X射线衍射与DNA双螺旋结构的测定

X射线衍射与DNA双螺旋结构的测定

（P718x射线及x射线衍射）

1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的过程中发现用高能电子束轰击金属靶时，能得到一种穿透力很强的射线，由于当时不知这种射线的实质（或本性）而将它成为x射线。

图1 X射线的发现

为了解开x射线的本性之谜，当时的科学家让x射线通过电场或磁场，但没有发现偏转现象，这说明x射线不是一种带电的粒子流。人们也想过它可能是一种波长很短的光波，但很难找到一种有效的实验手段观察到x射线的干涉或衍射现象，更谈不上测出它的波长。

直到1912年，既x射线发现17年后德国物理学家劳厄才找到了x射线具有波动本性的最有力的实验证据：。他用连续谱X射线照射单晶体 ，在晶体后放置感光片 ，发现感光片上出现许多分散的斑点（劳厄斑)，这即是x射线通过晶体时发生的衍射现象。 .布拉格指出劳厄斑的产生是X射线衍射的结果 ， 并给出了简单明了的解释。X 射线是波长很短的电磁波 ，在可见光波段使用的衍射器件( 如光栅)对X射线几乎不起衍射作用。晶体内的原子作周期性的规则排列，排列的空间周期与X射线波长同数量级，故晶体对 X射线来说相当于三维光栅，能产生明显的衍射效应。

晶体可抽象成由格点组成的点阵结构，这些格点均分布在一系列互相平行的平面上，称点阵平面或晶面，一组平行晶面构成晶面族。考虑任一晶面族，相邻两晶面的间距为d，X射线以掠入射角a(称说，在镜反射方向有最强的衍射 ，但就整个晶面族而言 ，镜反射方向 (衍射角为2a) 上总的衍射强度取决于各晶面的反射波的相干

叠加结果。干涉极大满足如下条件：2dsina＝kλ;，式中k为整数；λ为波长。上式称布拉格公式 ，是分析X射线衍射的基本公式 。由此可见，若已知x射线的波长就可以通过测量掠射角来测定晶体的晶面间距，分析晶体结构；分析晶体结构;反之若已知晶体结构就可以通过测量入射角来测定x射线的波长。今天，x射线衍射测量原理已经发展成多种现代化的方法和技术，并广泛应用于晶体及物质结构的分析中。

图2 布拉格公式推导

20世纪50年代，结构学派的新西兰物理学家威尔金斯选择了DNA作为研究生物大分子的理想材料，并在方法上采取了“x射线衍射法”。他认为DNA分子的x射线衍射研究对于建立严格的分子模型是有帮助的。他和他的同事获得了世界上第一张DNA纤维x射线衍射图，证明了DNA分子式单链螺旋的，并在1951年意大利生物大分子学术会议上报告了他们的研究成

果。

图3 DNA衍射图案

沃森和克里克从非常清晰的X射线衍射照片中央的那些小小的十字架样的图案上，敏锐地意识到DNA分子很可能是双链结构。他们立即投入模型的重建工作，以脱氧核糖

和碱基间隔排列形成骨架——主链，让碱基两两相连夹于双螺旋之间。由于他们让相同的碱基两两配对，做出来的模型是扭曲的。此后，美国生物化学家查伽夫的研究成果给

了沃森和克里克很大启发。查伽夫发现：（1）在他所分析的DNA样本中，A的数目总是和T的数目相等，C的数目总是和G的数目相等。即：（A＋G）：（T＋C）=1。（2）（A＋T）：（C＋G）的比值具有物种特异性。沃森和克里克吸收了美国生物化学家查伽夫的研究成果，经过深入的思考，终于建立了DNA的双螺旋结构模型。

图4 DNA双螺旋结构

DNA双螺旋结构的提出开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。在以后的近50年里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明，DNA重组技术更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景

。

图5 DNA双螺旋结构的应用

“发现DNA双螺旋结构的意义对生

物学来说怎么估量都不为过。”中国科学院发育研究所研究员莫鑫泉先生对记者说：“用双螺旋结构解释遗传是如何进行的，这是人类对自己、对生物学认识的巨大飞跃。发现双螺旋之前，科学家对生命现象进行了长期的思考与研究：是什么因素使人类能够一代一代地将遗传特性保持下去”的确，

就是一个桌子还有腐朽变坏的时候，为什么人类就能代代延续什么决定了人生人，老鼠生老鼠

然而，除了生物化学，DNA分子还有其他用途。通过现代生物技术，我们可以制造出很长的DNA分子，上面排列着根据意愿选择的构建模块序列。这为DNA的应用开辟了广阔的新天地，而不仅限于自然界中生物进化的领域。例如，1994年美国南加州大学的M. Adleman 证明了DNA如何被用作计算设备。 DNA的另一项非生物学用途：建造纳米级的器械和设备——它们的基本元件和结构只有1到100纳米大小。 这种元件有着许多潜在的应用。DNA制造的规则的栅格能够有序地容纳多个生物大分子，以便用X线晶体成像术测定它们的结构，这是药物推理设计中

的一个重要步骤。另外，这种栅格还可以成为搭载纳米级电子元件的平台

——作为工作设备或是设备制造过程中的一个步骤。利用DNA制造的分子水平的精密元件还可制造新材料。活动的DNA元件还可用于纳米机械的传感器、开关、镊子以及更精密的机器人。

参考资料

1.廖耀发《大学物理教程》（第二版），高等教育出版社

2.[美]加兰E艾伦《20实际的生命科学史》，田明译，上海：复旦大学出版社

3.周公度《晶体结构测定》，北京：科学出版社

4.[美]《沃森JD双螺旋——发现DNA的故事》，刘望夷等译，北京：科学出版社

组员（排名不分先后）：吴微，刘源，徐瑶月，李莹，曾洁，黄晶晶，