X射線衍射與DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的測(cè)定

1、X 射線衍射與 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的測(cè)定P718x 射線及 x 射線衍射）1895 年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研 究陰極射線管的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)用高能電 子束轟擊金屬靶時(shí)，能得到一種穿透 力很強(qiáng)的射線，由于當(dāng)時(shí)不知這種射 線的實(shí)質(zhì)（或本性）而將它成為 x 射圖1 X 射線的發(fā)現(xiàn)為了解開(kāi) x 射線的本性之謎，當(dāng) 時(shí)的科學(xué)家讓 x 射線通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)， 但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這說(shuō)明 x 射線 不是一種帶電的粒子流。人們也想過(guò) 它可能是一種波長(zhǎng)很短的光波，但很 難找到一種有效的實(shí)驗(yàn)手段觀察到 x 射線的干涉或衍射現(xiàn)象，更談不上測(cè) 出它的波長(zhǎng)。直到1912年，既 x 射線發(fā)現(xiàn) 17年 后德國(guó)物理學(xué)家勞厄才找到了 x

2、 射線 具有波動(dòng)本性的最有力的實(shí)驗(yàn)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(diǎn)（勞厄斑 ） ，這即是 x 射線通過(guò)晶體時(shí)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(jiǎn) 單明了的解釋。 X 射線是波長(zhǎng)很短的 電磁波 ，在可見(jiàn)光波段使用的衍射器 件（ 如光柵）對(duì) 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(zhǎng)同 數(shù)量級(jí)，故晶體對(duì) X 射線來(lái)說(shuō)相當(dāng)于 三維光柵，能產(chǎn)生明顯的衍射效應(yīng)。 晶體可抽象成由格點(diǎn)組成的點(diǎn)陣結(jié) 構(gòu)，這些格點(diǎn)均分布在一系列互相平 行的平面

3、上，稱點(diǎn)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(shuō)，在鏡反射方向有 最強(qiáng)的衍射 ，但就整個(gè)晶面族而言 ， 鏡反射方向 （ 衍射角為 2a） 上總的衍 射強(qiáng)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 k;，式中 k 為整數(shù)；為波長(zhǎng)。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(jiàn)，若已知 x 射線 的波長(zhǎng)就可以通過(guò)測(cè)量掠射角來(lái)測(cè)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(guò)測(cè)量入射角來(lái)測(cè)定 x 射線的 波長(zhǎng)。今天，x 射線衍射測(cè)量原理已經(jīng)

4、發(fā)展成多種現(xiàn)代化的方法和技術(shù)，并 廣泛應(yīng)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(dǎo)20世紀(jì) 50年代，結(jié)構(gòu)學(xué)派的新西 蘭物理學(xué)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(rèn)為 DNA分子的 x 射線衍射研究對(duì)于建立嚴(yán) 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(xué)術(shù)會(huì)議上報(bào)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(shí)到 DNA分子很可

5、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(duì)，做出來(lái)的模型是扭曲的。 此后，美國(guó)生物化學(xué)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：（AG）：（TC）=1。（2）（AT）： （C G）的比值具有物種特異性。 沃森和克 里克吸收了美國(guó)生物化學(xué)家查伽夫的研究 成果，經(jīng)過(guò)深入的思考， 終于建立了 DNA的 雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。圖4 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)物學(xué)來(lái)說(shuō)怎么估量都

6、不為過(guò)。 ”中國(guó)科 學(xué)院發(fā)育研究所研究員莫鑫泉先生對(duì) 記者說(shuō)：“用雙螺旋結(jié)構(gòu)解釋遺傳是如 何進(jìn)行的，這是人類對(duì)自己、對(duì)生物 學(xué)認(rèn)識(shí)的巨大飛躍。發(fā)現(xiàn)雙螺旋之前， 科學(xué)家對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行了長(zhǎng)期的思考 與研究：是什么因素使人類能夠一代 一代地將遺傳特性保持下去？”的確，就是一個(gè)桌子還有腐朽變壞的時(shí)候，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出開(kāi)啟了分 子生物學(xué)時(shí)代，使遺傳的研究深入到 分子層次，“生命之謎”被打開(kāi)，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(xué)、分子免疫學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等新學(xué) 科如雨后春筍般出現(xiàn)，一個(gè)又一個(gè)生 命的奧秘從分子角度得到了更清晰的 闡明，DNA重組技術(shù)更是為利用

7、生物工 程手段的研究和應(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的前 景。圖 5 DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)現(xiàn) DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的意義對(duì)生 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(xué)， DNA分子還 有其他用途。通過(guò)現(xiàn)代生物技術(shù)，我 們可以制造出很長(zhǎng)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(yīng)用開(kāi)辟了廣闊的新 天地，而不僅限于自然界中生物進(jìn)化 的領(lǐng)域。例如， 1994年美國(guó)南加州大 學(xué)的 M. Adleman 證明了 DNA如何被用 作計(jì)算設(shè)備。DNA 的另一項(xiàng)非生物學(xué)用途： 建造 納米級(jí)的器械和設(shè)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(yīng)用。 DNA制造 的規(guī)則的柵格能夠有序地容納多個(gè)生 物大分子，以便用 X 線晶體成像術(shù)測(cè) 定它們的結(jié)構(gòu)，這是藥物推理設(shè)計(jì)中 的一個(gè)重要步驟。另外，這種柵格還 可以成為搭載納米級(jí)電子元件的平臺(tái)作為工作設(shè)備或是設(shè)備制造過(guò)程 中的一個(gè)步驟。利用 DNA制造的分子 水平的精密元件還可制造新材料?；?動(dòng)的 DNA元件還可用于納米機(jī)械的傳 感器、開(kāi)關(guān)、鑷子以及更精密的機(jī)器 人。參考資料1. 廖耀發(fā)大學(xué)物理教程 （第二版）， 高等教育出版社2. 美加蘭 E艾倫