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  jmbmbmbmbm 2011-02-19 00:00:00

  自從孟德爾的遺傳定律被重新發(fā)現(xiàn)以后，人們又提出了一個問題：遺傳因子是不是一種物質(zhì)實體？為了解決基因是什么的問題，人們開始了對核酸和蛋白質(zhì)的研究。 遺傳學創(chuàng)始人孟德爾 早在1868年，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了核酸。在德國化學家霍佩·賽勒的實驗室里，有一個瑞士籍的研究生名叫米歇爾（1844--1895），他對實驗室附近的一家醫(yī)院扔出的帶膿血的繃帶很感興趣，因為他知道膿血是那些為了保衛(wèi)人體健康，與病菌“作戰(zhàn)”而戰(zhàn)死的白細胞和被殺死的人體細胞的“遺體”。于是他細心地把繃帶上的膿血收集起來，并用胃蛋白酶進行分解，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細胞遺體的大部分被分解了，但對細胞核不起作用。他進一步對細胞核內(nèi)物質(zhì)進行分析，發(fā)現(xiàn)細胞核中含有一種富含磷和氮的物質(zhì)。霍佩·賽勒用酵母做實驗，證明米歇爾對細胞核內(nèi)物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)是正確的。于是他便給這種從細胞核中分離出來的物質(zhì)取名為 “核素”，后來人們發(fā)現(xiàn)它呈酸性，因此改叫“核酸”。從此人們對核酸進行了一系列卓有成效的研究。 20世紀初，德國科賽爾（1853--1927）和他的兩個學生瓊斯（1865--1935）和列文（1869－－1940）的研究，弄清了核酸的基本化學結(jié)構(gòu)，把核酸分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。 列文急于發(fā)表他的研究成果，錯誤地認為4種堿基在核酸中的量是相等的，從而推導出核酸的基本結(jié)構(gòu)是由4個含不同堿基的核苷酸連接成的四核苷酸，以此為基礎聚合成核酸，提出了"四核苷酸假說"。這個錯誤的假說，對認識復雜的核酸結(jié)構(gòu)起了相當大的阻礙作用，也在一定程度上影響了人們對核酸功能的認識。人們認為，雖然核酸存在于重要的結(jié)構(gòu)--細胞核中，但它的結(jié)構(gòu)太簡單，很難設想它能在遺傳過程中起什么作用。 美國遺傳學家摩爾根 蛋白質(zhì)的發(fā)現(xiàn)比核酸早30年，發(fā)展迅速。進入20世紀時，組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸中已有12種被發(fā)現(xiàn)，到1940年則全部被發(fā)現(xiàn)。 1902年，德國化學家費歇爾提出氨基酸之間以肽鏈相連接而形成蛋白質(zhì)的理論，1917年他合成了由15個甘氨酸和3個亮氨酸組成的18個肽的長鏈。于是，有的科學家設想，很可能是蛋白質(zhì)在遺傳中起主要作用。如果核酸參與遺傳作用，也必然是與蛋白質(zhì)連在一起的核蛋白在起作用。因此，那時生物界普遍傾向于認為蛋白質(zhì)是遺傳信息的載體。 1928年，美國科學家格里菲斯（1877--1941）用一種有莢膜、毒性強的和一種無莢膜、毒性弱的肺炎雙球菌對老鼠做實驗。他把有莢病菌用高溫殺死后與無莢的活病菌一起注人老鼠體內(nèi)，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)老鼠很快發(fā)病死亡，同時他從老鼠的血液中分離出了活的有莢病菌。這說明無莢菌竟從死的有莢菌中獲得了什么物質(zhì)，使無莢菌轉(zhuǎn)化為有莢菌。這種假設是否正確呢？格里菲斯又在試管中做實驗，發(fā)現(xiàn)把死了的有莢膜菌與活的無莢膜菌同時放在試管中培養(yǎng)，無莢膜菌全部變成了有莢膜菌，并發(fā)現(xiàn)使無莢膜菌長出蛋白質(zhì)莢膜的就是已死的有莢膜菌殼中遺留的核酸（因為在加熱中，莢膜中的核酸并沒有被破壞）。格里菲斯稱該核酸為"轉(zhuǎn)化因子"。 1944年，美國細菌學家艾弗里（1877--1955）從有莢膜菌中分離得到活性的“轉(zhuǎn)化因子”，并對這種物質(zhì)做了檢驗蛋白質(zhì)是否存在的試驗，結(jié)果為陰性，并證明“轉(zhuǎn)化因子”是DNA。但這個發(fā)現(xiàn)沒有得到廣泛的承認，人們懷疑當時的技術(shù)不能除凈蛋白質(zhì)，殘留的蛋白質(zhì)起到轉(zhuǎn)化的作用。 美籍德國科學家德爾布呂克（1906--1981）的噬菌體小組對艾弗里的發(fā)現(xiàn)堅信不移。因為他們在電子顯微鏡下觀察到了噬菌體的形態(tài)和進入大腸桿菌的生長過程。噬菌體是以細菌細胞為寄主的一種病毒，個體微小，只有用電子顯微鏡才能看到它。它像一個小蝌蚪，外部是由蛋白質(zhì)組成的頭膜和尾鞘，頭的內(nèi)部含有DNA，尾鞘上有尾絲、基片和小鉤。當噬菌體侵染大腸桿菌時，先把尾部末端扎在細菌的細胞膜上，然后將它體內(nèi)的DNA全部注人到細菌細胞中去，蛋白質(zhì)空殼仍留在細菌細胞外面，再沒有起什么作用了。進入細菌細胞后的噬菌體DNA，就利用細菌內(nèi)的物質(zhì)迅速合成噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)，從而復制出許多與原噬菌體大小形狀一模一樣的新噬菌體，直到細菌被徹底解體，這些噬菌體才離開死了的細菌，再去侵染其他的細菌。 1952年，噬菌體小組主要成員赫爾希（1908一）和他的學生蔡斯用先進的同位素標記技術(shù)，做噬菌體侵染大腸桿菌的實驗。他把大腸桿菌T2噬菌體的核酸標記上32P，蛋白質(zhì)外殼標記上35S。先用標記了的T2噬菌體感染大腸桿菌，然后加以分離，結(jié)果噬菌體將帶35S標記的空殼留在大腸桿菌外面，只有噬菌體內(nèi)部帶有32P標記的核酸全部注人大腸桿菌，并在大腸桿菌內(nèi)成功地進行噬菌體的繁殖。這個實驗證明DNA有傳遞遺傳信息的功能，而蛋白質(zhì)則是由 DNA的指令合成的。這一結(jié)果立即為學術(shù)界所接受。 幾乎與此同時，奧地利生物化學家查加夫（1905--）對核酸中的4種堿基的含量的重新測定取得了成果。在艾弗里工作的影響下，他認為如果不同的生物種是由于DNA的不同，則DNA的結(jié)構(gòu)必定十分復雜，否則難以適應生物界的多樣性。因此，他對列文的"四核苷酸假說"產(chǎn)生了懷疑。在1948－ 1952年4年時間內(nèi)，他利用了比列文時代更精確的紙層析法分離4種堿基，用紫外線吸收光譜做定量分析，經(jīng)過多次反復實驗，終于得出了不同于列文的結(jié)果。實驗結(jié)果表明，在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的總分子數(shù)量相等，其中腺嘌吟A與胸腺嘧啶T數(shù)量相等，鳥嘌吟G與胞嘧啶C數(shù)量相等。說明DNA分子中的堿基A 與T、G與C是配對存在的，從而否定了"四核苷酸假說"，并為探索DNA分子結(jié)構(gòu)提供了重要的線索和依據(jù)。 1953年4月25日，英國的《自然》雜志刊登了美國的沃森和英國的克里克在英國劍橋大學合作的研究成果：DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的分子模型，這一成果后來被譽為20世紀以來生物學方面Z偉大的發(fā)現(xiàn)，標志著分子生物學的誕生。 沃森（1928一）在中學時代是一個極其聰明的孩子，15歲時便進入芝加哥大學學習。當時，由于一個允許較早人學的實驗性教育計劃，使沃森有機會從各個方面完整地攻讀生物科學課程。在大學期間，沃森在遺傳學方面雖然很少有正規(guī)的訓練，但自從閱讀了薛定愕的《生命是什么？--活細胞的物理面貌》一書，促使他去"發(fā)現(xiàn)基因的秘密"。他善于集思廣益，博取眾長，善于用他人的思想來充實自己。只要有便利的條件，不必強迫自己學習整個新領域，也能得到所需要的知識。沃森22歲取得博士學位，然后被送往歐洲攻讀博士后研究員。為了完全搞清楚一個病毒基因的化學結(jié)構(gòu)，他到丹麥哥本哈根實驗室學習化學。有一次他與導師一起到意大利那不勒斯參加一次生物大分子會議，有機會聽英國物理生物學家威爾金斯（1916--）的演講，看到了威爾金斯的DNAX射線衍射照片。從此，尋找解開DNA結(jié)構(gòu)的鑰匙的念頭在沃森的頭腦中索回。什么地方可以學習分析X射線衍射圖呢？于是他又到英國劍橋大學卡文迪什實驗室學習，在此期間沃森認識了克里克。 克里克（1916一2004）上中學時對科學充滿熱情，1937年畢業(yè)于倫敦大學。1946年，他閱讀了《生命是什么？－活細胞的物理面貌》一書，決心把物理學知識用于生物學的研究，從此對生物學產(chǎn)生了興趣。1947年他重新開始了研究生的學習，1949年他同佩魯茲一起使用X射線技術(shù)研究蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)，于是在此與沃森相遇了。當時克里克比沃森大12歲，還沒有取得博士學位。但他們談得很投機，沃森感到在這里居然能找到一位懂得DNA比蛋白質(zhì)更重要的人，真是三生有幸。同時沃森感到在他所接觸的人當中，克里克是Z聰明的一個。他們每天交談至少幾個小時，討論學術(shù)問題。兩個人互相補充，互相批評以及相互激發(fā)出對方的靈感。他們認為解決DNA分子結(jié)構(gòu)是打開遺傳之謎的關(guān)鍵。只有借助于精確的X射線衍射資料，才能更快地弄清DNA的結(jié)構(gòu)。為了搞到DNAX射線衍射資料，克里克請威爾金斯到劍橋來度周末。在交談中威爾金斯接受了DNA結(jié)構(gòu)是螺旋型的觀點，還談到他的合作者富蘭克林（1920一1958，女）以及實驗室的科學家們，也在苦苦思索著DNA結(jié)構(gòu)模型的問題。從1951年11月至1953年4月的18個月中，沃森、克里克同威爾金斯、富蘭克林之間有過幾次重要的學術(shù)交往。 1951年11月，沃森聽了富蘭克林關(guān)于DNA結(jié)構(gòu)的較詳細的報告后，深受啟發(fā)，具有一定晶體結(jié)構(gòu)分析知識的沃森和克里克認識到，要想很快建立 DNA結(jié)構(gòu)模型，只能利用別人的分析數(shù)據(jù)。他們很快就提出了一個三股螺旋的DNA結(jié)構(gòu)的設想。1951年底，他們請威爾金斯和富蘭克林來討論這個模型時，富蘭克林指出他們把DNA的含水量少算了一半，于是diyi次設立的模型宣告失敗。 有一天，沃森又到國王學院威爾金斯實驗室，威爾金斯拿出一張富蘭克林Z近拍制的“B型”DNA的X射線衍射的照片。沃森一看照片，立刻興奮起來、心跳也加快了，因為這種圖像比以前得到的“A型”簡單得多，只要稍稍看一下“B型”的X射線衍射照片，再經(jīng)簡單計算，就能確定DNA分子內(nèi)多核苷酸鏈的數(shù)目了。 克里克請數(shù)學家?guī)椭嬎悖Y(jié)果表明源吟有吸引嘧啶的趨勢。他們根據(jù)這一結(jié)果和從查加夫處得到的核酸的兩個嘌吟和兩個嘧啶兩兩相等的結(jié)果，形成了堿基配對的概念。 他們苦苦地思索4種堿基的排列順序，一次又一次地在紙上畫堿基結(jié)構(gòu)式，擺弄模型，一次次地提出假設，又一次次地推翻自己的假設。 有一次，沃森又在按著自己的設想擺弄模型，他把堿基移來移去尋找各種配對的可能性。突然，他發(fā)現(xiàn)由兩個氫鍵連接的腺膘吟一胸腺嘧啶對竟然和由3個氫鍵連接的鳥嘌吟一胞嘧啶對有著相同的形狀，于是精神為之大振。因為嘌吟的數(shù)目為什么和嘧啶數(shù)目完全相同這個謎就要被解開了。查加夫規(guī)律也就一下子成了 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的必然結(jié)果。因此，一條鏈如何作為模板合成另一條互補堿基順序的鏈也就不難想象了。那么，兩條鏈的骨架一定是方向相反的。 經(jīng)過沃森和克里克緊張連續(xù)的工作，很快就完成了DNA金屬模型的組裝。從這模型中看到，DNA由兩條核苷酸鏈組成，它們沿著ZX軸以相反方向相互纏繞在一起，很像一座螺旋形的樓梯，兩側(cè)扶手是兩條多核苷酸鏈的糖一磷基因交替結(jié)合的骨架，而踏板就是堿基對。由于缺乏準確的X射線資料，他們還不敢斷定模型是完全正確的。 富蘭克林 下一步的科學方法就是把根據(jù)這個模型預測出的衍射圖與X射線的實驗數(shù)據(jù)作一番認真的比較。他們又一次打電話請來了威爾金斯。不到兩天工夫，威爾金斯和富蘭克林就用X射線數(shù)據(jù)分析證實了雙螺旋結(jié)構(gòu)模型是正確的，并寫了兩篇實驗報告同時發(fā)表在英國《自然》雜志上。1962年，沃森、克里克和威爾金斯獲得了諾貝爾醫(yī)學和生理學獎，而富蘭克林因患癌癥于1958年病逝而未被授予該獎。 20世紀30年代后期，瑞典的科學家們就證明DNA是不對稱的。第二次世界大戰(zhàn)后，用電子顯微鏡測定出DNA分子的直徑約為2nm。 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)后，極大地震動了學術(shù)界，啟發(fā)了人們的思想。從此，人們立即以遺傳學為ZX開展了大量的分子生物學的研究。首先是圍繞著4 種堿基怎樣排列組合進行編碼才能表達出20種氨基酸為ZX開展實驗研究。1967年，遺傳密碼全部被破解，基因從而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因?qū)嶋H上就是DNA大分子中的一個片段，是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的功能單位和結(jié)構(gòu)單位。在這個單位片段上的許多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密碼順序排列的。一定結(jié)構(gòu)的DNA，可以控制合成相應結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是組成生物體的重要成分，生物體的性狀主要是通過蛋白質(zhì)來體現(xiàn)的。因此，基因?qū)π誀畹目刂剖峭ㄟ^DNA控制蛋白質(zhì)的合成來實現(xiàn)的。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(shù)的發(fā)展必將使人們利用生物規(guī)律造福于人類?，F(xiàn)代生物學的發(fā)展，愈來愈顯示出它將要上升為帶頭學科的趨勢。

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