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DNA分子

DNA即脱氧核糖核酸(英文Deoxyribonucleic acid的缩写),又称氧核糖核苷酸,是染色体主要组成成分,同时也是主要遗传物质

有时被称为“遗传微粒”,因为在繁殖过程中,父代把它们自己DNA的一半复制传递到子代中,从而完成性状的传播。原核细胞染色体是一个长DNA分子。真核细胞核中有不止一个染色体,每个染色单体也只含一个DNA分子。不过它们一般都比原核细胞中的DNA分子大而且和蛋白质结合在一起。DNA分子的功能是贮存决定物种性状的几乎所有蛋白质和RNA分子的全部遗传信息;编码和设计生物有机体在一定的时空中有序地转录基因和表达蛋白完成定向发育的所有程序;初步确定了生物独有的性状和个性以及和环境相互作用时所有的应激反应.除染色体DNA外,有极少量结构不同的DNA存在于真核细胞线粒体叶绿体中。DNA病毒的遗传物质也是DNA,极少数为RNA.

DNA的组成元素

碳( C)、(H)、(O)、氮(N)、磷(P)

DNA分子特性

稳定性 DNA分子的双螺旋结构是相对稳定的。这是因为在DNA分子双螺旋结构的内侧,通过氢键形成的碱基对,使两条脱氧核苷酸长链稳固地并联起来。另外,碱基对之间纵向的相互作用力也进一步加固了DNA分子的稳定性。各个碱基对之间的这种纵向的相互作用力叫做碱基堆集力,它是芳香族碱基π电子间的相互作用引起的。现在普遍认为碱基堆集力是稳定DNA结构的最重要的因素。再有,双螺旋外侧负电荷的磷酸基团同带正电荷的阳离子之间形成的离子键,可以减少双链间的静电斥力,因而对DNA双螺旋结构也有一定的稳定作用。

多样性 DNA分子由于碱基对的数量不同,碱基对的排列顺序千变万化,因而构成了DNA分子的多样性。例如,一个具有4 000个碱基对的DNA分子所携带的遗传信息是4种,即10种。

特异性 不同的DNA分子由于碱基对的排列顺序存在着差异,因此,每一个DNA分子的碱基对都有其特定的排列顺序,这种特定的排列顺序包含着特定的遗传信息,从而使DNA分子具有特异性。

DNA结构的发现是科学史上最具传奇性的“章节”之一。发现DNA结构是划时代的成就,但发现它的方法是模型建构法,模型建构法就像小孩子拼图游戏一样的“拼凑”法。而在这场“拼凑”中表现最出色的是沃森和克里克

1928年4月6日,沃森出生于美国芝加哥。16岁就在芝加哥大学毕业,获得动物学学士学位,在生物学方面开始显露才华。22岁时取得博士学位,随后沃森来到英国剑桥大学卡文迪什实验室,结识了早先已在这里工作的克里克,从此开始了两人传奇般的合作生涯。克里克于1916年6月8日生于英格兰的北安普敦,21岁在伦敦大学毕业。二战结束后,来到剑桥的卡文迪什实验室,克里克和沃森一样,对DNA有着浓厚的兴趣,从物理学转向研究生物学。

当时人们已经知道,DNA是一种细长的高分子化合物,由一系列脱氧核苷酸链构成,脱氧核苷酸又是由脱氧核糖、磷酸和含氮碱基组成,碱基有4种,分别是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。在1951年,很多科学家对DNA的结构研究展开了一场竞赛。当时有两个著名的DNA分子研究小组,一个是以著名的物理学家威尔金斯和化学家富兰克林为首的英国皇家学院研究小组,他们主要用X射线衍射来研究DNA结构。一个是以著名化学家鲍林为首的美国加州理工大学研究小组,他们主要用模型建构法研究DNA结构,并且已经用该方法发现蛋白质a螺旋。

1951年2月,威尔金斯将富兰克林拍的一张非常精美的DNA的X光衍射照片在意大利举行的生物大分子结构会议上展示,一直对DNA有浓厚兴趣的沃森看到这张图时,激动得话也说不出来,他的心怦怦直跳,根据此图他断定DNA的结构是一个螺旋体。他打定主意要制作一个DNA模型。他把这种想法告诉了他的合作者克里克,得到了克里克的认可。

沃森和克里克构建DNA分子结构模型的工作始于1951年秋。他们用模型构建法,仿照著名化学家鲍林构建蛋白质α螺旋模型的方法,根据结晶学的数据,用纸和铁丝搭配脱氧核苷酸。

他们构建了一个又一个模型,都被否定了。但沃森坚持认为,DNA分子可能是一种双链结构。因为自然界中的事物,很多是成双成对的,细胞中的染色体也是成对的。之后他们分别完成了以脱氧核糖和磷酸交替排列为基本骨架,碱基排在外面的双螺旋结构(如图一),和以脱氧核糖和磷酸交替排

列为基本骨架,碱基排在内部,且同型碱基配对的双螺旋结构(如图二)。

1952年,生物化学家查伽夫访问剑桥大学时向报道了他对人、猪、牛、羊、细菌和酵母等不同生物DNA进行分析的结果。查伽夫的结果表明,虽然在不同生物的DNA之间,4种脱氧核苷酸的数量和相对比例很不相同,但无论哪种物质的DNA中,都有A=T和G=C,这被称为DNA化学组成的“查伽夫法则”。1952年7月,查伽夫访问卡文迪什实验室时,向克里克详细解释了A:T=G:C=1:1的法则。之后,克里克的朋友,理论化学家格里菲斯通过计算表明,DNA的4种脱氧核苷酸中,A必须与T成键,G必须与C成键。这与查伽夫法则完成一致。随后,鲍林以前的同事多诺告诉沃森,A-T和G-C配对是靠氢键维系的。以上这些工作,就成了沃森和克里克DNA分子模型中AT配对、G=C配对结构的基础。

至此,DNA模型已经浮现。2月28日,沃森用纸板做成4种碱基的模型,将纸板粘到骨架上朝向中心配对,克里克马上指出,只有两条单链的走向相反才能使碱基完善配对,这正好与X光衍射资料一致。完整的DNA分子结构模型完成于1953年3月7日。根据这个模型,DNA分子是一个双螺旋结构,每一个螺旋单位包含10对碱基,长度为34埃(1埃=10-10米)。螺旋直径为20埃。4月15日,沃森和克里克关于该模型的第一篇论文在《自然》(Nature)杂志上发表。

DNA分子双螺旋结构模型的发现,是生物学史上的一座里程碑,它为DNA复制提供了构型上的解释,使人们对DNA作为基因的物质基础不再怀疑,并且奠定了分子遗传学的基础。DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的。

有人说沃森和克里克的诺贝尔奖是站在“巨人的脚趾”上获得的,我不这么认为,在X光衍射照片的基础上,运用鲍林研究蛋白质螺旋的方法,综合DNA化学研究方面的资料,沃森和克里克,特别是沃森,有着更宽广的眼界,从各专家处汲取所需,而得到新的综合结果,而且这种综合结果比其各部分更伟大,这是那些不能聚木为林的专家们无法领悟到

DNA分子结构

DNA分子是以4种脱氧核苷酸为单位连接而成的长链,这4种脱氧核苷酸分别含有A,T,C,G四种碱基

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