重要的发现和结构DNA不仅仅是克里克和沃森的尤里卡时刻。Mike Sutton束缚生命的分子神秘的故事
重要的发现和结构DNA不仅仅是克里克和沃森的尤里卡时刻。Mike Sutton束缚生命的分子神秘的故事
当他们开始搜索时,核酸的组成已经有所了解。1869年,瑞士的生物学家弗雷德里希米歇尔提取酸性物质富含磷原子核的血液细胞,并称之为“核蛋白质”。它含有蛋白质,另一种物质后形容为“核酸”。不同来源产生了变异,包括酵母核酸,随后确认为核糖核酸(RNA)和“胰腺核酸”,现在已知的脱氧核糖核酸(DNA)。
1895年至1901年间,德国生物化学家Albrecht科塞尔——一个孤立的五个有机基地腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶胸腺嘧啶和尿嘧啶——从核酸。这张照片是进一步澄清福玻斯列文,从1905年纽约的洛克菲勒研究所生物化学。他表明,巨大的核酸分子可以分解成较小的单位,他称核苷酸。
每个核苷酸都有三个组成部分——一个糖分子,酸性磷酸基,科塞尔的五个碱基。在核糖核酸、糖核糖,和四个可能的基地是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶。DNA的糖是脱氧核糖而其基地是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶。在两者中,交替糖分子和磷酸盐形成酯链连接的联系。
遗传怀疑
列文估计碱基发生在大约相同数量。这促使(错误的)假设DNA由许多重复four-nucleotide单元包含一个分子的基地。生物学家认为这种结构过于简单携带遗传信息传递细胞分裂时,并认为核蛋白质执行该函数。核酸被认为发挥辅助作用,也许是脚手架来支持脆弱的蛋白质分子。
然而,到1940年代末,一些研究者怀疑指令使一个橡果长成一棵橡树——而不是一个榆树或大象——写于核酸分子。一些调查人员受生命是什么?——一个投机的书出版于1944年的奥地利物理学家欧文薛定谔。它集中在很小的生物体之间的模糊边界和非常大的非生物分子。然而,这两个领域的统一似乎无法实现,直到新的线索出现在先前忽略或者低估实验室结果。结论:DNA是遗传信息的载体具有深远的影响
弗雷德·格里菲思是一个病理学家为英国卫生部的工作。1928年他从致命的肺炎死亡细菌混合应变与生活的一个相似但non-virulent类型,并给老鼠注射混合物。他们成了致命感染的活细菌毒性菌株。格里菲斯认为,一个未知的化学物质——“转换原理”——通过了遗传信息从死细菌的生活,使他们能够繁殖新副本的致命的变种。
其他的细菌学家,包括奥斯瓦尔德艾弗里洛克菲勒研究所——持怀疑态度,因为交叉污染是一个熟悉的风险在这种类型的研究。然而,艾弗里的团队最终证实了格里菲斯的结果,不使用动物宿主和相似的细菌完成转换。经过多次实验,埃弗瑞和他的同事在1944年提出,格里菲斯的改造原则是DNA。起初他们的论文吸引小兴趣,部分原因是当时的科学界参与战争的工作。
x射线在国王的
英国科学家招募了包括军事研究弗朗西斯·克里克帮助皇家海军改善其anti-mine防御,和莫里斯·威尔金斯,从事铀同位素分离的曼哈顿计划。都回到了学术界对物理学,但受薛定谔的书。克里克加入英国医学研究理事会(MRC)的分子生物学单位在剑桥,而威尔金斯定居在伦敦大学国王学院生物物理单元。
1950年5月国王收到高质量的DNA样本的钠盐从瑞士有机化学家鲁道夫签名者。威尔金斯部分用于光学分析,并通过一些雷蒙德·高斯林,一个博士生在x射线衍射。高斯林的早期x射线照片是令人失望的,但威尔金斯发现了如何让长DNA纤维,从他和高斯林最终获得更清晰的x射线衍射模式。
照片证实DNA纤维吸收适量的水表现出相对有序的结构,扣除已经从贫穷的照片威廉Astbury利兹大学。查看和艾弗里(仍有争议)的结论是,DNA是遗传信息的载体,这一结果具有深远的影响。当然,威尔金斯希望更好的x射线照片透露更多有关DNA的结构。他的朋友弗朗西斯·克里克。
1951年1月,国王学院获得了新研究员。罗莎琳德富兰克林是一个毕业于剑桥大学的化学家在战争期间受雇于煤炭利用率研究协会。之后,她在巴黎的一个政府研究实验室工作,获得相当大的专长在x射线衍射。生物物理学在国王的负责人约翰•兰德尔立即x射线工作分配给她,连同高斯林博士监督签名者的DNA样本。
威尔金斯没有咨询过变化,他和富兰克林之间不可避免的不安被气质的差异放大。然而,威尔金斯继续致力于从另一个来源获得的DNA。1951年5月在那不勒斯的一次会议上他的结果引起了的兴趣。但他的听众包括美国研究学生认为这次调查可能会开始一场革命。威尔金斯“酷回应他的青春热情没有阻止他想加入它。
一个美国人在剑桥
詹姆斯沃森15岁进入芝加哥大学,离开印第安纳大学博士在22岁。一路上他的焦点从鸟类细菌学,他遇到了薛定谔的生命是什么?他的上司,萨尔瓦多,发现他在哥本哈根,他确实有用的博士后项目,虽然单调乏味的,在细菌遗传学实验室工作,直到那不勒斯研讨会将在一个新的方向。
从那不勒斯返回丹麦,沃森得知美国最著名的化学家,莱纳斯鲍林,已经宣布了一项引人注目的发现。运用他无与伦比的键长和键角的知识,鲍林显示长多肽分子如何扭曲成一个螺旋,稳定通过氢键连接一个线圈。他的模型——阿尔法螺旋——似乎是兼容现有的晶体对蛋白质结构的证据。
沃森希望与DNA达到类似的效果,但首先他需要了解更多化学(他被排除在印第安纳大学实验室后试图用本生灯!热苯)。1951年10月,仅有的支持,他加入了MRC集团为首约翰Kendrew在剑桥,研究肌肉蛋白肌红蛋白。在那里,他遇到了克里克,追求在蛋白质结晶学博士马克斯·佩鲁茨氏。在发现他们的共同利益DNA,沃森克里克和非正式开始调查它。
越来越多的证据
同时国王,富兰克林和高斯林逐步改善他们的设备和技术。他们证实,“湿”DNA的长纤维(即b形式)给x射线衍射模式不同于“干”或一种形式,表明水化改变分子的形状。尽管富兰克林承认DNA的螺旋结构是可能的,她认为投机是过早而证据还是有限的。拒绝鲍林的模型方法,她宁愿让DNA分子的几何稳扎稳打,通过数学分析x射线衍射模式。
1951年11月,富兰克林领导研讨会的DNA在国王的工作,而沃森参加。有采取任何笔记,他留下错误的印象,富兰克林完全拒绝了DNA的螺旋结构。此外,克里克的烦恼,他忘了她数字b形式的含水量。尽管他们的有限的数据,剑桥两人继续模型,担心鲍林可能会发现第一个结构。
就在1951年圣诞节前他们生产结构,似乎令人满意。扭成一个螺旋,它有三个DNA链的糖磷酸脊椎内部和碱基枪口朝外。胜利,他们邀请威尔金斯把它。他——但富兰克林和他来,很快证明了它们的结构化学是不可行的
克里克和沃森认为DNA链交织在一起编织在一起由弱磷酸基之间的债券和相邻的金属阳离子。这种形式的链接——被称为“盐桥”——似乎只是因为沃森的不准确的回忆b形式的含水量。实际的水化程度高于他认为,这意味着会有太多的水分子离子的盐桥形成。
富兰克林认为这崩溃的辩护她谨慎的难题,虽然威尔金斯是不太确定。同时告诉沃森克里克和上级放弃这个话题。所以在1952年1月克里克回到他的蛋白质的研究,而沃森x射线衍射烟草花叶病毒的照片。然而,DNA是很少远离他们的想法。
比赛中加快步伐
在1952年的春天,他们学会了重大突破,在纽约冷泉港实验室由阿尔弗雷德·赫尔希和玛莎追逐。放射性同位素磷引入后的DNA噬菌体(一种感染细菌的病毒),好时和蔡斯发现这示踪剂在细菌细胞的DNA噬菌体感染了。相比之下,放射性硫原子引入了噬菌体的蛋白质没有转移。这表明允许病毒的遗传物质嗨杰克一个细菌细胞确实是DNA。
与此同时,莱纳斯·鲍林的目标。1952年12月他的儿子彼得(当时剑桥大学研究生)显示沃森一封信表明出版的新的DNA模型即将来临。比赛似乎已经过去了,但当沃森克里克和看到的草案版本鲍林的论文在1953年1月他们发现一个明显的缺陷在他的结构。意识到,其他人很快就会发现,他们强化自己的努力。
鲍林的模型里面是另一个three-chain螺旋与磷酸盐。但允许交联链通过氢键,鲍林磷酸基un-ionised已经离开。DNA b形式以来,大量水分,这似乎令人难以置信的盐桥第一剑桥模型。然而,潜在的逻辑结构是相似的。糖磷酸骨架放入是因为包装不同形状的基地分子整齐地进入漩涡的中心将是非常困难的。
华生很快把国王的鲍林错误的消息。它加强了富兰克林的信念——模型还为时过早,而当沃森建议他们可能合作阻止鲍林她明显的敌意。但威尔金斯更多的合作。他展示了沃森富兰克林的一个未发表的x光片DNA的b形式,这表明,分子是螺旋形的,虽然其结构细节仍不清楚。沃森开始考虑双线式螺旋的可能性与外部糖磷酸骨架,和碱基配对和里面的螺旋。Chargaff逗乐了克里克和沃森的参差不齐的化学知识
不幸的是,他无法操纵碱基对为立场,氢键形式很容易。此外,由于双分子腺嘌呤和鸟嘌呤大于单一胸腺嘧啶环和胞嘧啶,和结构两个链必须区分进一步适应更大的碱基对,但较小的靠近。克里克很快发现,这个弯折结构不符合晶体数据。还有化学反对它。
化学线索
克里克和沃森是共享一个办公室杰里•多诺休美国化学家在为期6个月的访问剑桥。看到沃森的模型他评论说,碱基可以存在于不同的互变异构的形式。唐纳休说,尽管标准教科书描绘enol-form胸腺嘧啶、鸟嘌呤,许多化学家认为他们keto-forms成为主流。这种变化使氢键之间的类似基地更成问题。
起初,克里克和华生看到Chargaff没有特殊意义的数字。但沃森1953年2月突然意识到,他们是兼容两个互补DNA螺旋结构组成,其中每个腺嘌呤分子在一个链搭配一个胸腺嘧啶分子在其他(同样每个鸟嘌呤与胞嘧啶分子)。这极大地改善了健康的基地,允许氢键交联两个螺旋链。克里克的晶体计算证实,结构会产生x射线衍射模式类似于富兰克林的图片。
建立了三维模型的结构,沃森克里克和花了好几天检查所有化学键的长度和角度是正确的,之前公布1953年2月28日。这一次,威尔金斯和富兰克林信服。今年4月,短论文解释了双出现在螺旋结构自然与单独的,但从国王的集团支持的贡献。其中包括适度,但重大的命题:“…具体配对立即我们提出建议一个可能的遗传物质的复制机制。许多问题仍有待解决,但革命开始了。
进一步的阅读
F H C克里克,疯狂追求,纽约,1988年基本书,
R C奥德利,双螺旋结构的路径,纽约,多佛,1994年(第二版)
塞尔,罗莎琳德富兰克林和DNA,纽约,诺顿,1975年
沃森,J,双螺旋伦敦Weidenfeld &尼克尔森,1981
华生,J, Brenda Maddox的采访中,3档案http://bit.ly/QuZi6P
莱纳斯鲍林和种族的DNA,来自俄勒冈州立大学的资源的集合
(免费)的集合自然论文在1953年的DNA,包括:
沃森和克里克F H C J D,自然,1953,171年,737 (DOI:10.1038 / 171737 a0)
M H F威尔金斯,斯托克斯& H R威尔逊,自然,1953,171年,738 (DOI:10.1038 / 171738 a0)
富兰克林和R G高斯林,自然,1953年171年,740 (DOI:10.1038 / 171740 a0)
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