(dǎo)他去“尋找基因的奧秘”.1947年在他獲得芝加哥大學(xué)理學(xué)士后,就進(jìn)入印第安納大學(xué)攻讀病毒學(xué)博士.指導(dǎo)他做博士論文的導(dǎo)師是在意大利受過(guò)教育的微生物學(xué)家盧里亞(Luriakalckar).研究的問(wèn)題是噬菌體遺傳學(xué).當(dāng)時(shí)在一些遺傳學(xué)家中存在著這樣的猜測(cè),即病毒就是赤膊基因的一種形式.果真如此,則解釋什么是基因以及如何復(fù)制的最好方法乃是研究病毒的性質(zhì).這樣,鑒于最簡(jiǎn)單的病毒是噬菌體,在20世紀(jì)40年代一批科學(xué)家建立了噬菌體研究小組,他們希望研究噬菌體最終將會(huì)弄清楚基因是怎樣控制細(xì)胞遺傳的.領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)小組的是盧里亞和玻爾的學(xué)生、德國(guó)理論物理學(xué)家德?tīng)柌紖慰?DelbruckMax,1906—).1948年春在他遇見(jiàn)德?tīng)柌紖慰撕?就被噬菌體學(xué)派的目標(biāo)和方法“鉤住了”.1950年他獲得了博士學(xué)位.1951年5月他有機(jī)會(huì)赴意大利參加了一次在那不勒斯(Naples)舉行的“生物大分子結(jié)構(gòu)國(guó)際會(huì)議”.會(huì)上,英國(guó)物理學(xué)家威爾金斯(Wilkins,Maurice)關(guān)于DNA-X射線晶體衍射的報(bào)告,使他對(duì)DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚興趣,大大激發(fā)了他對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的好奇心,促使他邁出了人生關(guān)鍵的一步——進(jìn)入卡文迪什實(shí)驗(yàn)室.1951年9月沃森來(lái)到了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室在博士后站點(diǎn)工作,與佩魯茲的合作者肯德魯(KendrewJohnC1917—)一起從事肌紅蛋白的研究.正是在這里,他遇見(jiàn)了克里克.沃森和克里克相見(jiàn)后立即相處得非常融洽,這是因?yàn)樗麄冎救は嗤?知識(shí)互補(bǔ).克里克是一位不僅了解X射線晶體學(xué),蛋白質(zhì)知識(shí),而且是對(duì)基因的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能很感興趣的物理學(xué)家.而沃森的確是一位知道許多關(guān)于噬菌體的實(shí)驗(yàn)工作和細(xì)菌遺傳學(xué)知識(shí)的生物學(xué)家.沃森在《雙螺旋》一書中寫道:“從我到實(shí)驗(yàn)室的第一天起,我發(fā)覺(jué)和克里克談得很投機(jī).”“他是一位懂得DNA比蛋白質(zhì)更重要的人,真是三生有幸.”又說(shuō):“我和克里克每天至少交談幾個(gè)小時(shí),其他時(shí)間克里克就用晶體學(xué)武裝我的頭腦.”1951年12月沃森在給德?tīng)柌紖慰说男胖袑懙?“克里克無(wú)疑是我曾合作過(guò)的人當(dāng)中最有生機(jī)的一個(gè)人,而且非常像我曾經(jīng)見(jiàn)過(guò)的鮑林,事實(shí)上他長(zhǎng)得也很像鮑林.他總是不停地談話和思考……他吸引了許多有志向的年輕科學(xué)家,因此,我在他家的茶會(huì)上,經(jīng)常遇到許多劍橋的人物.”正是這種智力的共鳴,對(duì)探索基因本質(zhì)的興趣,強(qiáng)烈地把他們吸引到一起,開(kāi)始了現(xiàn)代生物學(xué)史上的一次最富有創(chuàng)造性的,最激動(dòng)人心的,或許也是最神奇的,跨學(xué)科專家的合作.2u3000計(jì)算機(jī)病毒的結(jié)構(gòu)分析化學(xué)家如欲了解某物質(zhì)之三維空間的構(gòu)造,有兩條重要途徑可循:一是按照物質(zhì)特性使用物理學(xué)的工具(如X射線衍射法,電子顯微鏡,核磁共振法)探討分子中原子的相對(duì)位置;另一種方法是制作模型,對(duì)分子中的各種原子按照比例作出模型,并根據(jù)物理學(xué)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),確定各原子間的距離和鍵之角度.美國(guó)著名的結(jié)構(gòu)化學(xué)家鮑林(PaulingLinus,1901—1994)就是通過(guò)建立模型的方法確定了蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu).沃森和克里克曾經(jīng)認(rèn)真討論了鮑林是怎樣發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)的.鮑林認(rèn)為大多數(shù)已知蛋白質(zhì)中的多肽鏈,由于氨基酸之間氫鍵的作用,會(huì)自動(dòng)卷曲成螺旋狀.鮑林提供了一個(gè)查看分子中各原子相對(duì)位置的方法,即先根據(jù)理論上的考慮建立模型,再用X射線衍射結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?正如沃森在《雙螺旋》一書中所說(shuō):“鮑林成功的關(guān)鍵在于他運(yùn)用了結(jié)構(gòu)化學(xué)的簡(jiǎn)單規(guī)律.他發(fā)現(xiàn)α螺旋結(jié)構(gòu)并不僅僅靠X射線衍射圖譜.相反,其主要方法是探討原子間的關(guān)系.不用紙和筆,他的主要工具是一組分子模型.”沃森和克里克采用模型方法進(jìn)行工作的步驟是:依據(jù)他們所掌握的資料,提出他們可供選擇的模型,然后再用X射線衍射圖象進(jìn)行對(duì)比和檢驗(yàn).早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)確定了DNA的化學(xué)構(gòu)成,它是由4種稱為核苷酸(nucleotide)的基本單位組成,每種核苷酸又是由3種基本的亞單位,一個(gè)堿基,一個(gè)脫氧核糖和一個(gè)磷酸基團(tuán)組成,其中堿基有4種,它們是腺嘌呤(adenine)、鳥嘌呤(guanine)、胸腺嘧啶(thymine)和胞嘧啶(cytosine).DNA分子是由許多核苷酸連接而成的長(zhǎng)鏈分子,在DNA中核苷酸是通過(guò)磷酸基團(tuán)連接起來(lái)的.每一個(gè)核苷酸的脫氧核糖與另一個(gè)核苷酸的磷酸基連接在一起,形成糖-磷酸基骨架,構(gòu)成了DNA主鏈.1950年,奧地利生化學(xué)家查加夫(Chargaff,Erwin)發(fā)現(xiàn)腺嘌呤之量等于胸腺嘧啶之量,鳥嘌呤之量等于胞嘧啶之量.20世紀(jì)40～50年代用X射線衍射分析DNA結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)主要是在倫敦國(guó)王學(xué)院(KingsCollegeatLondon)進(jìn)行,沃森和克里克建模所依據(jù)的資料主要來(lái)自于該院威爾金斯小組和由英國(guó)物理化學(xué)家富蘭克林(Franklin,Rosalind)領(lǐng)導(dǎo)的小組所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.1951年7月在劍橋舉行的蛋白質(zhì)會(huì)議上,威爾金斯表述了他的關(guān)于DNA思想的重要發(fā)展.他把子午線上不存在反射看成是有意義的,而且從DNA衍射圖上衍射最大值呈十字交叉的分布,直接地推斷出DNA分子具有螺旋結(jié)構(gòu)的特征,交叉式樣的傾斜度給出了螺旋的坡度(見(jiàn)圖1).沃森在《雙螺旋》一書中回憶說(shuō):“威爾金斯在劍橋一次夏季討論會(huì)上已經(jīng)使用了“螺旋”這個(gè)名詞.在我第一次到達(dá)那里的六周以前,他曾經(jīng)把那張DNA的X光衍射圖譜拿出來(lái)展示過(guò).那張圖譜顯然存在子午線上缺少任何反射跡象.他的同事、理論家斯托克斯(Stokes,Alex)告訴他,這個(gè)現(xiàn)象是與螺旋結(jié)構(gòu)相符合的.根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn)威爾金斯猜想有三條多核苷酸鏈形成螺旋結(jié)構(gòu)”.1951年1月富蘭克林來(lái)到倫敦國(guó)王學(xué)院從事DNA纖維的晶體構(gòu)型的研究.同年9月她得到了相對(duì)濕度為90%以上的、后來(lái)稱為B型DNA的X射線衍射圖(見(jiàn)圖2).在這張圖上你能看到衍射強(qiáng)度呈十字交叉分布的最明顯的特征.1951年11月21日,在倫敦國(guó)王學(xué)院舉行的核酸結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)討論會(huì)上富蘭克林展示了這張圖,首先引起她注意的是子午線上0.34nm處的亮斑,她指出這兩個(gè)傾斜的亮斑的連線與子午線呈40°角,還指出赤道線上有強(qiáng)反射點(diǎn)和子午線上的2.7nm亮點(diǎn).她還測(cè)量出在這種狀態(tài)中的水含量為每個(gè)核苷酸有8個(gè)水分子.并得出磷酸基是在外邊的結(jié)論.在富蘭克林的筆記本上,她對(duì)這個(gè)階段的結(jié)果作出了解釋,提出了螺旋結(jié)構(gòu)的證據(jù).她認(rèn)為由于受力不平衡,解開(kāi)的直鏈?zhǔn)遣豢赡艽嬖诘?在結(jié)晶形式中子午線上反射的不存在,表明存在螺旋的構(gòu)型.在這種構(gòu)型中投影到纖維軸上的電子密度幾乎是相同的;強(qiáng)烈的2.7nm反射周期的存在,表明這個(gè)螺旋的螺距是2.7nm.3糖-磷酸脊骨模型的建立在倫敦國(guó)王學(xué)院1951年11月21日舉行的核酸結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)討論會(huì)后,沃森和克里克受到這些研究成果的的激勵(lì),立即著手建立模型的工作.他們結(jié)合基本的實(shí)驗(yàn)事實(shí):衍射圖形所顯示的螺旋特征,晶胞的尺寸,每個(gè)晶胞中堿基的數(shù)量和含水量,經(jīng)過(guò)一周的努力,構(gòu)建了一個(gè)三螺旋模型.他們把三條多核苷酸鏈以一定方式彼此纏繞在一起,作出了一個(gè)沿螺旋軸每隔2.8nm繞一周的螺旋模型.三條糖-磷酸主鏈盤繞在圓柱形分子的內(nèi)圓柱面上,靠鈉離子或鎂離子與磷酸根形成的鹽鍵相互連接.堿基在圓柱形分子的內(nèi)外圓柱面之間在垂直于螺旋軸的平面上(見(jiàn)圖3).至于多核苷酸鏈之間是由什么力維系著的問(wèn)題,克里克確信是金屬離子和磷酸基團(tuán)之間的靜電吸引力.1951年12月中旬他在一篇未發(fā)表的關(guān)于建模工作總結(jié)的文章中寫道:“這個(gè)結(jié)構(gòu)必定由帶電原子控制.除了在堿基環(huán)和水中以外,沒(méi)有原子能夠提供氫鍵.因此氫鍵在這個(gè)結(jié)構(gòu)中,不大可能像它在多肽α螺旋結(jié)構(gòu)中那樣起著控制的作用.靜電力相對(duì)于范德瓦爾斯(vanderWaals)力是如此之大,以致于我們可以確信,Na+和PO-2之間的靜電吸引力將主要決定這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”.克里克認(rèn)為不能用堿基中的氫鍵來(lái)建立一個(gè)有規(guī)則的結(jié)構(gòu)的理由是,由于他引入的化學(xué)限制,涉及到堿基被描述為具有幾種互變異構(gòu)的形式,這就意味著當(dāng)一個(gè)原子從這個(gè)分子上的一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置時(shí),一種形式就會(huì)改變?yōu)榱硪环N形式.因此他不同意在剛性的螺桿中,堿基中的氫鍵是使長(zhǎng)鏈保持在一起的力.沃森在《雙螺旋》中同樣認(rèn)為維系著多核苷酸鏈之間的力是鹽鍵.他指出“在這種鹽鍵里,兩價(jià)正離子如Mg++可以維系兩個(gè)或更多的磷酸基團(tuán).”他把鎂離子嵌進(jìn)糖-磷酸骨架之中,就得到了一種非常精致的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4).1951年12月中旬的一天,克里克和沃森邀請(qǐng)倫敦國(guó)王學(xué)院的晶體學(xué)家們來(lái)觀看他們制作的DNA三螺旋模型,并聽(tīng)取對(duì)方的意見(jiàn).當(dāng)克里克談到在這個(gè)由三條多核苷酸鏈組成的模型中,磷酸基團(tuán)之間是由Na+離子聯(lián)結(jié)時(shí),富蘭克林直截了當(dāng)?shù)刂赋?Na+離子由水分子外殼緊密地包圍著,這就意味著它們之間的電荷隔著一段距離,所以這些Na+離子很難于與磷酸基牢固地結(jié)合在一起,因而它們不可能是一個(gè)緊湊結(jié)構(gòu)的主要部分.富蘭克林隨之發(fā)現(xiàn)他們的含水量有錯(cuò)誤,并不是像沃森告知的每個(gè)晶胞中,即在24個(gè)核苷酸中有8個(gè)水分子,而是每個(gè)核苷酸中有8個(gè)水分子,即少了24倍.她還鄭重地表明糖-磷酸脊骨必須在分子圓柱的外邊,指出放在里邊是錯(cuò)誤的.富蘭克林指出的這一系列錯(cuò)誤,宣告了沃森和克里克首次建立的DNA三螺旋模型的失敗.此后半年,克里克回到了他的蛋白質(zhì)研究課題,沃森決定暫時(shí)轉(zhuǎn)向煙草花葉病毒(TMV)的研究.TMV中含有另一種核酸,即核糖核酸(RNA).1952年6月沃森得到所需的X射線圖譜,克里克指出了那些意義重大的螺旋反射.證明TMV是一種螺旋.由于對(duì)TMV的研究在短期內(nèi)不會(huì)有什么突破,他們又轉(zhuǎn)回到DNA的結(jié)構(gòu)上來(lái).4不同種類堿基的互補(bǔ)配對(duì)第一次建模失敗`后,DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仍然困擾著他們.沃森仍然喜歡賦予離子在這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性中具有關(guān)鍵的作用,但是他對(duì)二價(jià)金屬離子的熱情沒(méi)有影響克里克.克里克考慮的是由于在這些堿基上電荷的移動(dòng)產(chǎn)生的偶極子所引起的吸引力,現(xiàn)在叫做堆積力(stackingforces),即一個(gè)堆積在另一個(gè)上面的兩個(gè)堿基的偶極子之間的靜電吸引力.他請(qǐng)求一位劍橋年輕的數(shù)學(xué)家格里菲斯(GriffithJohn)計(jì)算同類堿基之間的這種吸引力.格里菲斯也是對(duì)生物學(xué)問(wèn)題很感興趣的人,他答應(yīng)計(jì)算.1952年6月的一天,當(dāng)克里克在茶會(huì)上見(jiàn)到格里菲斯時(shí),他問(wèn)格里菲斯是否做完了計(jì)算,格里菲斯回答說(shuō):“我做完了,而且我發(fā)現(xiàn)了腺嘌呤吸引胸腺嘧啶,鳥嘌呤吸引胞嘧啶.”這不是相同堿基之間的相互吸引,而是不同堿基之間的相互吸引.聽(tīng)到這話克里克并沒(méi)有不知所措,而是回答說(shuō):“好,那是完全正確的.A造成B,而B造成A,你正好有互補(bǔ)的復(fù)制”.這時(shí)克里克和格里菲斯都認(rèn)識(shí)到不同種類堿基之間優(yōu)先選擇的吸引必將導(dǎo)致互補(bǔ)的復(fù)制.事實(shí)上堿基的這種互補(bǔ)配對(duì)不是由堆積方向上的靜電吸引力引起,而是由垂直于纖維軸方向上的氫鍵引起的.格里菲斯還指出這些配對(duì)的堿基不是互相重疊,而是邊緣相接的.1952年7月的一天,肯德魯給沃森和克里克引見(jiàn)了正在拜訪劍橋的奧地利生物化學(xué)家查伽夫(ChargaffErwin,1905—).按照克里克的說(shuō)法,在這次會(huì)面中,他們作了如下的交談.首先,克里克問(wèn)查伽夫:“核酸研究工作進(jìn)展得怎樣?我們想知道這個(gè).”查伽夫略微遲疑了一下,回答道:“當(dāng)然,比例是1∶1.”克里克說(shuō):“指什么?”查伽夫說(shuō):“噢,都已經(jīng)發(fā)表了!”克里克沒(méi)有讀過(guò)這篇文獻(xiàn),所以他不知道.于是查伽夫告訴了他,指的是不同種類堿基總量的比例.從而使克里克大為吃驚,所以他記得這件事.克里克突然想到:“哎呀!我的上帝,如果是互補(bǔ)配對(duì),那么比例肯定是1∶1.”不過(guò)當(dāng)時(shí)他的確一點(diǎn)也想不起格里菲斯曾經(jīng)告訴過(guò)他什么.他不記得這些堿基的名稱,于是他去找格里菲斯,問(wèn)他那些堿基叫什么,并要求他寫下那些堿基.但是他又把查伽夫告訴他的東西忘了,于是他又回去看文獻(xiàn).令他驚奇的是,格里菲斯和查伽夫所說(shuō)的配對(duì)竟然一樣.在這個(gè)階段克里克把格里菲斯的計(jì)算和查伽夫的比例聯(lián)系起來(lái),認(rèn)識(shí)到堿基的互補(bǔ)配對(duì)可以解釋不同種類堿基總量比例為1∶1的規(guī)則,而這個(gè)1∶1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又可以驗(yàn)證堿基互補(bǔ)配對(duì)思想的正確性.所以克里克說(shuō):“查伽夫規(guī)則意味著堿基互補(bǔ)配對(duì).”從而使他認(rèn)識(shí)到不同類型的堿基配對(duì)可能是DNA分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ).這個(gè)認(rèn)識(shí)極為重要,因?yàn)樗沂境鯠NA分子如何被維系在一起,以及如何復(fù)制自己.然而還沒(méi)有證據(jù)表明DNA分子由幾條鏈組成,或者鏈與鏈之間的空間關(guān)系如何.5a型dna的堿基間距離1938年阿斯特佰里根據(jù)DNA的密度為1.63g/cc的測(cè)量值,得到DNA的主鏈數(shù)不少于2、不多于4的結(jié)論.這表明晶體學(xué)的密度數(shù)據(jù)能夠用于分析討論DNA的主鏈數(shù).后來(lái)威爾金斯認(rèn)識(shí)到早期主張3條鏈的決定是草率的.1951年富蘭克林把A型DNA的含水量估計(jì)為42%,連同阿斯特佰里把DNA的密度估計(jì)為1.63g/cc,給出了在每個(gè)晶胞中大約有46個(gè)核苷酸.她后來(lái)的工作表明他們測(cè)量的含水量在改變,所以這個(gè)結(jié)果并不是令人完全滿意的.1953年1月富蘭克林在她作的1952年的年度報(bào)告中說(shuō):“如果A型DNA的含水量在干重量的22%到50%之間,那么在每個(gè)晶胞(unitcell)中核苷酸的數(shù)目就處在44到56之間,由于在每個(gè)晶胞中每條鏈上有11個(gè)核苷酸因此密度測(cè)量說(shuō)明有4條鏈通過(guò)這個(gè)晶胞.或者是與每個(gè)晶格對(duì)(latticepair)相聯(lián)系的二條鏈”.沃森在1953年1月最后一周的星期五拜訪了倫敦國(guó)王學(xué)院,從威爾金斯那里他知道了富蘭克林報(bào)告的全部?jī)?nèi)容.他問(wèn)威爾金斯:“你們?yōu)楹纹珢?ài)3條鏈?”威爾金斯回答:“那是由于這個(gè)密度值.”威爾金斯把富蘭克林最近工作的一些結(jié)果告訴沃森,在由DNA的A型變到B型的過(guò)程中,這條軸的周期性長(zhǎng)度(即螺距)由0.28nm變到0.34nm,纖維長(zhǎng)度大約增加了20%.由于B型DNA的堿基間的距離是0.34nm,因此A型DNA的堿基間的距離必定是0.34nm×0.8=0.27nm.A型DNA在一個(gè)螺距中堿基的數(shù)目必定是2.8÷0.27≈10.如果采用三螺旋,在這個(gè)晶胞中的堿基數(shù)很可能是30、60、或90;如果是雙螺旋很可能是20、40或80.富蘭克林的數(shù)值為46,它是接近于40而不是30或60,因此雙螺旋比三螺旋更有可能.這時(shí)需要沃森在兩條鏈和三條鏈之間作出選擇,他決定制作一個(gè)雙鏈模型.他說(shuō):“克里克一定會(huì)同意.盡管他是一個(gè)物理學(xué)家,他也知道重要的生物體都是成對(duì)出現(xiàn)的.”后來(lái)克里克接受了沃森的關(guān)于“在生物系統(tǒng)中成對(duì)生物體的重復(fù)發(fā)現(xiàn)告訴我們必須建立兩鏈模型”的主張,并且在這個(gè)說(shuō)法下劃了一條線.關(guān)于主鏈的位置,早在1951年11月富蘭克林根據(jù)X射線衍射圖的特征,已經(jīng)明確指出磷酸基-糖鏈在DNA分子的外邊.但是沃森和克里克在他們首次建立的模型中并沒(méi)有使用這個(gè)重要的信息,于是受到了富蘭克林的批評(píng).富蘭克林指出把含水的磷酸基放在里邊,這些水必然會(huì)成為這個(gè)結(jié)構(gòu)的一部分,如果磷酸基在外邊,這些水只能在水合物周圍擺動(dòng).富蘭克林還從電子密度圖上在直徑為1.8nm處的強(qiáng)烈散射,得出磷酸基-糖鏈在DNA結(jié)構(gòu)外邊的結(jié)論.沃森和克里克把主鏈放在里邊,堿基放在外邊的理由是“只要這些堿基在外邊,人們就不必?fù)?dān)心把它們?nèi)绾窝b進(jìn)去.”沃森在《雙螺旋》一書中說(shuō):“堿基要是在里邊,問(wèn)題就麻煩了.怎樣才能把帶有不規(guī)則堿基順序的兩條或多條的多核苷酸鏈包裝在一起?”經(jīng)過(guò)對(duì)包裝問(wèn)題的分析和思考,最后沃森建立了主鏈在外的模型.關(guān)于主鏈的方向,DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)式表明單核苷酸是由堿基、脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成.脫氧核糖上碳原子的位置以1’到5’表示.DNA內(nèi)的單核苷酸是通過(guò)脫氧核糖上的3’位置和5’位置之間的磷酸二酯鍵(phosphate-di-esterlinkage)彼此連接起來(lái).1953年2月佩魯茲把在1952年1