伟大的双螺旋.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,伟大的双螺旋,.,1953年2月28日中午，剑桥大学的两位年轻的科学家弗朗西斯克里克和詹姆斯沃森步入老鹰酒吧，宣布他们的发现：DNA是由两条核苷酸链组成的双螺旋结构。,.,这家著名的酒吧位于剑桥大学国王学院斜对面，酒吧的标志是一只展开翅膀的老鹰，英文名字就叫TheEaglePub。现在酒吧门口专门有一个介绍这段历史的牌子。当时沃森和克里克在剑桥大学非常普通，甚至有些不得志，沃森才25岁，克里克也不过37岁。他们甚至连一 个正式宣布成果的场合都很难找到，到酒吧宣布如此伟大的一项发现总给人一种滑稽的感觉，幸好剑桥人的素质很高，当时并没有人把他们当成疯子轰走。,.,科普作家Freeland和Judson把发现DNA 结构称为,创世纪的第八天,。,Crick和watson就是这“第八天”的开创者，是他们打开了分子生物学的大门，人类社会为之一变。科学界所能提供的最高荣誉,1962年的诺贝尔奖,.,否认核酸是遗传物质的科学家的主要论据是：“核酸怎么能够用四种核苷酸来包含生物界如此繁复的基因，既然蛋白质是功能的执行者，核酸怎么能够把信息传递出去？”,首先需要解决的问题是核酸的结构,核酸分子量通常很大，比蛋白质还要大，那么这条长链在空间到底是什么样的结构呢？,.,通常提到DNA的双螺旋结构，人们通常想到的是两个人：Crick和watson；因发现DNA的构象而获1962年诺贝尔生理医学奖的有三个人，Crick、watson和M.H.F.Wilkins；,Watson 在他著名的回忆录双螺旋中这样说：“双螺旋结构的发现不象报纸上说得那么简单，它是五个人之间的事情：Wilkins、Franklin、L.Pauling、Crick和我。”,.,为什么拥有X衍射照片的R.Franklin没有发现，而Crick和watson在看过她的照片后一鸣惊人？为什么对结构有深刻研究且刚刚阐明蛋白质的-螺旋结构的L.Pauling在这场竞争中会落到了后面？科学家们最想知道的是：怎样才能从实验数据中找出隐藏在背后的真理？,无数科学家都曾经思考过这样一个问题：为什么发现双螺旋结构的会是Crick和watson，他们一个还在为博士论文挣扎，另一个不过刚刚25岁？,.,Francis Harry Compton Crick 于1916年出生在英格兰的诺萨姆敦，他的父亲是个商人，专营鞋类。第一次世界大战后英国百夜萧条，Crick 鞋厂是数千个破产的公司之一。Crick 的父亲决定举家迁到伦敦，虽然在那里的生活不能和旧时相比，但父亲的另一个心愿实现了，家中的男孩都得到了更好的教育。,Crick 自幼显示出了对物理和数学的热爱和天分，他的中学校长回忆说，Crick 是一个：“非常能干”且“自许甚高”的学生，他高亢刺耳的笑声和口若悬河的本事令他对印象深刻。校长的回忆是准确的，Crick 的笑声和他的健谈为他日后的工作增添了许多麻烦,.,在Crick的博士工作即将完成时，第二次世界大战爆发了，Crick 的命运也随之改变。他被迫中断研究，前往特丁顿的海军总部研究实验室报道，研究能够躲过德军反水雷装置的水雷。只要德国发现一种可以侦测并摧毁英国水雷的方法，该实验室就需要研究出另一种新式的水雷。,Crick 在大学学院获得理学学士后，继续学习他喜欢的物理，他研究的主题是水在高温时的凝滞性。,在研究水雷中，Crick的天才便脱颖而出，他具有一种特殊的能力，可以洞悉复杂而困难的问题，并适时提出新颖实用的方案。,.,但Crick在实验室中并不受欢迎，因为他常常告诉他的同事说，他们所讨论的内容都是没有用的东西。大战结束后，Crick被派前往伦敦的海军情报部，他的研究主题是粒子物理或量子物理在生物上的应用。这是Crick第一次正式地与生物学打交道。,1947年秋，Crick来到剑桥的Stramgeways实验室，从事细胞方面的研究。虽然Stramgeways实验室的研究条件很不错，但它并不合Crick的意。因为他所喜欢的物理和化学派不上用场。,.,年底，在J.Kendrew的建议下Crick发表了一个演讲，题为令人疯狂的探求。在他20分钟的演讲中，Crick直截了当地告诉Perutz、Bragg和Kendrew，他们的方法和结论是错误的，完全没有顾及三位科学家的面子（Bragg于1905年获诺贝尔物理奖，当时卡文迪许实验室的负责人；Perutz和Kendrew于12年后同获1962年的诺贝尔化学奖）。,不久后，他转到卡文迪许实验室用X射线分析蛋白质晶体结构的M.Perutz小组，物理学和生物学的结合部。在卡文迪许实验室的第一年内，Crick全心投入到一个完全陌生的主题蛋白质X射线衍射中。,Crick之所以没有被赶走，是因为三位科学家很快了解到Crick的批评是完正确的。但Crick在实验室并不如意，他健谈的毛病和缺乏应有礼貌的特点让他差点丢掉在卡文迪许实验室的位置。他没有遇到一个能真心听他宣讲的人，直到Watson的出现。,.,Watson比Crick小12岁，于1928年出生于美国的芝加哥。少年时的Watson才智过人，15岁从高中毕业，随即进入芝加哥大学学习，四年后获得哲学及理科两项学士学位。但Watson的理想不是从事科学，他对大自然抱着极为浓厚的兴趣，最大的心愿是能成为纽约市的美国自然历史博物馆馆长,在印第安那大学攻读博士时，Watson来到了当时世界上最伟大的遗传学家之一Hermann J.Muller的身边，和Crick一样，因为Muller研究的果蝇太偏向生物学的范围，Watson想了解的却是他感兴趣的基因的物理特性，Watson离开了Muller的实验室。,.,他把他的注意力转移到了噬菌体一种感染细菌的病毒。噬菌体是当时的研究热门，40年代初，某些科学家认为噬菌体的研究将能提供基因本质及遗传本质的最佳信息。而许多敏锐的遗传学家开始怀疑噬菌体可能就是赤裸的基因。,Watson加入了S.Luria 和M.Dellbruck的“美国噬菌体小组。”22岁时，Watson顺利地取得了他的博士学位。,但不可否认对于Watson也不能回避的一个问题就是他的化学水平和他想从事的研究不符。因此指导教授S.Luria建议Watson去丹麦生化学家H.Kalckar门下做博士后工作。但在丹麦的时光，没有给Watson一丝他想要的东西，H.Kalckar对核酸根本不感兴趣，他正陷在婚姻危机中，无暇对Watson做什么指导。,.,无聊中的Watson在那不勒斯的一次科学会议上遇到了日后和他一起分享诺贝尔奖的 M.Wilkins，Watson的人生道路再次改变。在这次会议上，M.Wilkins展示了一些DNA分子的晶体衍射照片打动了Watson，他回忆说：“刹那间，化学令我有一种莫名的兴奋。”如果说M.Wilkins的展示打动了Watson，那么几天后L.Pauling研究出-螺旋结构的新闻坚定了Watson的决心，他准备从事晶体结构分析的研究了。1951年，Watson来到剑桥卡文迪许实验室，遇到了Francis Harry Compton Crick。,.,他们已经记不起第一次会面的细节，但两人都记得，那次会面的确有些不寻常的事情发生了，他们同时发现对方对DNA、基因、遗传物质的看法如此地一致，如此地与众不同。有人形容说，他们之间甚至不需要言语，即可了解对方的想法。,在剑桥，他们被分到一间远离其他研究人员的办公室工作，因为如此一来，他们便能在“不干扰其他科学家的情况下讨论事情。”很快地他们话题的重点便集中在彼此最关心的事情上，他们必须尽快找出DNA分子的组成方式。,.,在剑桥，他们被分到一间远离其他研究人员的办公室工作，因为如此一来，他们便能在“不干扰其他科学家的情况下讨论事情。”很快地他们话题的重点便集中在彼此最关心的事情上，他们必须尽快找出DNA分子的组成方式。,Crick和Watson面前的第二个困难是没有DNA结构的优先研究权。研究DNA结构的工作在国王学院已经有人在着手进行，此人正是Watson在那不勒斯遇到的M.Wilkins，他也是Crick的好朋友。英国科学界崇尚一种绅士风度，讲求“公平游戏”（fair play）。一个课题如果已被研究，则其他小组不宜再从事此项研究。,.,但从某种角度上说，Crick和Watson的工作是建立在M.Wilkins和R.Franklin的工作之上的。Crick和Watson所用的晶体衍射照片都来自于国王学院M.Wilkins的实验室。,.,Watson和Crick已经知道世界上最伟大的化学家L.Pauling也在研究DNA结构，他们都是L.Pauling的崇拜者，对Pauling用建立模型分析出蛋白质-螺旋结构的方法更是无比敬服。他们几乎从开始就觉得只有用Pauling的方法先建立可能的模型，再与X射线衍射照片的结果比较才能分析出DNA结构。,国王学院的研究者M.Wilkins和R.Franklin采用的方法和Watson和Crick 的不同，他们的宗旨是让实验数据说话。在搜集到足够多的数据前讨论DNA分子结构是愚蠢的,对于结构简单、有规则的大分子，先根据键角、键长等一系列数据有可能建立起模型，顿时可以排除许多种不可能的结构，再和实验数据比较，工作量要减轻很多,.,R.Franklin是位杰出的女性，她所拍X射线衍射照片效果极佳。但遗憾的是，她和Wilkins，她的上司，合作并不愉快，几乎到了分裂的边缘。如果说他们之间有一丝相同，那就是对待实验的态度。他们把实验放在第一位，把精力放在获得高质量的衍射照片上。R.Franklin作为女性更是一丝不苟，她将所得到的衍射照片根据DNA晶体类型分门别类，依次研究,虽然R.Franklin发现第51号影象图谱，B型DNA的一张衍射照片，效果非常好，是当时最清楚的照片。她仍然决定先完成手上正在做的A型DNA影象图谱的分析工作。这张“第51号影象图谱”如今已经成为了历史文件，Watson和Crick就是凭此照片发现了DNA的双螺旋结构。,DNA分子在不同的湿度条件和不同的盐离子浓度下的空间结构不同，其中最著名的A型、B型是R.Franklin发现并命名的。,.,Watson和Crick提出第一个DNA结构模型是在1951年,经过一系列数学运算，他们发现只有几种可能的结构满足这些数据和Cochran-Crick理论（预测晶体中的螺旋结构），一个DNA分子中可能包括24条链，这取决于DNA链绕轴的角度和半径,在Watson和Crick的模型中几条糖-磷酸链居中，碱基指向外面。剩下来的问题是高负电荷的糖-磷酸链如何能凑到一起，Watson和Crick把两价阳离子引了进来。Watson开始用实验室已有的原子模型拼凑DNA分子，结果不令人满意，连接两个核苷酸的磷酸二酯键可以采取各种各样的形状，缺乏晶体分子所必备的规则性,3条DNA链互相缠绕，可以形成沿螺旋轴形成一个以28埃为一单元的重复结构。Watson和Crick沉浸在欢乐之中。,.,接下来的事情是把国王学院的同行们请来，共同研究这个模型。但M.Wilkins和R.Franklin看到模型后迎面给他们泼了一盆凉水。R.Franklin尖锐地指出带负电荷的磷酸基团肯定是被一群水分子包围，不可能有两价阳离子立足的地方,对于Watson和Crick最不幸的不是他们的失败，而是他们老板Bragg的反应。在与M.Wilkins的老板谈过以后，Bragg严重警告Watson和Crick，让他们远离DNA。,.,接下来的日子对两位DNA爱好者的确难熬。他们不能公开地谈DNA，甚至连M.Wilkins的名字都不能提，否则就有人怀疑他们还在“不务正业”。Crick继续做他的博士论文，否则他不可能毕业；Watson埋头研究病毒，这是美国方面派他来剑桥的理由,但随着时间的推移，二位科学家的热情再次浮出水面。他们没有X射线衍射数据，只有从理论上研究DNA的生物功能和生物体内信息流动的路线。当时DNA作为遗传物质的证据越来越多，许多其他方向的科学家也对DNA发生了兴趣。其中之一是剑桥的理论化学家J.Grifith,与Crick讨论DNA作为遗传物质复制机理时，他们发生了争论。Crick认为DNA一定是自我复制，而J.Grifith相信互补复制，即以基因作为模板产生一个与之互补的分子，就象钥匙和锁；接下来再以那个互补的分子作为模板互补产生一个与最初相等的基因,.,由于Bragg的禁令，Watson和Crick不能接触国王学院的实验数据,他们唯一能做的是专研化学理论，Watson当时看得最多的就是L.Pauling的化学键的本质。在焦虑和思考中，美国传来一个消息：L.Pauling已经分析出一个DNA模型,卡文迪许实验室的反应可想而知，他们没有忘记当他们听说L.Pauling发现蛋白质-螺旋时他们的失望和沮丧，难道DNA方面L.Pauling又超过了英国人,.,Pauling寄来的论文让Watson和Crick松了口气，同时他们也对L.Pauling所犯的错误感到惊讶。因为在L.Pauling的DNA模型中，也是三条DNA链扭缠在一起，碱基暴露在外，和Watson和Crick的第一个模型很相似；唯一的不同是解决磷酸基团负电荷的方法。L.Pauling的DNA模型中磷酸基团竟然不带负电荷，这在生理条件下是根本不可能的，而且是连化学系大学本科生都知道的事实。为什么L.Pauling会犯如此低级的错误，现在已不得而知,.,L.Pauling的确没有太把DNA放在心上，而且他手头根本没有分辨率清晰的X射线照片。虽然他曾向国王学院索取，但好胜的英国人根本不让他接近这些数据。所以L.Pauling在这场竞争中的失败是必然的,.,Watson和Crick稍稍松了口气，但他们随即想到的是这个错误不会蒙蔽L.Pauling多久，一旦他发现自己的错误后，Pauling肯定会继续坐在桌旁直到得到理想的DNA模型。时间万分紧迫,Watson再也按捺不住自己的激动，他冲到了伦敦的国王学院，想想看看M.Wilkins和R.Franklin对L.Pauling文章的反应。但R.Franklin的反应是冷淡的，她一听说Pauling的模型是螺旋，就不想再听下去了。Watson忍不住说：“一条长链多分子在空间最简单的构象就是螺旋形,.,Franklin只是骄傲地告诉Watson，让他放弃凭空构建模型的蠢事，看看她的X射线衍射照片再说。Franklin有理由骄傲，她新近结晶出一种新的DNA晶体，拍出的照片相当清晰，远胜于以往的那些照片。她命名这种新的DNA晶体为B型DNA，而以前的DNA晶体为A型DNA。这张照片就是著名的“第51号影象图谱”。,.,是双链螺旋呢，还是三链螺旋？生物学的直觉告诉Watson认为是双螺旋，但Crick不接受任何不是来自核酸链结构化学以外的建议。既然现有的数据不能说明是双螺旋还是三螺旋，Watson同意对双螺旋和三螺旋模型给予同等的重视，当然他要先从双螺旋模型做起,.,在他们紧张工作的时候，国王学院的M.Wilkins来访，Wilkins表示在Franklin离开前，他不会构建DNA模型，因为他们之间的关系已经恶化到不能合作的程度。尽管Watson和Crick 告诉他，Pauling可能马上就会行动，但仍然不能改变他的决定。最后Watson和Crick 问Wilkins是否介意他们利用国王学院的照片构建DNA模型，让Watson和Crick激动的是Wilkins说：“不，我不介意。”,建立“碱基中心”的模型的关键是如何使安排摆在中间的碱基，使外面的糖-磷酸骨架规则。,.,在一次舞会上，Watson没有心仪的对象。他的脑筋又回到DNA上，突然灵光一闪，他发现腺嘌呤（A）和腺嘌呤（A）可以通过旋转18度，形成2个氢键，同样T与T、G与G、C与C之间都能形成2个氢键。那么DNA分子是由2条完全一致的DNA链用氢键连起来的，这样DNA分子肯定会自我复制,他们只要分裂开，各自的碱基吸引一个相同的碱基，就会最终产生两个DNA分子。但这个模型也有不足，因为嘌呤要比嘧啶大得多，嘌呤对比嘧啶对要大得更多。这样在外侧的磷酸骨架将会在嘌呤对处向外凸，在嘧啶对处向里凹，这是个不规则的分子。解释自我复制的魅力让Watson忘掉了这个不足，他越想越钟情于他构建的DNA模型。他兴奋地通知Max Perutz，他已经找到了一个与Pauling不同DNA模型。,.,信发出去后不到一个小时，他就知道自己的模型是一文不值。这源于与美国晶体学家J.Donohue 的对话。嘌呤和嘧啶都有1种以上的拓扑异构形式，Donohue的化学直觉告诉他 Watson在模型中采用的嘧啶C和T是错误的拓扑形式，所以Watson所构想的氢键不成立。虽然很部情愿，但Watson不能对Donohue的意见置之不理。因为除了Pauling，Donohue对氢键的了解比任何人都要多,.,Watson 马上想到了Chargaff规则：腺嘌呤（A）和胸腺嘧啶（T）等量，而胞嘧啶（C）与鸟嘌呤（G）之间也是等量的。更令人兴奋的是C与G配对后的大小和A-T对相近,Watson只能把搭起来的模型拆掉，换成正确的C、T模型，重新来过。在摆弄各种可能的配对方式时，一个完美的碱基对突然出现了。当A和T靠近时，可以自然而然地形成2个氢键。Watson叫来了Donohue，这次Donohue给出了肯定答案，这种氢键有存在的可能。,.,嘌呤要和嘧啶连在一起，氢键的要求使得A总是和T配对；G总是C配对，所以他们必定等量。自我复制也得到了圆满的解释：如果DNA分子的一条链被决定了，另一条链马上可以通过互补原则被确定。一个分子可以很容易地进行自我复制。Crick在研究了Waston 的模型后，又试了几种配对方式，但这些都不能满足Chargaff规则。他唯一指出的是两条缠在一起的互补链方向是相反的,.,当天，Crick和watson 走进了他们常去的老鹰餐馆，Crick向所有人宣布：“我们揭开了生命的秘密。”,.,让我们看看这个DNA分子吧，它是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕的右手螺旋。双螺旋的直径为20埃，两个相邻的碱基对之间相距的高度为3.4埃，两个核苷酸之间夹角为36度，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，螺距为34埃。碱基位于双螺旋的内侧，碱基平面和中心轴垂直，两条链间相应位置的碱基根据互补原则配对。它是如此简单，又是如此美丽。,所有看到它的科学家包括Franklin和L.Pauling都放弃了抵抗的勇气,.,1962年是卡文迪许实验室丰收的一年，Crick 和Watson因发现DNA的双螺旋模型而获诺贝尔生理医学奖,阐明肌红蛋白和血红蛋白结构的Perutz和Kendrew获诺贝尔化学奖,L.Pauling虽然在DNA结构的赛跑中落后，但他为世界和平的努力使他同样站到了诺贝尔领奖台上，他获得了1962年的诺贝尔和平奖，成为目前为止唯一一个两次独占诺贝尔奖的人。,.,