探索DNA双螺旋结构，人类开始破译生命密码(富兰克林做出了贡献)

导读：68年前的今天，沃森(Watson JD）和克里克(Crick FHC)发表论文，提出DNA双螺旋结构，人类自此开始破译生命密码。

如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上

——牛顿

牛顿说过，如果说我比别人看得更远些,那是因为我站在了巨人的肩上。沃森和克里克自然也不例外，20世纪上半叶以来无数的科学家们就DNA开展众多研究，并取得多角度多层面的研究成果，这些成果对于后续沃森和克里克研究DNA双螺旋结构提供了巨大的帮助。

| 多角度多层面多领域的研究成果

回顾DNA发现前的50年，最先是以孟德尔基本遗传定律为开端, 自此人们确定基因（DNA）是遗传物质，定位在染色体上。

随后就脱氧核糖核苷酸（DNA）与蛋白质谁是基因的物质载体展开激烈讨论，最后在科赛尔（Albrecht Kossel）及其学生莱文（P.A.T.Levine）的努力下，得出了DNA所含4种核苷酸的分子数均相等的结论，明确DNA的基本结构单位是不是单个的核苷酸， 而是按某种固定顺序（ACGT）排好的4个一组的所谓四核苷酸。

但莱文“四核苷酸假说”随后就被著名核酸专家查尔夫（ Chargaff）推翻，他利用滤纸层析/紫外吸收光谱技术分析了从哺乳动物到细菌多种生物来源DNA的碱基组成。证明DNA 中4种核苷酸的分子数并不相等，更为重要的是，他发现在任何分析过的DNA样品中，腺嘌呤数（A）与胸腺嘧啶数（T）总是相等的，并且鸟嘌呤数（G）也总与胞嘧啶数（C）相等。即A=T和G=C或A:T=G:C=1，我们现在称之为Chargaff比率或查尔夫定律。

然而查尔夫本人并未认识到这个特殊数据所指向的特殊含义，而正是这一规律恰恰就启发沃森和克里克 ，并最终解决了DNA双链间的碱基与碱基如何配对连结的问题, 同时也为破解DNA自我复制之谜做出了贡献 。

物理学家的适时加入

在此基础上，罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)、薛定谔（E. Schrödinger）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，这也深深影响了沃森和克里克。

图片来源：百度 （富兰克林）

罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)是一位X-射线晶体学家、物理学家。她在当时被安排在威尔金斯手下。威尔金斯此前已经做过多年DNA分子结构研究，并且拍到了DNA分子的X-射线衍射图A型图，但并不能证明DNA分子呈螺旋状。

由于富兰克林经验丰富，技术纯熟，很快富兰克林就应用X- 射线衍射技术获得了DNA分子的X-射线衍射图B型图。这张B型图很能说明DNA分子结构呈螺旋形。

DNA分子的X-射线衍射图B型图

图片来源：世界名著——《双螺旋》

遗憾的是，当时她没有看到嘌呤-嘧啶碱基通过氢键配对和两条糖-磷酸骨架链的相反走向这两个关键信息。因而DNA双螺旋结构这个重大发现就只能与之失之交臂。

三次尝试构建DNA模型

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，两个志同道合的青年一见如故，在那里开始了他们后续震惊全人类的尝试。

第一次尝试：沃森和克里克分析威尔金斯、富兰克林的DNA衍射图谱得出DNA分子呈螺旋结构，他们尝试多种双螺旋和三螺旋，让碱基位于外部，很快这种结构被否定，因为含氮碱基为疏水部分，磷酸和五碳糖为亲水部分，应该亲水部分在外，疏水部分在内。

第二次尝试：沃森和克里克建构磷酸和脱氧核糖在外、碱基在内部的双螺旋结构，但A与A配对、T与T配对( 同型碱基配对) ，又被化学家否定。

第三次尝试：沃森和克里克参照查尔夫和富兰克林的研究成果建构新的DNA模型，发现A-T碱基对与G-C碱基对具有相同的形状和直径，这样组成的DNA分子呈规则的双链结构，具有稳定的直径，并提出A与T、G、C 配对的碱基互补配对原则，其中碱基对以氢键相连。

图片来源：人民卫生出版社《生物化学》第七版

最终，沃森和克里克建构的DNA双螺旋结构模型被认可，是因为这一模型与原型——DNA分子的X-射线衍射图相符。

1953年4月25日，沃森和克里克在《Nature》周刊发表了这篇仅有900多字的文章：

MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC AIDS

（DNA的分子结构）

生物教材上的沃森与克里克

论文正文：

我们拟提出脱氧核糖核酸 (DNA)盐的一种结构。这种结构的崭新特点具有重要的生物学意义。

鲍林和考瑞曾提出过一个核酸结构。他们在发表这一结构之前，欣然将手稿送给我们一阅。他们的模型包含磷酸接近纤维袖，碱基在外周的三条多核苷酸链。

我们觉得这样的结构是不够满意的，其理由有二：

(1)我们认为进行过X射线衍射分析的样品是DNA的盐而不是游离的酸。没有酸性氢原子，接近轴心并带负电的磷酸会相互排斥。在这样的条件下，究竟是什么力量把这种结构维系在一起，尚不清楚。

(2)范德瓦尔力距似显太小。弗雷泽曾提出过另外一种三条多核苷酸 链的结构(将出版)。在他的模型中，磷酸在外边，碱基在内部，并由氢键维系着。他描述的这种结构也不够完善，因此，我们将不予评论。

我们拟提出一个完全不同的脱氧核糖核酸盐的结构。该结构具有绕同一轴心旋转的两条螺旋链(见图)。根据化学常识我们假定，每条链包括联结β-D-脱氧呋喃核糖的3',5'磷酸二酯键。两条链(不是它们的碱基)与纤维轴旋转对称垂直，并呈右手螺旋。由于旋转对称性，两条链的原子顺序方向相反。每条链都与弗尔伯格的第一号模型粗略地相似;即碱基在螺旋内部，磷酸在外边。

糖的构型及其附近的原子与弗尔伯格“标准构型”相似，即糖和与其相联的碱基大致相垂直。每条链在z向每隔3.4埃有一个核苷酸。我们假定，同一条链中相邻核苷酸之间呈36度角，因此，一条链每10个核苷酸，即34埃出现一次螺旋重复。磷原子与纤维轴之间的距离为10埃。因为磷酸基团在螺旋的外部，正离子则易于接近它们。

这个结构模型仍然有值得商榷之处，其含水量偏高，在含水量偏低的情况下，碱基倾斜，DNA的结构会更加紧凑些。这个结构的一个新特点就是通过嘌呤和嘧啶碱基将两条链联系在一起。碱基平面与纤维轴垂直。一条链的碱基与另一条链的碱基通过氢键联系起来形成碱基对。两条链肩并肩地沿共同的之向联系在一起。为了形成氢键，碱基对中必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶。在碱基上形成氢键的位置为嘌呤的1位对嘧啶的1位;嘌呤的6位对嘧啶的6位。

假定核酸结构中碱基仅以通常的互变异构形成(即酮式而非醇式构型)出现，则只能形成专一的碱基对。这些专一碱基对为：腺嘌呤(嘌呤)和胸腺嘧啶(嘧啶)，鸟嘌呤(嘌呤)和胞嘧啶(嘧啶)。

换言之。按照这种假设，如果一个碱基对中有一个腺嘌呤，在另一条链上则必然是胸腺嘧啶。同样地，一条链上是鸟嘌呤，另一条链上必是胞嘧啶。多核苷酸链的碱基顺序不受任何限制。因此，如果仅仅存在专一碱基对的话，那么，知道了一条链的碱基顺序，则另一条链的碱基顺序自然也就决定了。