DNA雙螺旋

DNA雙螺旋的鹼基位於雙螺旋內側，磷酸與糖基在外側，通過磷酸二酯鍵相連，形成 核酸的骨架。鹼基平面與假想的中心軸垂直，糖環平面則與軸平行，兩條鏈皆為右手螺旋。雙螺旋的直徑為2nm，鹼基堆積距離為0.34nm，兩核甘酸之間的夾角是36゜，每對螺旋由10對鹼基組成，鹼基按A-T，G-C配對互補A〢T,G〣C，彼此以氫鍵相聯繫。維持DNA雙螺旋結構的穩定的力主要是鹼基堆積力。雙螺旋表面有兩條寬窄`深淺不一的一個大溝和一個小溝。

大溝（major groove）和小溝（minor groove）:繞B-DNA雙螺旋表面上出現的螺旋槽（溝），寬的溝稱為大溝，窄溝稱為小溝。大溝，小溝都、是由於鹼基對堆積和糖-磷酸骨架扭轉造成的。

DNA超螺旋（DNAsupercoiling）:DNA本身的捲曲一般是DNA雙`螺旋的彎曲欠旋（負超螺旋）或過旋（正超螺旋）的結果。

1953年4月25日，克里克和沃森在英國雜誌《自然》上公開了他們的DNA模型。經過在劍橋大學的深入學習后，兩人將DNA的結構描述為雙螺旋，在雙螺旋的兩部分之間，由四種化學物質 組成的鹼基對扁平環連結著。他們謙遜地暗示說，遺傳物質可能就是通過它來複制的。這一設想的意味是令人震驚的：DNA恰恰就是傳承生命的遺傳模板。

1953年沃森和克里克提出著名的DNA雙螺旋結構模型，他們構造出一個右手性的雙螺旋結構。當鹼基排列呈現這種結構時分子能量處於最低狀態。沃森後來撰寫的《雙螺旋：發現DNA結構的故事》（科學出版社1984年出版過中文譯本）中，有多張DNA結構圖，全部是右手性的。這種雙螺旋展示的是DNA分子的二級結構。那麼在DNA的二級結構中是否只有右手性呢？回答是否定的。雖然多數DNA分子是右手性的，如A-DNA、B-DNA（活性最高的構象）和C-DNA都是右手性的，但1979年Rich提出一種局部上具有左手性的Z-DNA結構。左手螺旋並非只是雙螺旋的補充，它在自然界是存在的，左手螺旋大概與病變有一定關係，而且左手螺旋與右手螺旋是會發生互變的。21世紀是信息時代或者生命信息的時代，僅北京就有多處立起了DNA雙螺旋的建築雕塑，其中北京大學后湖北大生命科學院的一個研究所門前立有一個巨大的雙螺旋模型。人們容易把它想象為DNA模型，其實是不對的，因為雕塑是左旋的，整體具有左手性。就算Z-DNA可以有左手性，也只能是局部的。因此，雕塑造形整體為一左手性的雙螺旋是不恰當的，至少用它暗示DNA的一般結構是錯誤的。

科學家首次直接拍攝到DNA雙螺旋結構

義大利熱那亞大學(UniversitàdegliStudidiGenova)的納米材料系負責人恩佐-迪-法布里奇奧和他的研究團隊成功拍攝到了之前只能通過X射線結晶衍射技術間接觀察到的雙螺旋結構照片。該研究發表於最新一期《Nano Letters》上。

DNA的脆弱性意味著電子能量能夠摧毀這種單鏈，因此這種螺旋結構只能夠通過DNA“繩索”進行觀察，這些細小的遺傳物質繩索是由幾條纏繞的繩索組成的。電子束能夠辨認出這種DNA繩索。

研究人員稱，藉助改善後的樣本處理方法和更好的圖像解析度，我們能夠直接觀察到DNA的單一鹼基。能夠直接拍攝DNA的能力意味著不能通過衍射技術觀察到的詳細信息很快將能夠有助於科學研究。遺傳學家也將能夠使用這項技術來觀察DNA與其它物質之間的交互作用。

DNA分子雙螺旋結構積塑模型是一種採用優質彩色塑料原料製造的生物遺傳物質脫氧核糖核酸(DNA)分子的裝配式結構模型。本模型利用具有特殊形狀結構的紅、黃、藍、綠四種色球( 分別代表A、T、G、C四種核苷)和棕棒(代表磷酸P)五種零件，不僅可裝配成具有雙螺旋空間結構的DNA分子鏈，而且還可以直觀地表達出DNA分子鏈的自我複製功能。這套模型可用來做分子生物學的教具，也可做中小學生的課外科學模型玩具。

一套DNA分子雙螺旋結構積塑模型，其特徵是：

a．這套DNA分子雙螺旋積塑模型由紅、黃、蘭、綠四種優質塑料色球（分別代表A、T、G、C四種核苷）和一種優質棕色塑料色棒（代表磷酸P）共五種零件所組成。

b．紅球和黃球直徑φ18，各帶有一個直徑φ10的白色圓柱形突出物，在紅球的白色圓柱上開有一個直徑φ6的圓孔，圓孔內部前後各突起一個直徑φ3的半圓形凸起物，在黃球的白色圓柱上伸出一直徑φ6的圓棒，圓棒前後各開有一個直徑φ3的半圓形凹槽，紅球和黃球的結合，即A與T的結合，可通過φ6圓棒插入φ6圓孔來實現。

c．藍球和綠球直徑也是φ18，也各帶有一個直徑φ10的白色圓柱形突出物，在蘭球的白色圓柱上開有一個直徑φ6的圓孔，圓孔內部沿圓周對稱地突起三個直徑φ3的半圓形凸起物，在綠球的白色圓柱上伸出一φ6圓棒，在圓棒周圍對稱地開有三個直徑φ3的半圓形凹槽，蘭球和綠球的結合，即G和C的結合，可通過φ6圓棒插入φ6圓孔來實現。

d．每個色球除帶有一個白色圓柱形突出物外，還各開有二個直徑φ6的圓孔，它們的位置一上一下、一左一右，分別對稱地繞水平和垂直軸線旋轉36角。利用直徑φ6的棕棒插入二個色球相對著的二個φ6圓孔，可將任意二個色球連接起來，從而可組成DNA單股螺旋鏈，所開φ6圓孔的角度，可保證每一螺旋上有10個色球，

e．每一對配對色球上的一個φ3半圓形凸起物和一個φ3半圓形凹槽代表一個氫（H）鍵，由於A、T和G、C色球上φ3半圓形凸起物和半圓形凹槽數目不同（一為2，一為3），角度不同，因此A球只能與T球結合，G球只能與C球結合，A與C、G與T球之間不能結合（不能插入），從而可實現A－T、G－C之間的嚴格配對關係，利用這種配對關係，可組成互補配對的DNA雙螺旋鏈，並導致DNA分子具有自我複製的功能。（其中A、T、C、G 均為鹼基；A：腺嘌呤；T：胸腺嘧啶；C：胞嘧啶；G：鳥嘌呤。當T轉錄時，變為U：尿嘧啶）。

20世紀40年代末和50年代初，在DNA被確認為遺傳物質之後，生物學家們不得不面臨著一個難題：DNA應該有什麼樣的結構，才能擔當遺傳的重任？它必須能夠攜帶遺傳信息，能夠自我 複製傳遞遺傳信息，能夠讓遺傳信息得到表達以控制細胞活動，並且能夠突變並保留突變。這4點，缺一不可，如何建構一個DNA分子模型解釋這一切？

當時主要有三個實驗室幾乎同時在研究DNA分子模型。第一個實驗室是倫敦國王學院的威爾金斯、弗蘭克林實驗室，他們用X射線衍射法研究DNA的晶體結構。當X射線照射到生物大分子的晶體時，晶格中的原子或分子會使射線發生偏轉，根據得到的衍射圖像，可以推測分子大致的結構和形狀。第二個實驗室是加州理工學院的大化學家萊納斯·鮑林(Linus Pauling)實驗室。在此之前，鮑林已發現了蛋白質的a螺旋結構。第三個則是個非正式的研究小組，事實上他們可說是不務正業。23歲的年輕的遺傳學家沃森於1951年從美國到劍橋大學做博士后時，雖然其真實意圖是要研究DNA分子結構，掛著的課題項目卻是研究煙草花葉病毒。比他年長12歲的克里克當時正在做博士論文，論文題目是“多肽和蛋白質：X射線研究”。沃森說服與他分享同一個辦公室的克里克一起研究DNA分子模型，他需要克里克在X射線晶體衍射學方面的知識。他們從1951年10月開始拼湊模型，幾經嘗試，終於在1953年3月獲得了正確的模型。關於這三個實驗室如何明爭暗鬥，互相競爭，由於沃森一本風靡全球的自傳《雙螺旋》而廣為人知。值得探討的一個問題是：為什麼沃森和克里克既不像威爾金斯和弗蘭克林那樣擁有第一手的實驗資料，又不像鮑林那樣有建構分子模型的豐富經驗(他們兩個人都是第一次建構分子模型)，卻能在這場競賽中獲勝？

這些人中，除了沃森，都不是遺傳學家，而是物理學家或化學家。威爾金斯雖然在1950年最早研究DNA的晶體結構，當時卻對DNA究竟在細胞中幹什麼一無所知，在1951年才覺得DNA可能參與了核蛋白所控制的遺傳。弗蘭克林也不了解DNA在生物細胞中的重要性。鮑林研究DNA分子，則純屬偶然。他在1951年11月的《美國化學學會雜誌》上看到一篇核酸結構的論文，覺得荒唐可笑，為了反駁這篇論文，才著手建立DNA分子模型。他是把DNA分子當作化合物，而不是遺傳物質來研究的。這兩個研究小組完全根據晶體衍射圖建構模型，鮑林甚至根據的是30年代拍攝的模糊不清的衍射照片。不理解DNA的生物學功能，單純根據晶體衍射圖，有太多的可能性供選擇，是很難得出正確的模型的。

沃森在1951年到劍橋之前，曾經做過用同位素標記追蹤噬菌體DNA的實驗，堅信DNA就是遺傳物質。據他的回憶，他到劍橋后發現克里克也是“知道DNA比蛋白質更為重要的人”。但是按克里克本人的說法，他當時對DNA所知不多，並未覺得它在遺傳上比蛋白質更重要，只是認為DNA作為與核蛋白結合的物質，值得研究。對一名研究生來說，確定一種未知分子的結構，就是一個值得一試的課題。在確信了DNA是遺傳物質之後，還必須理解遺傳物質需要什麼樣的性質才能發揮基因的功能。像克里克和威爾金斯，沃森後來也強調薛定諤的《生命是什麼？》一書對他的重要影響，他甚至說他在芝加哥大學時讀了這本書之後，就立志要破解基因的奧秘。如果這是真的，我們就很難明白，為什麼沃森向印第安那大學申請研究生時，申請的是鳥類學。由於印第安那大學動物系沒有鳥類學專業，在系主任的建議下，沃森才轉而從事遺傳學研究。當時大遺傳學家赫爾曼·繆勒(Hermann Muller)恰好正在印第安那大學任教授，沃森不僅上過繆勒關於“突變和基因”的課(分數得A)，而且考慮過要當他的研究生。但覺得繆勒研究的果蠅在遺傳學上已過了輝煌時期，才改拜研究噬菌體遺傳的薩爾瓦多·盧里亞(Salvador Luria)為師。但是，繆勒關於遺傳物質必須具有自催化、異催化和突變三重性的觀念，想必對沃森有深刻的影響。正是因為沃森和克里克堅信DNA是遺傳物質，並且理解遺傳物質應該有什麼樣的特性，才能根據如此少的數據，做出如此重大的發現。

他們根據的數據僅有三條：第一條是當時已廣為人知的，即DNA由6種小分子組成：脫氧核糖，磷酸和4種鹼基(A、G、T、C)，由這些小分子組成了4種核苷酸，這4種核苷酸組成了DNA。第二條證據是最新的，弗蘭克林得到的衍射照片表明，DNA是由兩條長鏈組成的雙螺旋，寬度為20埃。第三條證據是最為關鍵的。美國生物化學家埃爾文·查戈夫(Erwin Chargaff)測定DNA的分子組成，發現DNA中的4種鹼基的含量並不是傳統認為的等量的，雖然在不同物種中4種鹼基的含量不同，但是A和T的含量總是相等，G和C的含量也相等。

查加夫早在1950年就已發布了這個重要結果，但奇怪的是，研究DNA分子結構的這三個實驗室都將它忽略了。甚至在查加夫1951年春天親訪劍橋，與沃森和克里克見面后，沃森和克里克對他的結果也不加重視。在沃森和克里克終於意識到查加夫比值的重要性，並請劍橋的青年數學家約翰·格里菲斯(John Griffith)計算出A吸引T，G吸引C，A+T的寬度與G+C的寬度相等之後，很快就拼湊出了DNA分子的正確模型。