X射线衍射与DNA双螺旋结构的测定

1、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

2、 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。W.L. 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

3、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 k;，式中 k 为整数；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

4、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

5、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：（AG）：（TC）=1。（2）（AT）： （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 双螺旋结构物学来说怎么估量都

6、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，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

7、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 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