备课素材：DNA的X射线衍射图谱与DNA结构-高一下学期生物人教版必修2

DNA的X射线衍射图谱与DNA结构2019版高中生物学必修二说，沃森和克里克以富兰克林DNA的X射线衍射图谱为基础构建了DNA双螺旋结构：那么，DNA的X射线衍射图谱是怎么得来的？与DNA双螺旋结构有什么关系？20世纪人类最伟大的成果，莫过于遗传学中DNA双螺旋结构的发现。当1962年沃森、克里克和威尔金斯获得诺贝尔生理学或医学奖的时候，富兰克林已经在4年前因为卵巢癌而去世。研究DNA的结构时，第一个实验室是伦敦国王学院的威尔金斯实验室，他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时，晶格中的原子或分子会使射线发生偏转，根据得到的衍射图像，可以推测分子大致的结构和形状。

罗莎琳德·富兰克林

富兰克林1921年生于伦敦，15岁就立志要当科学家，但父亲并不支持她这样做。她早年毕业于剑桥大学，专业是物理化学。1945年，当获得博士学位之后，她前往法国学习X射线衍射技术。她深受法国同事的喜爱，有人评价她“从来没有见到法语讲得这么好的外国人”。1951年，她回到英国，在剑桥大学国王学院取得了一个职位。在那时候，人们已经知道了脱氧核糖核酸（DNA）可能是遗传物质，但是对于DNA的结构，以及它如何在生命活动中发挥作用的机制还不甚了解。就在这时，富兰克林加入了研究DNA结构的行列——然而当时的环境相当不友善。她开始负责实验室的DNA项目时，有好几个月没有干活。同事威尔金斯不喜欢她进入自己的研究领域，但他在研究上却又离不开她。他把她看做搞技术的副手，她却认为自己与他地位同等，两人的私交恶劣到几乎不讲话。在那时的剑桥，对女科学家的歧视处处存在，女性甚至不被准许在高级休息室里用午餐。富兰克林在法国学习的X射线衍射技术在研究中派上了用场。X射线是波长非常短的电磁波。医生通常用它来透视人体，而物理学家用它来分析晶体的结构。当X射线穿过晶体之后，会形成衍射图样——一种特定的明暗交替的图形。不同的晶体产生不同的衍射图样，仔细分析这种图形人们就能知道组成晶体的原子是如何排列的。富兰克林精于此道，她成功地拍摄了DNA晶体的X射线衍射照片。富兰克林拍摄的DNA之B型X射线衍射照片

此时，沃森和克里克也在剑桥大学进行DNA结构的研究，威尔金斯在富兰克林不知情的情况下给他们看了那张照片。根据照片，他们很快就领悟到了DNA的结构——现在已经成为了一个众所周知的事实——两条以磷酸的脱氧核糖交替连接为基本骨架的链相互缠绕形成了双螺旋结构，氢键把它们连结在一起。他们在1953年5月25日出版的英国《自然》杂志上报告了这一发现。这是生物学的一座里程碑，分子生物学时代的开端。

X射线衍射工作原理衍射又称为绕射，光线照射到物体边沿后通过散射继续在空间发射的现象。如果采用单色平行光，则衍射后将产生干涉结果。相干波在空间某处相遇后，因位相不同，相互之间产生干涉作用，引起相互加强或减弱的物理现象。衍射的结果是产生明暗相间的衍射花纹，代表着衍射方向（角度）和强度。根据衍射花纹可以反过来推测光源和光珊的情况。为了使光能产生明显的偏向，必须使“光栅间隔”具有与光的波长相同的数量级。用于可见光谱的光栅每毫米要刻有约500到500条线

。1913年，劳厄想到，如果晶体中的原子排列是有规则的，那么晶体可以当作是X射线的三维衍射光栅。X射线波长的数量级是10-8cm，这与固体中的原子间距大致相同。果然试验取得了成功，这就是最早的X射线衍射。在X射线一定的情况下，根据衍射的花样可以分析晶体的性质。但为此必须事先建立X射线衍射的方向和强度与晶体结构之间的对应关系。生物大分子中的螺旋分子，如遗传物质DNA等大多难以结晶（寡聚核苷酸例外），但能聚集成为纤维。平行排列这些纤维也能使X射线发生衍射。这些螺旋分子的外形相似于弹簧，有可测量的螺距和半径。每圈螺旋包含数目相同的单元。因此它们的长轴方向具有周期结构的性质。它们的衍射花样呈X形，且在水平方向衍射点按层线排列。由X形的斜度及层线的间距可以计算螺距和半径。由中心至垂直最远衍射弧的距离可以计算单元间沿螺轴方向的距离。由于这些大分子的径向侧链处于无序状态，它们对X射线仅产生背景散射。因此纤维衍射技术无法测定大分子中原子的空间位置。但是如果结合考虑这些大分子的化学组份及立体化学等性质，也可由衍射花样推断该分子的结构模型。衍射线方向可以确定晶胞的大小和形状；衍射线强度可以确定晶胞中的原子排列。

将DNA纯化后，结晶。生成晶体后，使用同步辐射X射线投射到DNA晶体上，X射线将产生衍射，衍射符合布拉格公式[布拉格公式为：2dsinθ=nλ，其中d为晶面间距，θ为衍射半角（即发生衍射峰对应的θ角度）]。我们不能从衍射图谱中“看出”，而是根据这个图谱加之布拉格公式计算DNA的结构。用X射线照射DNA分子，观察射线在照相底片上产生的点子（衍射花样），计算点子的分散角度等（每一点子的分散角度代表DNA分子的一个原子的位置或若干原子团的位置）推测分子排列。DNA衍射图谱分析解读DNA晶体X射线衍射图谱，要用到很复杂的数学计算。照片中心X射线反射（使X射线底片变黑）的图象是交叉的，说明它是螺旋形的，顶部和底部最浓黑的部分，说明嘌呤碱和嘧啶碱垂直于螺旋轴，每隔3.4埃规律出现一对。对A型DNA、B型DNA拍了好多张X射线衍射图谱，丝状（链形态的），可以得到34埃的数据。

对B型DNA的X射线衍射图更详细的分析如下：（a）

X

形说明DNA结构是螺旋形的；（b）菱形说明DNA分子是长链；（c）直线的间距是DNA分子重复单元（一个完整的螺旋）的间距；（d）缺少了两条直线，是这是因为另一条螺旋的干扰。

从这幅图可以得出：（1）DNA结构是双螺旋形（doublehelix）；（2）DNA分子半径是约10埃；（3）碱基对的间距是3.4埃；（4）每个完整的螺旋高度是34埃。富兰克林还发现在翻转180度之后