DNA结构与X射线晶体学：揭秘遗传科学

下一个问题是：既然基因就是有遗传效应的DNA片断，而DNA是单一物质，组成成分又只有嘌呤、嘧啶、脱氧核糖和磷等几种，那么它到底是怎样代表生物体多种多样性状的呢？

这也是当时研究生物化学的科学家们非常感兴趣的一个问题。 有很多人想到，秘密非常可能就隐藏在DNA的化学结构里面。 因此，许多研究物质结构的科学家就把研究方向指向了DNA。

那时X射线晶体学得到了很大的发展，用X射线衍射方法（图3）已经测定了许多简单有机化合物的立体结构。 而且已经搞清楚，嘌呤和嘧啶（这两者简称“碱基”，它们的分子形状都是平面）在和核糖或脱氧核糖以及磷酸连接起来形成“核苷酸”的时候，碱基分子的平面和核糖及脱氧核糖的分子平面互相垂直，但它们怎样一个个再连成DNA分子还不知道。 因此，X射线晶体学家也想用这种方法来测定DNA的分子结构。

图3 X射线晶体学的原理

对X射线，我们都不会陌生。 体检的时候，医生常用它做透视，以便发现肺里的病灶。 X射线其实是一种光。 我们知道，光具有像水波一样的波动性质。 当光（X射线）射过排列很整齐的物质微粒（晶体）时，它的波动会发生有规律的变化，叫衍射。 而且这些变化可以用仪器（有点像普通照相用的带胶卷的照相机）记录下来，得到一种很漂亮的图像，像万花筒的图像一样，叫做电子衍射图。 这些变化反映了X射线所通过的物质微粒的排列规律。 然后，对衍射图进行数学分析，就能得到分子的立体图像。 这种立体图像表示在分子里各个原子周围飞速运动的电子在原子附近出现的概率，像云雾一样，有稀有密，叫“电子密度图”（图4）。 电子密度图中的一圈圈的曲线，和地图上的等高线一样，表示不同的电子密度；同一根曲线上的电子密度相同。 把分析结果做成分子模型，就可以得知组成晶体的物质分子的精细结构。 这就相当于把组成晶体的分子“放大”了成千上万倍甚至上亿倍。

图4 青蒿素分子的电子密度图

因此，要用X射线晶体学来分析DNA的结构，关键是要把DNA做成结晶。 但是，DNA和糖、盐那样的简单化合物不同，甚至和蛋白质也不一样。 糖、盐、蛋白质都能形成结晶体，DNA的浓溶液却是像鼻涕一样黏糊糊的，怎么也成不了像糖、盐和蛋白质一样的结晶。 但是，科学家们是善于动脑筋的。 结晶的本质是分子形成整齐的排列。 对于没法把它们结晶的线型分子，只要想办法让它们“排”起“队”来，不也可以形成整齐的排列吗？ 我们知道，如果几根长线不互相缠结，那么只要把两头抓在一起一拉，就把它们拉成整齐的平行排列了。 科学家们也就用“拉长绳”的办法，把DNA浓溶液像拉牛皮糖似的拉成长丝；幸好在分子水平上，DNA不会像绳子一样打结。 英国年轻的X射线晶体学家、当时在伦敦国王学院工作的罗莎林德·富兰克琳（R.Franklin，见下页图5）和威尔金斯（M. Wilkins）等人想了种种办法，例如控制DNA溶液的含水量，经过反复的努力，果然得到了接近结晶态的DNA丝，用它做X射线衍射实验，得到了可以做数学分析的衍射图。 他们对衍射图做了计算，结合前人的研究结果，推论出DNA分子具有以下的特点：

第一，DNA分子是螺旋状，螺旋的直径为20Å（“Å”读“埃”，1Å=1×10-8厘米，即1亿分之1厘米）；(www.xing528.com)

第二，核苷酸相互连成长链并缠绕成双股，碱基在双股螺旋的内面，磷酸基团在螺旋外面。

图5 罗莎林德·富兰克琳

这两条已经大概刻画出了DNA的分子结构。 根据这些事实，同样结合前人的研究结果，富兰克琳和威尔金斯的同事沃森（J.Watson）、克里克（F.Crick）用搭建DNA分子模型的方法对DNA分子的精细结构做了进一步推断，并且确认了两条链上碱基的存在严格遵循这样的规则：腺嘌呤（adenine，A）必定和胸腺嘧啶（thymine，T）相对，并通过两个氢键互相连接；鸟嘌呤（guanine，G）必定和胞嘧啶（cytosine，C）相对并通过三个氢键互相连接，这就是“碱基配对原理”（图6）。 我们现在知道，这是DNA最重要的性质。 而且，RNA碱基和DNA碱基之间也遵循相同的碱基配对原理；只是RNA特有的尿嘧啶核苷酸（U）与A（不管是RNA的A还是DNA的A）通过氢键配对。 这里要解释一下，氢键是一种分子或化学基团相互连接的方式，是通过一个基团上的外部氢原子和另一基团的氮或氧原子的外部电子云（飞速旋转的电子）形成的化学键。 氢键一般是牢固的，但温度升高可以把氢键拆开。 我们把DNA的氢键被拆开的现象叫做“变性”。 请读者记住这个名称，以后我们还会提到它。

图6 碱基配对原理

1953年春天，沃森、克里克、富兰克琳和威尔金斯提出了关于DNA分子结构的假说：DNA分子是由两条多聚核苷酸链通过碱基配对互相缠绕成的螺旋形双链（图7），碱基处于螺旋内部并与螺旋轴垂直；磷酸基团处于螺旋外侧；碱基配对遵循A-T、G-C的规则。 在他们的简短论文中，他们强调已注意到了这样的分子结构在遗传中的作用。 他们的三篇论文同时发表在国际科学杂志《自然》（Nature）1953年4月25日的第171（总4356）期上［1～3］。

图7 DNA的立体结构

由于沃森、克里克、富兰克琳和威尔金斯等科学家脚踏实地的研究和密切合作，他们提出的DNA结构是完全正确的，很快就得到了国际科学界的证实。1962年，沃森、克里克和威尔金斯为此获得了诺贝尔生理学或医学奖。 可是，对确定DNA结构做出至少同样重大贡献的富兰克琳却没有得奖：非常不幸，她因患癌，于1958年，仅37岁就英年早逝了。 为了纪念这位杰出的年轻女科学家，2000年，英国伦敦国王学院命名了“富兰克琳-威尔金斯大楼”；2004年，美国原芝加哥医学院更名为“罗莎林德·富兰克琳医科大学”；2008年，美国哥伦比亚大学追授她露伊莎·格罗丝·霍尔维兹生物学或生物化学纪念奖。