脫氧核糖核酸雙螺旋（外文名DNA double helix）指的是一種核酸的構(gòu)象，在該構(gòu)象中，兩條反向平行的多核苷酸鏈相互纏繞形成一個右手的雙螺旋結(jié)構(gòu)。
簡介
DNA雙螺旋的堿基位于雙螺旋內(nèi)側(cè)，磷酸與糖基在外側(cè)，通過磷酸二酯[zhǐ]鍵相連，形成 核酸的骨架。堿基平面與假想的中心軸垂直，糖環(huán)平面則與軸平行，兩條鏈皆為右手螺旋。雙螺旋的直徑為2nm，堿基堆積距離為0.34nm，兩核甘酸之間的夾角是36゜，每對螺旋由10對堿基組成，堿基按A-T，G-C配對互補，彼此以氫鍵相聯(lián)系。維持脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定的力主要是堿基堆積力。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(xiàn)的螺旋槽（溝），寬的溝稱為大溝，窄溝稱為小溝。大溝，小溝都是由于堿基對堆積和糖-磷酸骨架扭轉(zhuǎn)造成的。
DNA超螺旋（DNAsupercoiling）:DNA本身的卷曲一般是DNA雙`螺旋的彎曲欠旋（負(fù)超螺旋）或過旋（正超螺旋）的結(jié)果。
發(fā)現(xiàn)
1953年4月25日，弗朗西斯·克里克和小托馬斯·沃森在英國雜志《自然》上公開了他們的脫氧核糖核酸模型。經(jīng)過在劍橋大學(xué)的深入學(xué)習(xí)后，兩人將DNA的結(jié)構(gòu)描述為雙螺旋，在雙螺旋的兩部分之間，由四種化學(xué)物質(zhì) 組成的堿基對扁平環(huán)連結(jié)著。他們謙遜地暗示說，遺傳物質(zhì)可能就是通過它來復(fù)制的。這一設(shè)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(jié)構(gòu)模型，他們構(gòu)造出一個右手性的雙螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)堿基排列呈現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)時分子能量處于最低狀態(tài)。沃森后來撰寫的《雙螺旋：發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的故事》（科學(xué)出版社1984年出版過中文譯本）中，有多張DNA結(jié)構(gòu)圖，全部是右手性的。這種雙螺旋展示的是脫氧核糖核酸分子的二級結(jié)構(gòu)。那么在DNA的二級結(jié)構(gòu)中是否只有右手性呢？回答是否定的。雖然多數(shù)DNA分子是右手性的，如A-DNA、B-DNA（活性最高的構(gòu)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(jié)構(gòu)。左手螺旋并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(guān)系，而且左手螺旋與右手螺旋是會發(fā)生互變的。21世紀(jì)是信息時代或者生命信息的時代，僅北京市就有多處立起了DNA雙螺旋的建筑雕塑，其中北京大學(xué)生命科學(xué)院的一個研究所門前立有一個巨大的雙螺旋模型。人們?nèi)菀装阉胂鬄?a href="/hebeideji/7222994910638391311.html">脫氧核糖核酸模型，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(dāng)?shù)?，至少用它暗示DNA的一般結(jié)構(gòu)是錯誤的。
科學(xué)家首次直接拍攝到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)
熱那亞大學(xué)(UniversitàdegliStudidiGenova)的納米材料系負(fù)責(zé)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(jié)晶衍射技術(shù)間接觀察到的雙螺旋結(jié)構(gòu)照片。該研究發(fā)表于最新一期《Nano Letters》上。
脫氧核糖核酸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(jié)構(gòu)只能夠通過DNA“繩索”進行觀察，這些細小的遺傳物質(zhì)繩索是由幾條纏繞的繩索組成的。電子束能夠辨認(rèn)出這種DNA繩索。
研究人員稱，借助改善后的樣本處理方法和更好的圖像分辨率，我們能夠直接觀察到DNA的單一堿基。能夠直接拍攝DNA的能力意味著不能通過衍射技術(shù)觀察到的詳細信息很快將能夠有助于科學(xué)研究。遺傳學(xué)家也將能夠使用這項技術(shù)來觀察DNA與其它物質(zhì)之間的交互作用。
模型
脫氧核糖核酸分子雙螺旋結(jié)構(gòu)積塑模型是一種采用優(yōu)質(zhì)彩色塑料原料制造的生物遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸(DNA)分子的裝配式結(jié)構(gòu)模型。本模型利用具有特殊形狀結(jié)構(gòu)的紅、黃、藍、綠四種色球( 分別代表A、T、G、C四種核)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(jié)構(gòu)的DNA分子鏈，而且還可以直觀地表達出DNA分子鏈的自我復(fù)制功能。這套模型可用來做分子生物學(xué)的教具，也可做中小學(xué)生的課外科學(xué)模型玩具。
一套脫氧核糖核酸分子雙螺旋結(jié)構(gòu)積塑模型，其特征是：
a．這套DNA分子雙螺旋積塑模型由紅、黃、蘭、綠四種優(yōu)質(zhì)塑料色球（分別代表A、T、G、C四種核苷）和一種優(yōu)質(zhì)褐色塑料色棒（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(nèi)部前后各突起一個直徑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，圓棒前后各開有一個直徑φ3的半圓形凹槽，紅球和黃球的結(jié)合，即A與T的結(jié)合，可通過φ6圓棒插入φ6圓孔來實現(xiàn)。
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(nèi)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(jié)合，即G和C的結(jié)合，可通過φ6圓棒插入φ6圓孔來實現(xiàn)。
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(zhuǎn)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，從而可組成脫氧核糖核酸單股螺旋鏈，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，由于A、T和G、C色球上φ3半圓形凸起物和半圓形凹槽數(shù)目不同（一為2，一為3），角度不同，因此A球只能與T球結(jié)合，G球只能與C球結(jié)合，A與C、G與T球之間不能結(jié)合（不能插入），從而可實現(xiàn)A－T、G－C之間的嚴(yán)格配對關(guān)系，利用這種配對關(guān)系，可組成互補配對的脫氧核糖核酸雙螺旋鏈，并導(dǎo)致DNA分子具有自我復(fù)制的功能。（其中A、T、C、G 均為堿基；A：腺嘌呤；T：胸腺嘧啶；C：胞嘧啶；G：鳥嘌呤。當(dāng)T轉(zhuǎn)錄時，變?yōu)閁：尿）。
發(fā)展
20世紀(jì)40年代末和50年代初，在DNA被確認(rèn)為遺傳物質(zhì)之后，生物學(xué)家們不得不面臨著一個難題：DNA應(yīng)該有什么樣的結(jié)構(gòu)，才能擔(dān)當(dāng)遺傳的重任？它必須能夠攜帶遺傳信息，能夠自我 復(fù)制傳遞遺傳信息，能夠讓遺傳信息得到表達以控制細胞活動，并且能夠突變并保留突變。這4點，缺一不可，如何建構(gòu)一個脫氧核糖核酸分子模型解釋這一切？
當(dāng)時主要有三個實驗室?guī)缀跬瑫r在研究DNA分子模型。第一個實驗室是倫敦國王學(xué)院的莫里斯·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(jié)構(gòu)。當(dāng)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)得到的衍射圖像，可以推測分子大致的結(jié)構(gòu)和形狀。第二個實驗室是加州理工學(xué)院的大化學(xué)家鮑林(Linus Pauling)實驗室。在此之前，鮑林已發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的a螺旋結(jié)構(gòu)。第三個則是個非正式的研究小組，事實上他們可說是不務(wù)正業(yè)。23歲的年輕的遺傳學(xué)家沃森于1951年從美國到劍橋大學(xué)做博士后時，雖然其真實意圖是要研究DNA分子結(jié)構(gòu)，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(dāng)時正在做博士論文，論文題目是“多肽和蛋白質(zhì)：X射線研究”。沃森說服與他分享同一個辦公室的弗朗西斯·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(xué)方面的知識。他們從1951年10月開始拼湊模型，幾經(jīng)嘗試，終于在1953年3月獲得了正確的模型。關(guān)于這三個實驗室如何明爭暗斗，互相競爭，由于沃森一本風(fēng)靡全球的自傳《雙螺旋：發(fā)現(xiàn)DNA結(jié)構(gòu)的故事》而廣為人知。值得探討的一個問題是：為什么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(gòu)分子模型的豐富經(jīng)驗(他們兩個人都是第一次建構(gòu)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(xué)家，而是物理學(xué)家或化學(xué)家。莫里斯·威爾金斯雖然在1950年最早研究脫氧核糖核酸的晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)時卻對DNA究竟在細胞中干什么一無所知，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(xué)學(xué)會雜志》上看到一篇核酸結(jié)構(gòu)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(dāng)作化合物，而不是遺傳物質(zhì)來研究的。這兩個研究小組完全根據(jù)晶體衍射圖建構(gòu)模型，鮑林甚至根據(jù)的是30年代拍攝的模糊不清的衍射照片。不理解脫氧核糖核酸的生物學(xué)功能，單純根據(jù)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(jīng)做過用同位素標(biāo)記追蹤噬菌體DNA的實驗，堅信DNA就是遺傳物質(zhì)。據(jù)他的回憶，他到劍橋后發(fā)現(xiàn)弗朗西斯·克里克也是“知道DNA比蛋白質(zhì)更為重要的人”。但是按克里克本人的說法，他當(dāng)時對DNA所知不多，并未覺得它在遺傳上比蛋白質(zhì)更重要，只是認(rèn)為DNA作為與核蛋白結(jié)合的物質(zhì)，值得研究。對一名研究生來說，確定一種未知分子的結(jié)構(gòu)，就是一個值得一試的課題。在確信了脫氧核糖核酸是遺傳物質(zhì)之后，還必須理解遺傳物質(zhì)需要什么樣的性質(zhì)才能發(fā)揮基因的功能。像克里克和莫里斯·威爾金斯，沃森后來也強調(diào)埃爾溫·薛定諤的《生命是什么？》一書對他的重要影響，他甚至說他在芝加哥大學(xué)時讀了這本書之后，就立志要破解基因的奧秘。如果這是真的，我們就很難明白，為什么沃森向印第安納大學(xué)申請研究生時，申請的是鳥類學(xué)。由于印第安那大學(xué)動物系沒有鳥類學(xué)專業(yè)，在系主任的建議下，沃森才轉(zhuǎn)而從事遺傳學(xué)研究。當(dāng)時大遺傳學(xué)家赫爾曼·弗里德里?！た娎?/a>(Hermann Muller)恰好正在印第安那大學(xué)任教授，沃森不僅上過繆勒關(guān)于“突變和基因”的課(分?jǐn)?shù)得A)，而且考慮過要當(dāng)他的研究生。但覺得繆勒研究的果蠅在遺傳學(xué)上已過了輝煌時期，才改拜研究噬菌體遺傳的薩爾瓦多·盧瑞亞(Salvador Luria)為師。但是，繆勒關(guān)于遺傳物質(zhì)必須具有自催化、異催化和突變?nèi)匦缘挠^念，想必對沃森有深刻的影響。正是因為沃森和弗朗西斯·克里克堅信脫氧核糖核酸是遺傳物質(zhì)，并且理解遺傳物質(zhì)應(yīng)該有什么樣的特性，才能根據(jù)如此少的數(shù)據(jù)，做出如此重大的發(fā)現(xiàn)。
他們根據(jù)的數(shù)據(jù)僅有三條：第一條是當(dāng)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種堿基(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(jù)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(jù)是最為關(guān)鍵的。美國生物化學(xué)家埃爾文·查戈夫(Erwin Chargaff)測定脫氧核糖核酸的分子組成，發(fā)現(xiàn)DNA中的4種堿基的含量并不是傳統(tǒng)認(rèn)為的等量的，雖然在不同物種中4種堿基的含量不同，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(fā)布了這個重要結(jié)果，但奇怪的是，研究DNA分子結(jié)構(gòu)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，與小托馬斯·沃森和克里克見面后，沃森和克里克對他的結(jié)果也不加重視。在沃森和弗朗西斯·克里克終于意識到查加夫比值的重要性，并請劍橋的青年數(shù)學(xué)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的寬度相等之后，很快就拼湊出了脫氧核糖核酸分子的正確模型。
參考資料 >