第一篇：發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的故事

發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的故事

在剛剛過去的20世紀，遺傳學也許是發(fā)展最快、變化最烈的一門自然科學學科。1900年孟德爾（G.Mendel）揭示的生物遺傳規(guī)律被重新發(fā)現(xiàn)，2000年人類基因組全序列工作草圖宣告完成，這一頭一尾兩件大事充分展現(xiàn)了100年來遺傳學的重大發(fā)展，而連接首尾的關節(jié)點，則是1953年沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.C.Crick）共同提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

發(fā)現(xiàn)的前夜

20世紀上半葉的幾十年，幾代科學家不懈的努力終于將遺傳物質(zhì)的化學本質(zhì)確定為DNA。在此基礎上，玻爾（N.Bohr）、德爾布呂克（M.Delbrück）、薛定諤（E.Schr o dinger）等一批物理學家的適時加入，將物理學的新觀點、思維方式和研究手段引入遺傳學研究，深深影響著整整一代戰(zhàn)后的青年科學家，包括沃森和克里克。

克里克是一個深受薛定諤思想影響的物理學家，戰(zhàn)后從物理學轉(zhuǎn)入生物學研究。他認為，運用物理學和化學的科學概念和精確的術語重新思考生物學的基本問題，是會有成果的。他思考問題敏銳深刻，不停頓地思考與評論是他最大的嗜好。沃森說：“他掌握別人的資料，并使之條理化的速度之快，令人倒吸一口冷氣。”也正因為這一點，在克里克的周圍聚集了一批沃森這樣的優(yōu)秀青年科學家。1951年，23歲的沃森來到英國劍橋著名的卡文迪什實驗室，在那里遇到了大他12歲的克里克，開始了現(xiàn)代生物學史上最動人心弦的合作。

沃森和克里克決定一起揭示DNA分子結(jié)構(gòu)后，立刻確定目標：提出一個結(jié)構(gòu)模型，它既要能解釋X射線衍射分析的圖像，又要能闡明基因自體催化（復制）和異體催化（編碼蛋白質(zhì)）等生物學性質(zhì)。

那當時有關DNA結(jié)構(gòu)的知識是怎樣的呢？從物理學性質(zhì)講：根據(jù)阿斯特伯里（W.Astbury）等人的X射線衍射分析資料，DNA是由許多亞單位疊合在一起組成的，疊層間距是0.34納米；DNA是一個長鏈分子，在整個分子線性結(jié)構(gòu)中，分子的直徑是衡定的。

從化學性質(zhì)講：DNA含有4種堿基，即兩種嘌呤（A和G）和兩種嘧啶（C和T），以及脫氧核糖和磷酸根。一個堿基、一個糖分子和一個磷酸根組成一個結(jié)構(gòu)單位，叫核苷酸。核苷酸之間經(jīng)磷酸酯鍵相連，組成分子的骨架結(jié)構(gòu)。影響重大的四件事情

他們面臨的第一個問題是如何設想DNA分子中核苷酸的排列和連接，使之保證DNA大分子內(nèi)部的幾何協(xié)調(diào)和力的平衡，在化學上趨于最穩(wěn)態(tài)，還要保證DNA作為遺傳物質(zhì)所需的復制精確性。組成分子骨架的糖磷酯鍵是結(jié)合力最強的共價鍵。然而X射線衍射分析表明，DNA分子中有不止一個這樣的骨架，那么多個長鏈骨架是怎樣結(jié)合在一起的呢？會不會是多條核苷酸鏈靠堿基間的氫鍵相互連接？如果是這樣，那堿基間就有三種不同連接方式：相同的堿基相互連接，如A與A相連；相同類別的堿基相連，即嘌呤與嘌呤、嘧啶與嘧啶相連；不同類別的堿基相連，即嘌呤與嘧啶相連。

還有，這種連接究竟是不同多核苷酸鏈上的堿基相互連接呢，還是同一條鏈不同部位上的堿基相互連接呢？這后一種設想也就是所謂單鏈回旋折疊自我連接，也是沃森和克里克最初的想法，顯然受了蛋白質(zhì)肽鏈折疊模式的影響。然而，在接下來的一年半中，至少有四件事使他們摒棄了這種看法。

第一件，1952年6月，在聽完天文學家高爾特（T.Gold）的講座“完美的宇宙學原理”后，沃森、克里克和劍橋大學數(shù)學系研究生格里菲斯（J.Griffith）閑談有沒有“完美的生物學原理”，又談到DNA的復制，談到DNA分子中堿基間如何形成穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。格里菲斯對基因的復制很感興趣，應他們的請求，他答應用量子力學和化學鍵理論來計算不同堿基間的吸引力大小，以及如何搭配才能使分子趨于最穩(wěn)態(tài)。不久，格里菲斯告訴他們，理論計算表明A吸引T，G吸引C?？死锟肆⒖滔氲?，A吸引B、B吸引A，這樣相互形成的專一性配對不就能解釋鏈的復制嗎。那么，怎樣把堿基互補和DNA分子的三維結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來呢？克里克動腦筋的速度實在太快了，甚至連格里菲斯所講的相互間吸引力最大的堿基對是什么都沒有記住。

第二件，也是在那年六七月間，哥倫比亞大學教授查伽夫（E.Chargaff）訪問劍橋，來到卡文迪什實驗室?？系卖?J.C.Kendrew)把兩位年輕人介紹給查伽夫。這是一次非常重要的會見，克里克多年后記述了這次會見：“起初，我們談了許多有關蛋白質(zhì)的問題，后來我問及核酸研究現(xiàn)狀，查伽夫頓了一下說：?一句話說完，就是1:1。? 我又問1:1是什么意思，他說：?文章已經(jīng)發(fā)表了。? 毫無疑問，我漏讀了查伽夫的重要文章，感到茫然若失。他又補充了一句：?這是電效應的緣故。?我突然閃現(xiàn)了一個念頭，?天哪！1:1不就是互補配對嗎？?他還講了些什么，我一點也沒有聽見。告別了查伽夫，我立刻去找格里菲斯，請他再告訴我，理論計算表明哪兩種堿基間吸引力最大。我轉(zhuǎn)而去查閱查伽夫的文章，頓時驚呆了：格里菲斯算出來的堿基對A配T、G配C，正是查伽夫?qū)嶒炛锌朔肿恿砍尸F(xiàn)1:1比例的堿基對?！边@就是著名的查伽夫當量定律，即分子數(shù)A＝T、G＝C。

第三件，沃森和克里克成功地運用了鮑林(L.C.Pauling)提出的生物大分子結(jié)構(gòu)分析方法。鮑林根據(jù)量子力學原理，提出了作為量子化學基石的化學鍵理論，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究中提出了肽鏈折疊通過氫鍵形成α螺旋的學說。他通過多肽鏈基本構(gòu)件的拼裝組合，構(gòu)建出符合蛋白質(zhì)晶體X射線衍射分析圖像的結(jié)構(gòu)模型，并據(jù)此建立了結(jié)構(gòu)分析的所謂“第一性原理”，又稱逼近法。它要求從生物大分子最基本的構(gòu)件出發(fā)，運用化學規(guī)律找出構(gòu)件間可能形成的所有排列方式，特別要考慮對整個大分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有決定作用的氫鍵的形成方式；再將所獲得的各種理論模型與X射線圖像一一對比，不斷修正，并決定取舍。兩人運用逼近法測定各種嘌呤和嘧啶的大小、堿基對的排列、氫鍵的引力，以及DNA分子直徑、螺距、鍵角等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，再與衍射圖像一一對比，不斷校正，逐步逼近真實狀態(tài)。值得一提的是，鮑林當時也在構(gòu)建DNA分子結(jié)構(gòu)模型。威爾金斯（M.Wilkins）和富蘭克林（R.Franklin）也在利用衍射圖像分析DNA的結(jié)構(gòu)，與沃森和克里克保持著經(jīng)常的聯(lián)系和深入交流。威爾金斯和富蘭克林的思路與鮑林不同，他們作為晶體結(jié)構(gòu)學家，總是先從衍射圖像中的點及點的密集程度出發(fā)，并考慮衍射點的分布特點，經(jīng)數(shù)學變換，將衍射圖像詮釋為分子中的各種化學鍵的鍵長、鍵角等結(jié)構(gòu)要素。1953年2月，沃森和克里克從富蘭克林的X射線衍射圖像分析，雖然還不能肯定DNA是雙鏈還是三鏈，卻已明白在DNA的螺旋結(jié)構(gòu)中糖磷酯骨架在外側(cè)，堿基在分子內(nèi)部。這是非常重要的發(fā)現(xiàn)，鮑林的錯誤之一就是認為糖磷酯鍵在分子中央。

現(xiàn)在，橫在沃森和克里克面前的問題是DNA分子究竟由幾條鏈組成，這些鏈又是怎樣相互連接的。

第四件事，有機分子在不同的條件下往往具有不同的構(gòu)型，它們互為異構(gòu)體。當時，沃森和克里克畫在草圖上的堿基只是若干種異構(gòu)體中的一種，這種結(jié)構(gòu)很難同時符合分子的幾何結(jié)構(gòu)要求和化學穩(wěn)定性要求。他們?nèi)フ埥虒嶒炇业脑L問學者多諾休（J.Donohue）。多諾休是曾和鮑林共事的量子化學家，他看了沃森的草圖后，指出他們畫的堿基構(gòu)型屬于烯醇式，應該改為酮式異構(gòu)體。這真是神來之筆！克里克在回憶中寫道：“多諾休和沃森站在黑板旁邊，我坐在辦公桌一側(cè)。突然，我看到了一幅堿基對互補的圖像，它能解釋1:1。太妙了，真是再美不過了！就在1953年2月20日星期五的這一刻，我們都明白了，堿基在分子內(nèi)部，它們是靠氫鍵來專一性配對的?！?/p>

沃森很快發(fā)現(xiàn)，在酮式結(jié)構(gòu)情況下，A-T堿基對與G-C堿基對長度相等，又恰恰與DNA分子的直徑相當，這使沃森和克里克確信DNA是雙鏈而不是三鏈。

沃森和克里克花了整整一個星期來設計DNA結(jié)構(gòu)模型，測量了兩種堿基對和DNA長鏈上每一種鍵的旋轉(zhuǎn)角度，并和X射線衍射圖像一一對比，不斷修正。沃森以驚人的記憶力把從威爾金斯和富蘭克林實驗室得到的新的信息全部融入了這個模型，克里克以他特有的思想和表達能力把一切都記錄下來。他們的合作真是到了水乳交融、你我不分的地步。成功的模型

3月29日是三月份最后一個周末，兩人終于完成了文稿。但因秘書休假，沃森請正在英國度假的姐姐幫忙打字，姐弟倆整整忙了一個下午。沃森對姐姐說：“我們的工作，稱得上是達爾文進化論發(fā)表以來，生物學中最為轟動的事件。”

4月1日，他們把文章送給實驗室主任布拉格（W.L.Bragg）。布拉格非常高興，原因至少有兩條：第一，這件了不起的事是在卡文迪什實驗室完成的，而不是在鮑林的實驗室；第二，他和他父親所建立的晶體X射線衍射分析方法，在探索生命本質(zhì)的研究中發(fā)揮了十分重要的作用。布拉格對文章作了少許文字修飾，附了一封推薦信，在4月2日就發(fā)往《自然》周刊。鮑林聞訊時正在赴布魯塞爾開會途中，特地于4日趕到劍橋。他仔細看了模型，又看了富蘭克林的DNA衍射照片，當即向兩位年輕人祝賀。布拉格主任設宴歡慶。

1953年4月25日，《自然》周刊發(fā)表了這篇僅有900多字的文章：DNA的分子結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)模型的要義是：DNA是一個長長的雙鏈分子，由兩條同軸反向相互纏繞的多核苷酸鏈組成，外側(cè)是由脫氧核糖和磷酸根組成的分子骨架，中間是由互補的堿基對組成的階梯，堿基配對方式是A配T，C配G；堿基對間距為0.34納米，每10個堿基對形成一個螺旋周期，螺旋直徑為1納米。這個模型既能從螺旋性、分子直徑、堿基對的幾何學尺度等方面闡明X射線衍射圖像，又能以堿基專一性互補配對來解釋查伽夫當量定律。

這個模型不但外形美，更有內(nèi)在的科學美。它的科學美體現(xiàn)在兩個方面。第一，堿基配對的專一性保證了復制的高度精確性，只要一條鏈上的堿基序列確定了，其互補鏈上的堿基序列也隨之確定了；第二，就一條鏈而言，模型并不限制堿基排列順序，這保證了DNA可以負載無窮多樣的遺傳信息。這充分體現(xiàn)了基因的屬性：變異的無窮多樣性和復制的高度精確性。1962年，沃森、克里克因發(fā)現(xiàn)DNA分子結(jié)構(gòu)，與改進了X射線衍射技術的威爾金斯一起獲得了諾貝爾醫(yī)學或生理學獎。

也許大家會問：沃森和克里克為什么會成功？

從X射線衍射分析技術看，沃森和克里克是不及威爾金斯和富蘭克林的；就結(jié)構(gòu)化學知識而言，沃森和克里克更不是鮑林的對手。沃森和克里克能夠在這場科學競賽中取勝，靠的是兩人的合作，靠的是知識和能力的互補，靠的是博采眾家之長。這對組合最強的優(yōu)勢是把物理和化學的研究資料都放到生物學背景上去考慮，時刻牢記DNA是遺傳物質(zhì)，搞清楚DNA分子結(jié)構(gòu)，就是為了在分子水平上闡明基因的自體催化和異體催化。迄今為止，搞清楚結(jié)構(gòu)的大分子不計其數(shù)，結(jié)構(gòu)之復雜、精度之高都大大超出雙螺旋模型，有不少也得了諾貝爾獎。但全世界唯獨把1953年4月25日來紀念，并把2003年4月25日定為國際DNA日，就是因為這個模型深刻的生物學內(nèi)涵——它揭示了生命的分子本質(zhì)，揭示了DNA的生物學之魂！

第二篇：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對生物技術的影響

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對生物技術的影響

生工1202 陸晴川（3120100400）DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出開始，便開啟了以遺傳學為中心的分子生物學時代。分子生物學使生物大分子的研究進入一個新的階段，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開，人們清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑.在以后的近50年里，分子遺傳學，分子免疫學，細胞生物學等新學科如雨后春筍般出現(xiàn)，一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，DNA重組技術更是為利用生物工程手段的研究和應用開辟了廣闊的前景。在此基礎上相繼產(chǎn)生了基因工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程等，這些生物技術的發(fā)展必將使人們利用生物規(guī)律造福于人類。

在我看來，對生物技術的影響主要有以下幾類。

DNA檢測技術。這個可以用在親子鑒定，犯罪現(xiàn)場檢驗。

轉(zhuǎn)基因技術。目前轉(zhuǎn)基因經(jīng)常在報紙上出現(xiàn)，主要是民眾對轉(zhuǎn)基因食品的安全性有懷疑。

克隆技術，如克隆魚，克隆細胞，克隆羊多莉等。

基因治療：遺傳病的基因治療是指應用基因工程技術將正?；蛞牖颊呒毎麅?nèi)，以糾正致病基因的缺陷而根治遺傳病。

第三篇：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是上世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)之一

由DNA雙螺旋引發(fā)的感想 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是上世紀最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，直至現(xiàn)今社會DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對很多領域的發(fā)展都起到了很好的推波助瀾的作用，特別是dna鑒定方面的一些作用在案件的偵破等方面最為突出。

有人說“沒有任何一項法庭證據(jù)鑒別技術像DNA鑒定一樣，能夠以99.9999%的精度鎖定或排除犯罪嫌疑人。”不論是在影視作品還是一些法制欄目中，我們都可以看到很多利用DNA鑒別技術鑒定嫌疑人或是兇手遺留下來的蛛絲馬跡從而很好的解決案件的事例。在還沒有DNA鑒定技術前，需要花費很長時間尋找一切線索進行很多推斷，很有可能錯過很多破案的關鍵。然而在今天，兇手掉落的毛發(fā)或被害者被害時由于掙扎而殘留在指甲中的一些碎屑，甚至是一滴還未干的血液，通過檢測DNA都可以更容易的鎖定犯人。

在電影侏羅紀公園中，科學家也是通過發(fā)現(xiàn)一只被封在琥珀里的剛吸過恐龍血的蚊子，提取了蚊子肚子里的恐龍血才有了復制出恐龍的可能。雖然這只是科幻片中的內(nèi)容，在現(xiàn)實世界中似乎很難有這樣的機會，但是也不能否定在未來是會成為現(xiàn)實的事情。

在古代，滴血認親成了檢驗父子關系的唯一證據(jù)，而作為現(xiàn)代人我們都知道，不管是誰的血都會相溶，這就會造成很多誤判。就像近日復旦大學通過曹操的DNA公布了曹操并非夏侯氏抱養(yǎng)的。親子鑒定成為了DNA在現(xiàn)在社會中一項很重要的技術。人們會有很多不同的原因造成父母所養(yǎng)育的孩子不是自己的親生子，特別是由于個別醫(yī)院的疏忽，報錯孩子會成為一些家庭一生的遺憾，而這時如果沒有DNA技術而是還使用滴血認親這古老的方法，那很有可能會讓這個誤會繼續(xù)下去了。

從上面講的不光是在破案方面或者是個人DNA鑒定方面，我認為應該建立一個全民DNA數(shù)據(jù)庫，每個人都有獨一無二的DNA結(jié)構(gòu)，把我們每個人的DNA與個人信息相關聯(lián)，對于案件的偵查或者個人DNA檢測以及醫(yī)療都有很好的。特別的，因為人口分布的地域不同，通過大范圍的人口的DNA的搜集也會對人類的不同的進化有一些幫助。

第四篇：“制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”教學設計

“制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型”教學設計

【活動目的與意義】

1制作模型的過程是一個知識內(nèi)化的過程，通過親手制作，可以促進學生對DNA分子“雙螺旋結(jié)構(gòu)”和“反向平行”特點的理解和認識。

2通過討論、交流與撰寫活動報告，培養(yǎng)學生觀察問題、分析和歸納問題的能力以及語言表達和書面表達能力。

3通過制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，培養(yǎng)學生互助合作的精神和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，并使他們在具體的制作過程中體驗到成功的喜悅。

4通過分析DNA分子結(jié)構(gòu)模型，將抽象知識形象化，有利于學生準確把握DNA分子結(jié)構(gòu)的知識，為后續(xù)學習遺傳部分的知識奠定良好的基礎。

【活動程序】

1制定活動方案

1.1課前進行相應的知識儲備

課前學生學習了DNA分子結(jié)構(gòu)的基礎知識，以及通過圖書館、網(wǎng)絡等途徑收集和掌握了一些有關DNA結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的科學史的材料，為課上進行相互討論、交流與模型的順利制作提供了必要的知識準備。

1.2活動材料用具的準備

硬塑料方框、不同顏色的硬紙板、金屬細絲、訂書機、訂書釘、剪刀、粗鐵絲。

1.3提供模型制作的參考數(shù)據(jù)

1.4設計活動方案流程

2實施活動方案

2.1分組并發(fā)放活動材料

每班分若干個小組，每小組4人。各組都配發(fā)硬塑料方框2個（5cm×10?M）、六種不同顏色的硬紙板各1張（20?M×20?M）、細鐵絲2根（長0.5m）、粗鐵絲2根（長約10?M）訂書機1個、訂書釘若干、剪刀1把、活動報告（每人一份）。

2.2分組討論制作模型的步驟和注意事項

在學生討論之前，教師先展示預設的問題和制作模型的參考數(shù)據(jù)，為學生討論模型的制作提供幫助。設計的問題如下：

（1）分別用何材料表示磷酸基團、脫氧核糖、各種含氮堿基？這幾種物質(zhì)在什么部位相連接？

（2）如何表示磷酸二酯鍵、氫鍵以及氫鍵的數(shù)目？

（3）如何體現(xiàn)DNA分子兩條鏈之間的反向平行關系？

（4）怎樣才能使DNA分子的平面模型改變成立體模型？

以實驗小組為單位，觀察并分析教材上的DNA分子結(jié)構(gòu)的立體圖和平面圖，然后根據(jù)實驗桌上所提供的材料，以及教師提供的問題，組織本組成員展開討論，設計出實驗步驟，找出模型制作的過程中應注意的問題。教師適時組織各小組闡述自己設計的實驗步驟，教師根據(jù)學生設計中出現(xiàn)的具體問題進行適當點撥和評價。

教學意圖： 通過學生自己分析各材料用具的作用，自己設計實驗步驟，培養(yǎng)學生分析解決實際問題的能力以及實驗設計能力。

2.3按照分工制作模型

在學生制作模型之前，教師給予下列提示：

（1）先按照分工制作配件，再將各種配件正確的組合在一起，最后，對制作的模型進行檢查，修補存在的缺陷。

（2）各個小組在堿基的排列順序上盡可能地隨機，不能照搬書上的堿基順序。時間控制在10分鐘以內(nèi)。

在學生制作的過程中，教師根據(jù)他們的質(zhì)疑，給予相應的指導，如表示各分子紙片制作的大小，粗鐵絲在模型中位置的確定等。

教學意圖：增強學生對DNA分子的平面結(jié)構(gòu)及雙螺旋空間結(jié)構(gòu)感性認識，培養(yǎng)學生的協(xié)同合作意識，并使他們在模型制作的過程中體驗成功的喜悅。

2.4表達與交流

各小組選一名代表展示自己的模型，并從以下幾個方面進行闡釋：

（1）表示各種小分子的紙片是否用不同的形狀進行區(qū)分。

（2）各個分子之間的連接是否正確。

（3）不同堿基對之間的氫鍵數(shù)量是否有誤。

（4）各個紙片間是否有重疊現(xiàn)象.（5）DNA分子的兩條鏈之間是否呈反向平行關系。

在充分表達與交流的基礎上，各組借鑒其他小組提供的合理化建議，對本組制作的模型進行完善和修正。最后由教師對各組的活動成果進行總體評價，同時強調(diào)模型的制作必須尊重客觀事實，不能為了美觀好看而主觀臆造。

教學意圖： 培養(yǎng)學生語言表述能力和實事求是的科學態(tài)度。

2.5分析與討論

2.5.2你覺得每個小組制作的DNA相同嗎？每個DNA分子之間的差異主要在哪里？

指導學生觀察各組制作的模型，分析比較，由它們的共性總結(jié)出DNA分子的結(jié)構(gòu)特點；由它們的區(qū)別總結(jié)出DNA分子的特性：多樣性和特異性。使學生對DNA分子的多樣性及特異性從感性認識升華到理性的認識，真正理解 “世界上沒有兩個完全相同的人”“每個人的DNA就是自己的身份證”等道理。另外，DNA分子的多樣性與蛋白質(zhì)分子的多樣性有很大的相通之處，教師可引導學生作適當遷移，為學習基因的表達埋下伏筆。

【布置作業(yè)】

1撰寫《制作DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型》的活動報告

2總結(jié)在制作和運用DNA分子模型的過程中的經(jīng)驗得失，尋找更好的材料用具和方法，再次設計制作更科學、更美觀、使用更方便的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

教學意圖：鞏固所學知識，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神。

【活動總結(jié)】

1學生在活動的過程中始終處于積極主動的狀態(tài)，課堂教學效果較好。此次活動，不僅使學生掌握了DNA分子結(jié)構(gòu)的知識，而且還提高了學生設計實驗、動手操作以及分析歸納的能力。

3本節(jié)課制作的DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，只能體現(xiàn)各個分子之間的連接方式及兩條鏈之間的反向平行關系，不能真實的呈現(xiàn)DNA分子的立體結(jié)構(gòu)，還有待于在今后的教學過程中進一步探索。

第五篇：X射線衍射與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的測定

X射線衍射與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的測定

（P718x射線及x射線衍射）

1895年，德國物理學家倫琴在研究陰極射線管的過程中發(fā)現(xiàn)用高能電子束轟擊金屬靶時，能得到一種穿透力很強的射線，由于當時不知這種射線的實質(zhì)（或本性）而將它成為x射線。

圖1 X射線的發(fā)現(xiàn)

為了解開x射線的本性之謎，當時的科學家讓x射線通過電場或磁場，但沒有發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這說明x射線不是一種帶電的粒子流。人們也想過它可能是一種波長很短的光波，但很難找到一種有效的實驗手段觀察到x射線的干涉或衍射現(xiàn)象，更談不上測

出它的波長。

直到1912年，既x射線發(fā)現(xiàn)17年后德國物理學家勞厄才找到了x射線具有波動本性的最有力的實驗證據(jù)：。他用連續(xù)譜X射線照射單晶體，在晶體后放置感光片，發(fā)現(xiàn)感光片上出現(xiàn)許多分散的斑點（勞厄斑)，這即是x射線通過晶體時發(fā)生的衍射現(xiàn)象。W.L.布拉格指出勞厄斑的產(chǎn)生是X射線衍射的結(jié)果，并給出了簡單明了的解釋。X 射線是波長很短的電磁波，在可見光波段使用的衍射器件(如光柵)對X射線幾乎不起衍射作用。晶體內(nèi)的原子作周期性的規(guī)則排列，排列的空間周期與 X射線波長同數(shù)量級，故晶體對X射線來說相當于

三維光柵，能產(chǎn)生明顯的衍射效應。晶體可抽象成由格點組成的點陣結(jié)

構(gòu)，這些格點均分布在一系列互相平行的平面上，稱點陣平面或晶面，一組平行晶面構(gòu)成晶面族?？紤]任一晶面族，相鄰兩晶面的間距為d，X射線以掠入射角a(稱說，在鏡反射方向有最強的衍射，但就整個晶面族而言，鏡反射方向(衍射角為2a)上總的衍射強度取決于各晶面的反射波的相干疊加結(jié)果。干涉極大滿足如下條件：2dsina＝kλ;，式中k為整數(shù)；λ為波長。上式稱布拉格公式，是分析X射線衍射的基本公式。由此可見，若已知x射線的波長就可以通過測量掠射角來測定晶體的晶面間距，分析晶體結(jié)構(gòu)；分析晶體結(jié)構(gòu);反之若已知晶體結(jié)構(gòu)就可以通過測量入射角來測定x射線的波長。今天，x射線衍射測量原理已經(jīng)發(fā)展成多種現(xiàn)代化的方法和技術，并廣泛應用于晶體及物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析中。

圖2 布拉格公式推導

20世紀50年代，結(jié)構(gòu)學派的新西蘭物理學家威爾金斯選擇了DNA作為研究生物大分子的理想材料，并在方法上采取了“x射線衍射法”。他認為DNA分子的x射線衍射研究對于建立嚴格的分子模型是有幫助的。他和他的同事獲得了世界上第一張DNA纖維x射線衍射圖，證明了DNA分子式單鏈螺旋的，并在1951年意大利生物大分

子學術會議上報告了他們的研究成果。

圖3

DNA衍射圖案

沃森和克里克從非常清晰的X射線衍射照片中央的那些小小的十字架樣的圖案上，敏銳地意識到DNA分子很可能是雙鏈結(jié)構(gòu)。他們立即投入模型的重建工作，以脫

氧核糖和堿基間隔排列形成骨架——主鏈，讓堿基兩兩相連夾于雙螺旋之間。由于他們

讓相同的堿基兩兩配對，做出來的模型是扭曲的。此后，美國生物化學家查伽夫的研究

成果給了沃森和克里克很大啟發(fā)。查伽夫發(fā)現(xiàn)：（1）在他所分析的DNA樣本中，A的數(shù)目總是和T的數(shù)目相等，C的數(shù)目總是和G的數(shù)目相等。即：（A＋G）：（T＋C）=1。（2）（A＋T）：（C＋G）的比值具有物種特異性。沃森和克里克吸收了美國生物化學家查伽夫的研究成果，經(jīng)過深入的思考，終于建立了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。

“發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義對生物學來說怎么估量都不為過?！敝袊茖W院發(fā)育研究所研究員莫鑫泉先生對記者說：“用雙螺旋結(jié)構(gòu)解釋遺傳是如何進行的，這是人類對自己、對生物學認識的巨大飛躍。發(fā)現(xiàn)雙螺旋之前，科學家對生命現(xiàn)象進行了長期的思考

與研究：是什么因素使人類能夠一代

圖4

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)

一代地將遺傳特性保持下去？”的確，就是一個桌子還有腐朽變壞的時候，為什么人類就能代代延續(xù)？什么決定了人生人，老鼠生老鼠？

然而，除了生物化學，DNA分子還有其他用途。通過現(xiàn)代生物技術，我們可以制造出很長的DNA分子，上面排列著根據(jù)意愿選擇的構(gòu)建模塊序列。這為DNA的應用開辟了廣闊的新天地，而不僅限于自然界中生物進化的領域。例如，1994年美國南加州大學的M.Adleman 證明了DNA如何被用作計算設備。DNA的另一項非生物學用途：建造納米級的器械和設備——它們的基本元件和結(jié)構(gòu)只有1到100納米大小。這種元件有著許多潛在的應用。DNA制造的規(guī)則的柵格能夠有序地容納多個生物大分子，以便用X線晶體成像術測

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出開啟了分子生物學時代，使遺傳的研究深入到分子層次，“生命之謎”被打開，人們清楚地了解遺傳信息的構(gòu)成和傳遞的途徑。在以后的近50年里，分子遺傳學、分子免疫學、細胞生物學等新學科如雨后春筍般出現(xiàn)，一個又一個生命的奧秘從分子角度得到了更清晰的闡明，DNA重組技術更是為利用生物工程手段的研究和應用開辟了廣闊的前景。

定它們的結(jié)構(gòu)，這是藥物推理設計中的一個重要步驟。另外，這種柵格還 圖5 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的應用 可以成為搭載納米級電子元件的平臺——作為工作設備或是設備制造過程中的一個步驟。利用DNA制造的分子水平的精密元件還可制造新材料。活動的DNA元件還可用于納米機械的傳感器、開關、鑷子以及更精密的機器人。

參考資料

1.廖耀發(fā)《大學物理教程》（第二版），高等教育出版社

2.[美]加蘭E艾倫《20實際的生命科學史》，田明譯，上海：復旦大學出版社 3.周公度《晶體結(jié)構(gòu)測定》，北京：科學出版社

4.[美]《沃森JD雙螺旋——發(fā)現(xiàn)DNA的故事》，劉望夷等譯，北京：科學出版社

組員（排名不分先后）：吳微，劉源，徐瑤月，李瑩，曾潔，黃晶晶，