基本介紹
- 中文名：分子學
- 外文名：molecular
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DNA分子學說
威爾金斯
結構學派的威爾金斯是紐西蘭物理學家，他的貢獻在於選擇了DNA作為研究生物大分子的理想材料，並在方法上採取“X射線衍射法”。他認為DNA分子的X射線衍射研究對於建立嚴格的分子模型是有幫助的。他和他的同事獲得了世界上第一張DNA纖維X射線衍射圖，證明了DNA分子是單鏈螺旋的，並在1951年義大利生物大分子學術會議上報告了他們的研究成果。正如前面所介紹的那樣，沃森也參加了那次會議，並受到很大啟發。
富蘭克林
結構學派的另一位代表人物是富蘭克林，她是一位具有卓越才能的英國女科學家。1952年，她在DNA分子晶體結構研究上成功地製備了DNA樣品，更重要的是通過X射線衍射拍攝到一張舉世聞名的B型DNA的X射線衍射照片，由此推算DNA分子呈螺旋狀，並定量測定了DNA螺旋體的直徑和螺距；同時，她已認識到DNA分子不是單鏈，而是雙鏈同軸排列的。
鮑林
生物化學學派的代表鮑林是美國著名的化學家。致力於研究DNA、蛋白質等生物大分子在細胞代謝和遺傳中如何相互影響及化學結構。1951年，根據結構化學的規律性，成功地建立了蛋白質的。α-螺旋模型。
信息學派的沃森和克里克主要研究信息如何在有機體世代間傳遞及該信息如何被翻譯成特定的生物分子。他們無論是在科學實驗的經驗，還是學術成就方面都無法與威爾金斯、富蘭克林、鮑林相比，然而他們後來居上，在18個月的時間內創造了DNA分子的雙螺旋模型，躍上20世紀的科學寶座，摘取“分子生物學”的桂冠，領了半個世紀的風騷。究其根本原因是他們能采百家之長融為一體，化為己用。
沃森和克里克
DNA分子模型
自1951年開始，沃森和克里克先後建立了三個DNA分子模型。他們在建立模型時，不只是考慮其結構，還要始終聯繫DNA的功能和信息。他們要求建立的模型既要滿足物理、化學、數學研究的最新事實，如X射線衍射結果、鹼基配對的力學要求，還要滿足生化知識，如酮型、氫鍵、鍵角等，更要使DNA能解釋遺傳學和代謝理論，這是一種很先進的思想。
第一個模型是一個三鏈的結構。這是在對實驗數據理解錯誤的基礎上建立的，最終失敗。但他們並不氣餒，繼續蒐集材料，查閱資料，富蘭克林的B型DNA的X射線衍射照片，查爾加夫的DNA化學成分的分析都曾給沃森和克里克很大啟示。他們建立的第二個模型是一個雙鏈的螺旋體，糖和磷酸骨架在外，鹼基成對的排列在內，鹼基是以同配方式即A與A，C與C，G與G，T與T配對。由於配對方式的錯誤，這個模型同樣宣告失敗。儘管這次又失敗了，但他們從中總結了不少有益的經驗教訓，為成功地建立第三個模型打下了基礎。
DNA分子複製假說
1953年2月20日，沃森靈光一現，放棄了鹼基同配方案，採用鹼基互補配對方案，終於獲得了成功。沃森和克里克又經過三周的反覆核對和完善，3月18日終於成功地建立了DNA分子雙螺旋結構模型，並於4月25日在英國的《自然》雜誌上發表。DNA分子規則的雙螺旋結構模型與世人見面了，要點如下：DNA分子是由兩條平行的脫氧核苷酸長鏈向右螺旋形成的；DNA分子中脫氧核糖和磷酸交替連結，排列在外側，構成基本骨架，鹼基排列在內側；兩條鏈上的鹼基通過氫鍵連結起來，形成鹼基對，即A與T，C與C配對；DNA分子中兩條脫氧核苷酸長鏈中的原子排列方向相反，一條是5’→3’走向，另一條是3’→5’
數個星期之後，沃森和克里克又在《自然》雜誌上進一步提出了DNA分子複製的假說——半保留複製機制，它為進一步揭示遺傳信息的奧秘提供了廣闊的前景。
成功啟示
從沃森和克里克的成功，我們不難發現，現代科學的創舉決非一兩個人所能辦到的，他們必須采百家之長，充分借鑑別人的成功經驗和理論，勤于思考，勇於探索，在掌握先進的科學方法後，有高明正確的科學思想指導才能成功。從科學發展的角度上看，沃森和克里克把各自獨立研究的信息學派、結構學派和生化學派對生物遺傳的研究統一起來推向前進，建立了不可磨滅的豐功偉績。是他們完成了歷史的、科學的統一，創建了DNA分子的雙螺旋結構，這是分子生物學史上劃時代的創舉，是突破性的進展，人們從此開始從分子角度來研究生命科學，奠定了分子生物學的基礎。我國著名的生物學家談家楨指出：“DNA分子雙螺旋結構的發現，不僅是生物科學的重大突破，也是整個自然科學的輝煌成就，其意義足以同迄今已有的任何一次科學發現相媲美”。
再創佳績
25歲的沃森因DNA分子的雙螺旋結構模型而一舉成名，但他並不滿足，繼續他的科學研究。1960年，32歲的他擔任哈佛大學教授。他的代表作有《雙螺旋結構》、《基因分子生物學》，後者被視為最重要、最優秀的教材之一。1968年，沃森臨危受命擔任冷泉港實驗室主任，他把一個財政困窘，幾乎關閉的實驗室再度建成世界知名的科研基地，其中凝結了沃森的智慧和汗水。在那裡，他培養了很多科學人才，為科學的發展注入了活力。
成績表現
DNA雙螺旋結構問世後，克里克表現得不如沃森灑脫，他還不得不為博士論文忙碌，直到1957年取得博士學位後，他又進入劍橋大學分子生物學實驗室，再度組織、領導對分子生物學的研究，成績不斐，主要表現在：
中心法則
早在1953年DNA分子結構被發現之前，沃森就對DNA到蛋白質的遺傳信息傳遞路線作出了預測：“DNA→RNA→蛋白質”，但缺少深入分析。1958年，克里克提出了遺傳信息的中心法則，將DNA、RNA和蛋白質三種物質可能具有的信息流都畫了上去。後來，在人們弄清了三種RNA即mRNA、rRNA、tRNA的存在及作用，知道DNA經過轉錄可以形成mRNA，mRNA穿過核孔進入細胞質，在以rRNA為主形成的核糖體上，以mRNA為模板，以tRNA為運載工具合成蛋白質後，克里克對中心法則又進行了修改。
1965年，科學家發現了RNA複製酶，說明RNA可以自我複製。1970年，坦明（H．M．Temin）和巴爾的摩（D．Baltimore）在一種RNA病毒侵染的宿主細胞中分離出一種反向轉錄酶，它能使RNA反常地轉向DNA，從而整合到宿主的細胞上去。根據這些實際情況，克里克於1970年再次修改了中心法則，在這次修改中，他認為遺傳信息從DNA到蛋白質的直接轉移只是一種理論上的假設。
中心法則合理地說明了核酸和蛋白質兩類大分子的聯繫和分工：核酸的功能在於貯存和轉移遺傳信息，指導和控制蛋白質的合成；蛋白質的主要功能是進行新陳代謝以及作為細胞結構的組成成分。
遺傳密碼錶
當DNA分子雙螺旋結構公布於世後，人們認識到四種鹼基的排列方式包含極大的信息量。如果是一個由100個脫氧核苷酸組成的DNA，那么它所包含的最大信息量將達到4100，這個數字比太陽系所有原子總數還要大1000倍，因此引起科學家極大興趣，都想來破譯遺傳密碼。人們經推理很明顯地看出是4個鹼基的排列決定蛋白質中20個胺基酸的排列，簡化為數學排列組合只能是4→20，為滿足20這個數，4的全排列只能是43=64，這可以為編碼20種胺基酸提供足夠的信息。三聯體密碼方案初步建立起來，即mRNA分子中相鄰的三個鹼基稱為三聯體，它能決定多肽中的一個胺基酸，所以又把mRNA的三聯體稱為密碼子。
克里克認為不僅存在一個三聯體密碼字典，可能還有起始密碼、終止密碼和同義密碼。在克里克及眾多科學家不懈努力下，1966年遺傳密碼全部被破譯出來：①所有遺傳密碼都是由三個連續的核苷酸組成；②許多胺基酸的密碼子並非一個，而是由許多近似的核苷酸組成，即存在簡併碼；③3個鹼基的64種組合中，有61種可以用於編碼各種胺基酸，其中AUG、GUG還是翻譯的起始信號，稱為起始密碼子；另外三種組合不能編碼任何胺基酸，它們全部是編碼的終止符號，這就是UAA、UAG、UGA，稱為終止密碼子。由此可以看出，克里克的推測多么準確，使我們看到了一個真正掌握科學脈搏的科學家，他的眼光有多么遠大，他的思路有多么清晰呀！
1969年，在克里克及其他科學家的不斷努力下，克服種種困難，終於將核酸中的鹼基排列與蛋白質合成聯繫起來，形成了遺傳密碼錶，使人們一目了然，能迅速地掌握胺基酸合成時鹼基的三聯體密碼。人們常把它與門捷列夫的元素周期表相媲美，它是生物學發展史上的重要里程碑。
沃森和克里克創建的DNA分子雙螺旋結構模型，在以後的科學研究中得到進一步的證實，極大地推動了分子生物學的發展。1962年，他們雙雙獲得諾貝爾醫學和生理學獎。
克隆
發展
自從1953年，沃森和克里克提出DNA分子雙螺旋結構模型以來，基因的分子生物學迅速發展起來。
1967年，DNA連線酶首次被分離出來，這種酶能使DNA分子的末端之間形成3’，5’-磷酸二酯鍵，因此可以使2個DNA分子連線起來。1970年，科學家發現了第一種限制性內切酶，這種酶能識別特定的DNA順序，並且在這個順序內的一定位置上把DNA分子切斷。1972年，美國史丹福大學的伯格（P．Berg）等人構想，如果把猿病毒DNA和λ噬菌體DNA用同一種限制性內切酶切割後，再用DNA連線酶把這兩種DNA分子連線起來，就會產生一種新的重組DNA分子，這是分子克隆的開創性工作。1973年，科恩（S．Cohen）等人將外源DNA片段與質粒DNA連線起來，構成一個重組質粒，並成功地將其轉移到大腸桿菌中，從而首次建立了分子克隆體系。
成熟
克隆是clone的譯音，是無性繁殖的意思。分子克隆又稱重組DNA或基因工程，是指用人工方法取出某種生物的個別基因，把它轉移到其它生物的細胞中去，並使後者表現出新的遺傳性狀，這是一種DNA的無性繁殖技術。這項技術從20世紀70年代開始，迅速發展起來，先後培育出一些具有商業價值的轉基因產品。例如1988年，我國科學家合成了抗黃瓜花葉病毒基因，並把這一基因引入到菸草等作物的細胞中，得到抗病能力很強的新品種。1989年，中國科學院武漢水生生物研究所的朱作言等科學家將人的生長激素基因成功地導入泥鰍、鯉魚、鯽魚的卵細胞中，從而使這些魚的生長速度明顯加快。基因工程在改良生物品種，治療人類的遺傳病等方面潛力還很大，但仍有很多難題需突破。
另外，在遺傳工程中還有一種細胞水平的遺傳。1997年，首例體細胞克隆羊問世。據1997年2月27日英國《自然》雜誌報導，英國蘇格蘭盧斯林研究所的科學家們首次成功利用細胞核移殖技術，經人工繁殖產生哺乳動物—多莉羊。其克隆過程大致是：從一個6齡母羊身上取乳腺細胞，經培養後取核，利用電打孔使該核進入另一隻羊的去核卵細胞中，經培養後植入第三隻羊（替代母羊）的子宮中生長，直至分娩。經基因圖分析，多莉與供核者（6齡母羊）基因組成相同，也就是說，多莉幾乎是第一隻羊的翻版，這就是無性繁殖——克隆，即細胞水平的遺傳工程。這項實驗的成功使由人體細胞克隆產生複製人成為可能，從而引起了道德、倫理與法律等問題的激烈爭論。
總之，一次新的技術或新的理論的產生與成熟，必將會帶來新的革命與挑戰。隨著道德、法律的不斷完善，人們終將受益。
在分子生物學飛速發展的今天，人們還是不能忘記它的創始人沃森和克里克。他們將一生都獻給了20世紀的分子生物學，由他們兩個人所掀起的狂瀾，席捲了全球，帶動一系列學科的發展。人們尊稱他們為“分子生物學的元勛”。
DNA發現史
20世紀50年代初
20世紀50年代初，英國科學家威爾金斯等用X射線衍射技術對DNA結構潛心研究了3年，意識到DNA是一種螺旋結構。女物理學家富蘭克林在1951年底拍到了一張十分清晰的DNA的X射線衍射照片。
1952年
美國化學家鮑林發表了關於DNA三鏈模型的研究報告，這種模型被稱為α螺旋。沃森與威爾金斯、富蘭克林等討論了鮑林的模型。威爾金斯出示了富蘭克林在一年前拍下的DNA的X射線衍射照片，沃森看出了DNA的內部是一種螺旋形的結構，他立即產生了一種新概念：DNA不是三鏈結構而應該是雙鏈結構。他們繼續循著這個思路深入探討，極力將有關這方面的研究成果集中起來。根據各方面對DNA研究的信息和自己的研究和分析，沃森和克里克得出一個共識：DNA是一種雙鏈螺旋結構。這真是一個激動人心的發現！沃森和克里克立即行動，馬上在實驗室中聯手開始搭建DNA雙螺旋模型。從1953年2月22日起開始奮戰，他們夜以繼日，廢寢忘食，終於在3月7日，將他們想像中的美麗無比的DNA模型搭建成功了。
沃森、克里克的這個模型正確地反映出DNA的分子結構。此後，遺傳學的歷史和生物學的歷史都從細胞階段進入了分子階段。
由於沃森、克里克和威爾金斯在DNA分子研究方面的卓越貢獻，他們分享1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。
分子學說
誕生
在19世紀上半葉，科學家們對分子的概念還缺乏準確的認知。原子論的提出者、英國化學家道爾頓把化合物的分子看作是複雜原子，英國物理學家和化學家法拉弟則把“分子”、“原子”當成同義語。
1808年，法國化學家蓋-呂薩克（J.L.Gay-Lussac 1778－1850）根據化合反應實驗的發現，提出假說：“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體含有相同數目的原子”。但道爾頓認為：不同元素的原子大小不一，相同體積、不同元素氣體的原子數不可能相等。 1811年，義大利物理學家阿伏加德羅（Amedeo Avogadro，1776－1856）在蓋-呂薩克氣體反應實驗的基礎上，引進了分子概念，提出了分子假說：在同溫同壓下，所有同體積的氣體，無論是元素、化合物還是混合物，都含有相同數目的分子。
分子假說
分子假說有兩個核心概念：雖然相同體積氣體的原子數不同，但分子數相同；物質由分子組成，分子由原子組成。 但分子假說當時並未獲得化學界的承認。由於不承認分子的存在，化合物的原子組成就無法確定，以至原子量測定的數據呈現一片混亂。直到1860年國際化學會議上就原子量問題激烈爭論之際，義大利化學家康尼查羅指出：只有接受阿伏加德羅50年前提出的分子假說，原子量、化學式的問題才能迎刃而解。化學家們終於承認分子假說了，但阿伏加德羅已在4年前逝世，未能親眼看到自己學說的勝利。 分子學說奠定了原子-分子論的基礎，是人類認識物質世界過程中的一次重大突破。
