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分子學的沃森和克裏克

自1951年開始,沃森和克裏克先後建立了三個DNA分子模型。他們在建立模型時,不只是考慮其結構,還要始終聯系DNA的功能和信息。他們要求建立的模型既要滿足物理、化學、數學研究的最新事實,如X射線衍射結果、堿基配對的力學要求,還要滿足生化知識,如酮型、氫鍵、鍵角等,更要使DNA能解釋遺傳學和代謝理論,這是壹種很先進的思想。

第壹個模型是壹個三鏈的結構。這是在對實驗數據理解錯誤的基礎上建立的,最終失敗。但他們並不氣餒,繼續搜集材料,查閱資料,富蘭克林的B型DNA的X射線衍射照片,查爾加夫的DNA化學成分的分析都曾給沃森和克裏克很大啟示。他們建立的第二個模型是壹個雙鏈的螺旋體,糖和磷酸骨架在外,堿基成對的排列在內,堿基是以同配方式即A與A,C與C,G與G,T與T配對。由於配對方式的錯誤,這個模型同樣宣告失敗。盡管這次又失敗了,但他們從中總結了不少有益的經驗教訓,為成功地建立第三個模型打下了基礎。 1953年2月20日,沃森靈光壹現,放棄了堿基同配方案,采用堿基互補配對方案,終於獲得了成功。沃森和克裏克又經過三周的反復核對和完善,3月18日終於成功地建立了DNA分子雙螺旋結構模型,並於4月25日在英國的《自然》雜誌上發表。DNA分子規則的雙螺旋結構模型與世人見面了,要點如下:DNA分子是由兩條平行的脫氧核苷酸長鏈向右螺旋形成的;DNA分子中脫氧核糖和磷酸交替連結,排列在外側,構成基本骨架,堿基排列在內側;兩條鏈上的堿基通過氫鍵連結起來,形成堿基對,即A與T,C與C配對;DNA分子中兩條脫氧核苷酸長鏈中的原子排列方向相反,壹條是5’→3’走向,另壹條是3’→5’

數個星期之後,沃森和克裏克又在《自然》雜誌上進壹步提出了DNA分子復制的假說——半保留復制機制,它為進壹步揭示遺傳信息的奧秘提供了廣闊的前景。 早在1953年DNA分子結構被發現之前,沃森就對DNA到蛋白質的遺傳信息傳遞路線作出了預測:“DNA→RNA→蛋白質”,但缺少深入分析。1958年,克裏克提出了遺傳信息的中心法則,將DNA、RNA和蛋白質三種物質可能具有的信息流都畫了上去。後來,在人們弄清了三種RNA即mRNA、rRNA、tRNA的存在及作用,知道DNA經過轉錄可以形成mRNA,mRNA穿過核孔進入細胞質,在以rRNA為主形成的核糖體上,以mRNA為模板,以tRNA為運載工具合成蛋白質後,克裏克對中心法則又進行了修改。

1965年,科學家發現了RNA復制酶,說明RNA可以自我復制。1970年,坦明(H.M.Temin)和巴爾的摩(D.Baltimore)在壹種RNA病毒侵染的宿主細胞中分離出壹種反向轉錄酶,它能使RNA反常地轉向DNA,從而整合到宿主的細胞上去。根據這些實際情況,克裏克於1970年再次修改了中心法則,在這次修改中,他認為遺傳信息從DNA到蛋白質的直接轉移只是壹種理論上的假設。

中心法則合理地說明了核酸和蛋白質兩類大分子的聯系和分工:核酸的功能在於貯存和轉移遺傳信息,指導和控制蛋白質的合成;蛋白質的主要功能是進行新陳代謝以及作為細胞結構的組成成分。 當DNA分子雙螺旋結構公布於世後,人們認識到四種堿基的排列方式包含極大的信息量。如果是壹個由100個脫氧核苷酸組成的DNA,那麽它所包含的最大信息量將達到4100,這個數字比太陽系所有原子總數還要大1000倍,因此引起科學家極大興趣,都想來破譯遺傳密碼。人們經推理很明顯地看出是4個堿基的排列決定蛋白質中20個氨基酸的排列,簡化為數學排列組合只能是4→20,為滿足20這個數,4的全排列只能是43=64,這可以為編碼20種氨基酸提供足夠的信息。三聯體密碼方案初步建立起來,即mRNA分子中相鄰的三個堿基稱為三聯體,它能決定多肽中的壹個氨基酸,所以又把mRNA的三聯體稱為密碼子。

克裏克認為不僅存在壹個三聯體密碼字典,可能還有起始密碼、終止密碼和同義密碼。在克裏克及眾多科學家不懈努力下,1966年遺傳密碼全部被破譯出來:①所有遺傳密碼都是由三個連續的核苷酸組成;②許多氨基酸的密碼子並非壹個,而是由許多近似的核苷酸組成,即存在簡並碼;③3個堿基的64種組合中,有61種可以用於編碼各種氨基酸,其中AUG、GUG還是翻譯的起始信號,稱為起始密碼子;另外三種組合不能編碼任何氨基酸,它們全部是編碼的終止符號,這就是UAA、UAG、UGA,稱為終止密碼子。由此可以看出,克裏克的推測多麽準確,使我們看到了壹個真正掌握科學脈搏的科學家,他的眼光有多麽遠大,他的思路有多麽清晰呀!

1969年,在克裏克及其他科學家的不斷努力下,克服種種困難,終於將核酸中的堿基排列與蛋白質合成聯系起來,形成了遺傳密碼表,使人們壹目了然,能迅速地掌握氨基酸合成時堿基的三聯體密碼。人們常把它與門捷列夫的元素周期表相媲美,它是生物學發展史上的重要裏程碑。

沃森和克裏克創建的DNA分子雙螺旋結構模型,在以後的科學研究中得到進壹步的證實,極大地推動了分子生物學的發展。1962年,他們雙雙獲得諾貝爾醫學和生理學獎。