DNA雙螺旋（DNA double helix）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(gè)右手的雙螺旋結(jié)構(gòu)。1953年4月25日，克里克和沃森在英國(guó)雜志《自然》上公開了他們的DNA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(duì)扁平環(huán)連結(jié)著。

簡(jiǎn)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)，通過磷酸二脂鍵相連，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(duì)螺旋由10對(duì)堿基組成，堿基按A-T，G-C配對(duì)互補(bǔ)A〢T,G〣C，彼此以氫鍵相聯(lián)系。維持DNA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(gè)大溝和一個(gè)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(duì)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，克里克和沃森合作在英國(guó)《自然》雜志上發(fā)表了一篇名為《核酸的分子結(jié)構(gòu)———DNA的一種可能結(jié)構(gòu)》的短文。此后研究證實(shí)，他們對(duì)DNA結(jié)構(gòu)的描述恰當(dāng)，令人難以置信。那篇短文被認(rèn)為是“生物學(xué)的一個(gè)標(biāo)志，開創(chuàng)了新的時(shí)代”。1962年，克里克、沃森和威爾金斯分享了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。

1953年4月25日，克里克和沃森在英國(guó)雜志《自然》上公開了他們的DNA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(duì)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(gè)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(shí)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DNA分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)。那么在DNA的二級(jí)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(bǔ)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(huì)發(fā)生互變的。

21世紀(jì)是信息時(shí)代或者生命信息的時(shí)代，僅北京就有多處立起了DNA雙螺旋的建筑雕塑，其中北京大學(xué)后湖北大生命科學(xué)院的一個(gè)研究所門前立有一個(gè)巨大的雙螺旋模型。人們?nèi)菀装阉胂鬄镈NA模型，其實(shí)是不對(duì)的，因?yàn)榈袼苁亲笮?，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(cuò)誤的。

科學(xué)家首次直接拍攝到DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

意大利熱那亞大學(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(tuán)隊(duì)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。

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(jié)構(gòu)只能夠通過DNA“繩索”進(jìn)行觀察，這些細(xì)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(xì)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(xiàng)技術(shù)來觀察DNA與其它物質(zhì)之間的交互作用。

模型

DNA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(lán)、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(jié)構(gòu)的DNA分子鏈，而且還可以直觀地表達(dá)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DNA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)棕色塑料色棒（代表磷酸P）共五種另件所組成。

b．紅球和黃球直徑φ18，各帶有一個(gè)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(gè)直徑φ6的圓孔，圓孔內(nèi)部前后各突起一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)。

c．藍(lán)球和綠球直徑也是φ18，也各帶有一個(gè)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(gè)直徑φ6的圓孔，圓孔內(nèi)部沿圓周對(duì)稱地突起三個(gè)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(duì)稱地開有三個(gè)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(shí)現(xiàn)。d．每個(gè)色球除帶有一個(gè)白色圓柱形突出物外，還各開有二個(gè)直徑φ6的圓孔，它們的位置一上一下、一左一右，分別對(duì)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(gè)色球相對(duì)著的二個(gè)φ6圓孔，可將任意二個(gè)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(gè)色球，e．每一對(duì)配對(duì)色球上的一個(gè)φ3半圓形凸起物和一個(gè)φ3半圓形凹槽代表一個(gè)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(shí)現(xiàn)A－T、G－C之間的嚴(yán)格配對(duì)關(guān)系，利用這種配對(duì)關(guān)系，可組成互補(bǔ)配對(duì)的DNA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(shí)，變?yōu)閁：尿嘧啶）。

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(gè)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(dá)以控制細(xì)胞活動(dòng)，并且能夠突變并保留突變。這4點(diǎn)，缺一不可，如何建構(gòu)一個(gè)DNA分子模型解釋這一切？

當(dāng)時(shí)主要有三個(gè)實(shí)驗(yàn)室?guī)缀跬瑫r(shí)在研究DNA分子模型。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)室是倫敦國(guó)王學(xué)院的威爾金斯、弗蘭克林實(shí)驗(yàn)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(shí)，晶格中的原子或分子會(huì)使射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，根據(jù)得到的衍射圖像，可以推測(cè)分子大致的結(jié)構(gòu)和形狀。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)室是加州理工學(xué)院的大化學(xué)家萊納斯·鮑林 - Linus Pauling實(shí)驗(yàn)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(gè)則是個(gè)非正式的研究小組，事實(shí)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(guó)到劍橋大學(xué)做博士后時(shí)，雖然其真實(shí)意圖是要研究DNA分子結(jié)構(gòu)，掛著的課題項(xiàng)目卻是研究煙草花葉病毒。比他年長(zhǎng)12歲的克里克當(dāng)時(shí)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(gè)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(xué)方面的知識(shí)。

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(gè)實(shí)驗(yàn)室如何明爭(zhēng)暗斗，互相競(jìng)爭(zhēng)，由于沃森一本風(fēng)靡全球的自傳《雙螺旋》而廣為人知。值得探討的一個(gè)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(shí)驗(yàn)資料，又不像鮑林那樣有建構(gòu)分子模型的豐富經(jīng)驗(yàn) - 他們兩個(gè)人都是第一次建構(gòu)分子模型，卻能在這場(chǎng)競(jìng)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。威爾金斯雖然在1950年最早研究DNA的晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)時(shí)卻對(duì)DNA究竟在細(xì)胞中干什么一無(wú)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(xì)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(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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(gè)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DNA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(shí)驗(yàn)，堅(jiān)信DNA就是遺傳物質(zhì)。據(jù)他的回憶，他到劍橋后發(fā)現(xiàn)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(shí)對(duì)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(duì)一名研究生來說，確定一種未知分子的結(jié)構(gòu)，就是一個(gè)值得一試的課題。在確信了DNA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。像克里克和威爾金斯，沃森后來也強(qiáng)調(diào)薛定諤的《生命是什么？》一書對(duì)他的重要影響，他甚至說他在芝加哥大學(xué)時(shí)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那大學(xué)申請(qǐng)研究生時(shí)，申請(qǐng)的是鳥類學(xué)。由于印第安那大學(xué)動(dòng)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(shí)大遺傳學(xué)家赫爾曼·繆勒 - 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(shí)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(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(duì)沃森有深刻的影響。正是因?yàn)槲稚涂死锟藞?jiān)信DNA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(shí)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(zhǎng)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(guó)生物化學(xué)家埃爾文·查戈夫 - Erwin Chargaff測(cè)定DNA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(gè)重要結(jié)果，但奇怪的是，研究DNA分子結(jié)構(gòu)的這三個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)他的結(jié)果也不加重視。在沃森和克里克終于意識(shí)到查加夫比值的重要性，并請(qǐng)劍橋的青年數(shù)學(xué)家約翰·格里菲斯 - John Griffith計(jì)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DNA分子的正確模型。