从DNA衍射图谱中看出DNA结构

2015-09-17 06:56阅读：

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从DNA衍射图谱中看出DNA结构

A型DNA（左）和B型DNA（右）X射线衍射图
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。而在此过程中，我们却在刻意忽略一个一位伟大的女科学家：罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Elsie Franklin）。
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。
一、富兰克林的贡献
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。

从DNA衍射图谱中看出DNA结构

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——两条以磷酸为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。
二、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。

从DNA衍射图谱中看出DNA结构

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。

从DNA衍射图谱中看出DNA结构

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。
三、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：

从DNA衍射图谱中看出DNA结构

（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（double helix）；（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度之后看起来还是一样，沃森与克里克在得到这一信息后，意识到两条链是反向的。

从DNA衍射图谱中看出DNA结构

DNA规则的双螺旋结构
1953年2月24日富兰克林经过计算分析得出双股螺旋的结论，而沃森与克里克则是尝试以双螺旋模型与这些数据信息吻合。当时自然杂志同时发表了三篇论文，另二篇是威尔金斯的和富兰克林与蓝道夫的。

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