脱氧核糖核酸。科学发现的历史和本质

脱氧核糖核酸。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

遗传学作为一门科学出现于 1866 年，当时格雷戈尔·孟德尔制定了“元素”（后来称为基因）决定物理特性遗传的立场。三年后，瑞士生物化学家弗里德里希·米歇尔发现了核酸，并证明它包含在细胞核中。在新世纪的门槛上，科学家们发现基因位于染色体中，染色体是细胞核的结构元素。在 XNUMX 世纪上半叶，生物化学家确定了核酸的化学性质，而在 XNUMX 年代，研究人员发现基因是由其中一种酸 DNA 形成的。已经证明，基因或 DNA 指导称为酶的细胞蛋白质的生物合成（或形成），从而控制细胞中的生化过程。

到 1944 年，美国生物学家 Oswald Avery 在洛克菲勒医学研究所工作时，提供了基因由 DNA 组成的证据。这一假设在 1952 年被 Alfred Hershey 和 Martha Chase 证实。尽管很明显 DNA 控制了细胞中发生的基本生化过程，但分子的结构和功能均未知。

1951 年春天，在那不勒斯参加一个研讨会时，沃森认识了莫里斯 G.F. 威尔金斯，英国探险家。 Wilkins 和 Rosalynn Franklin 是他在剑桥大学国王学院的同事，他们对 DNA 分子进行了 X 射线衍射分析，结果表明它们是一个双螺旋，类似于螺旋楼梯。他们获得的数据让沃森萌生了研究核酸化学结构的想法。国家婴儿瘫痪研究学会提供了资助。

1951年XNUMX月，这位科学家与John C. Kendrew一起前往剑桥大学卡文迪什实验室研究蛋白质的空间结构。他在那里遇见弗朗西斯·克里克，一位对生物学感兴趣的物理学家，当时正在写他的博士论文。

随后，他们建立了密切的创作联系。从 1952 年开始，基于查格夫、威尔金斯和富兰克林的早期工作，克里克和沃森着手尝试确定 DNA 的化学结构。

弗朗西斯·哈里·康普顿·克里克于 8 年 1916 月 1934 日出生在北安普顿，是富有的制鞋商哈里·康普顿·克里克和安娜·伊丽莎白 (威尔金斯) 克里克的两个儿子的长子。在北安普顿度过童年后，他上了高中。在第一次世界大战之后的经济危机中，家庭的商业事务年久失修，弗朗西斯的父母搬到了伦敦。作为米尔希尔学校的学生，克里克对物理、化学和数学表现出了极大的兴趣。 1939年，他进入伦敦大学学院学习物理学，三年后毕业，获得理学学士学位。这位年轻的科学家在大学完成学业后，考虑了水在高温下的粘度。这项工作在 XNUMX 年因二战爆发而中断。

在战争年代，克里克在英国海军部的研究实验室从事水雷的制造。战争结束后的两年里，他继续在这个部工作，就在那时，他读到了这本名著欧文·薛定谔 “什么是生命？活细胞的物理方面”，发表于 1944 年。在书中，薛定谔提出了一个问题。 “如何从物理和化学的角度解释生物体中发生的时空事件？”

这本书中提出的想法对克里克影响很大，以至于他打算研究粒子物理学，后来转向生物学。在阿奇博尔德·W·威尔 (Archibald W. Will) 的支持下，克里克获得了医学研究委员会奖学金，并于 1947 年开始在剑桥的斯特兰奇韦实验室工作。在这里，他研究了生物学、有机化学和用于确定分子空间结构的 X 射线衍射技术。 1949 年搬到剑桥卡文迪什实验室（世界分子生物学中心之一）后，他的生物学知识显着扩展。

在 Max Perutz 的指导下，克里克探索了蛋白质的分子结构，并由此对蛋白质分子中氨基酸序列的遗传密码产生了兴趣。大约 20 种必需氨基酸是构成所有蛋白质的单体单位。通过研究他定义为“生物与非生物之间的界限”，克里克试图找到遗传学的化学基础，正如他所建议的那样，可以在脱氧核糖核酸 (DNA) 中奠定基础。

1951 年，XNUMX 岁的美国生物学家詹姆斯·D·沃森邀请克里克到卡文迪许实验室工作。

James Devay Watson 于 6 年 1928 月 1943 日出生于伊利诺伊州芝加哥，父亲是商人 James D. Watson 和 Jean (Mitchell) Watson，是他们唯一的孩子。在芝加哥，他接受了小学和中学教育。很快就发现詹姆斯是一个非常有天赋的孩子，他被邀请到电台参加“儿童测验”节目。在高中仅仅两年后，沃森于 1947 年获得奖学金，进入一所实验性四年制大学学习在芝加哥大学，他表现出对鸟类学研究的兴趣。 XNUMX 年在芝加哥大学获得理学学士学位后，他继续在印第安纳大学布卢明顿分校接受教育。

此时，Watson 开始对遗传学产生兴趣，并在该领域专家 Herman J. Meller 和细菌学家 Salvador Luria 的指导下开始在印第安纳州接受培训。沃森写了一篇关于 X 射线对噬菌体（感染细菌的病毒）繁殖的影响的论文，并于 1950 年获得博士学位。国家研究协会的资助使他能够在丹麦哥本哈根大学继续他对噬菌体的研究。在那里他研究了噬菌体 DNA 的生化特性。然而，正如他后来回忆的那样，噬菌体实验开始让他感到沮丧，他想更多地了解 DNA 分子的真实结构，遗传学家对此表示非常热情。

克里克和沃森知道有两种类型的核酸 - DNA 和核糖核酸 (RNA)，每种都由戊糖基单糖、磷酸盐和四个含氮碱基组成：腺嘌呤、胸腺嘧啶（RNA 中为尿嘧啶）、鸟嘌呤和胞嘧啶。在接下来的八个月里，沃森和克里克将他们的结果与已有的结果进行了总结，并于 1953 年 XNUMX 月制作了一份关于 DNA 结构的报告。一个月后，他们创建了 DNA 分子的三维模型，由球、碎片组成纸板和电线。

根据克里克-沃森模型，DNA 是双螺旋，由两条通过碱基对连接的脱氧核糖磷酸链组成，类似于梯子的横档。通过氢键，腺嘌呤与胸腺嘧啶结合，鸟嘌呤与胞嘧啶结合。通过这个模型，可以追踪 DNA 分子本身的复制。

该模型使其他研究人员能够清楚地看到 DNA 复制。分子的两条链在氢键位点分开，就像打开拉链一样，然后在旧 DNA 分子的每一半上合成一条新链。碱基序列充当新分子的模板或蓝图。

1953 年，克里克和沃森完成了 DNA 模型。这使他们与九年后的威尔金斯一起分享了 1962 年的诺贝尔生理学或医学奖，“因为他们发现了核酸的分子结构及其对生命系统中信息传输的意义”。

影音卡罗林斯卡学院的 Engström 在颁奖典礼上说：“空间分子结构的发现……DNA 极其重要，因为它勾勒出了详细了解所有生物的一般和个体特征的可能性。” Engström 指出，“破译脱氧核糖核酸的双螺旋结构与特定的含氮碱基配对为解开遗传信息控制和传输的细节提供了绝佳的机会。”

1953 年 XNUMX 月，在英国《自然》杂志上发表了对该模型的描述后，克里克和沃森的串联分手了。

1965年，沃森撰写了《基因的分子生物学》一书，该书已成为分子生物学界最著名、最受欢迎的教科书之一。

至于克里克，他于 1953 年在剑桥大学获得博士学位，论文是关于蛋白质结构的 X 射线衍射分析。第二年，他在纽约布鲁克林理工学院学习蛋白质结构，并在美国多所大学任教。 1954 年回到剑桥，他在卡文迪许实验室继续他的研究，专注于破译遗传密码。最初是一名理论家，克里克开始与悉尼布伦纳一起研究噬菌体（感染细菌细胞的病毒）的基因突变。

到 1961 年，已经发现了三种类型的 RNA：信使、核糖体和运输。克里克和他的同事们提出了一种读取遗传密码的方法。根据克里克的理论，信使 RNA 从细胞核中的 DNA 接收遗传信息，并将其转移到细胞质中的核糖体（蛋白质合成部位）。转移 RNA 将氨基酸携带到核糖体中。信息 RNA 和核糖体 RNA 相互作用，提供氨基酸组合以形成正确序列的蛋白质分子。遗传密码由 20 种氨基酸的 DNA 和 RNA 的含氮碱基三联体组成。基因由许多基本的三联体组成，克里克称之为密码子。

距离人类基因组解码还有四十年……

作者：萨明 D.K.

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