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13.1: DNA螺旋
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The DNA Helix
 
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13.1: DNA螺旋

“脱氧核糖核酸(脱氧核糖核酸,简称DNA)是一种遗传物质,负责在所有生物体和大多数病毒中一代又一代地传递性状。DNA是由两股核苷酸组成的,它们缠绕在一起形成双螺旋。DNA结构的发现在近一个多世纪中逐渐出现,代表了科学史上最著名、最迷人的故事之一。”

DNA结构细节

每一条DNA链都包含称为核苷酸的亚单位,核苷酸含有糖脱氧核糖、磷酸基和四种含氮碱基之一:腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。腺嘌呤和鸟嘌呤是一类称为嘌呤的化学物质,它们都含有两个环状结构。胞嘧啶和胸腺嘧啶属于一类称为嘧啶的单环结构。

同一链中的相邻核苷酸通过磷酸二酯键共价连接。两股核苷酸通过氢键连接在一起,其中一股腺嘌呤与另一股胸腺嘧啶位于同一位置,另一股腺嘌呤与鸟嘌呤位于同一位置。这种氢键是通过两条DNA链的反平行排列实现的,在这种排列中,两条DNA链的5端和3端方向相反。如果没有这种排列,核苷酸将处于错误的位置,在链之间形成氢键。

DNA分子的两股紧密缠绕成弹簧状结构,称为双螺旋。然而,双螺旋并不是完全对称的。相反,结构中有规律地出现凹槽。主要的凹槽发生在糖磷酸主干相对较远的地方。这个空间允许获得DNA结合蛋白,如转录因子。相比之下,凹槽则发生在磷酸糖主干紧密相连的地方。相对较少的蛋白质通过凹槽与DNA结合。

DNA 结构的发现:简史

DNA结构的发现始于1869年,当时瑞士科学家弗雷德里希·米歇尔(Friedrich Miescher)发现了一种他称为“核酸”的物质。在从白细胞中提取蛋白质的过程中,米歇尔发现了一种意想不到的物质,磷含量相对较高。他不知道它是什么,但他怀疑它可能在生物学上很重要。 米歇尔是对的,但是科学界花了几十年的时间才完全理解他的见解。

下一个重要发现是由俄罗斯生物化学家菲巴斯·利文(Phoebus Levene)发现的。1919年,利文提出,当时称为核酸的核酸是由分子链组成的,他称之为多核苷酸。利文的提议源于他对酵母的研究,在研究中他发现单个核苷酸由磷酸基、糖和含氮基组成。尽管利文的多核苷酸模型在许多方面是正确的,但仍不清楚碱基在DNA分子中是如何排列的。

奥地利生物化学家埃尔文·查戈夫(Erwin Chargaff)扩展了利文的工作。在20世纪40年代末的研究中,查戈夫发现了一个重大发现:DNA中腺嘌呤的含量总是大致等于胸腺嘧啶的含量,鸟嘌呤的含量总是大致等于胞嘧啶的含量。这种模式被称为查戈夫规则,是最终解释DNA结构的关键证据。

20世纪50年代初,美国生物学家詹姆斯·沃森(James Watson)和英国物理学家弗朗西斯·克里克(Francis Crick)正与他们的主要竞争对手美国的莱纳斯·鲍林(Linus Pauling)竞争,以发现DNA的三维结构。在查戈夫工作的基础上,他们利用物理、数学和化学知识构建了DNA的物理模型。但他们没有成功,直到他们收到一个关键的数据:一张DNA的X光照片,精确地显示了它的双螺旋结构。这张照片是物理学家罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)未发表的数据,在富兰克林不知情的情况下,交给了沃森和克里克。沃森和克里克,与莫里斯•威尔金斯(Maurice Wilkins,富兰克林的同事)一起在1953年发表了他们对DNA结构的描述,因这一发现获得了1962年诺贝尔生理学或医学奖。不幸的是,富兰克林于1958年去世,因此没有资格获得诺贝尔奖。


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