生命的蓝图

DNA的双螺旋结构的发现为描绘生命的蓝图奠定了分子的基础。它的发现者是美国生物学家沃森（James Dewey Watson，1928—）和克里克（Francis Harry Compton Crick，1916—）。它是20世纪的重大科学发现之一，其重要性可以与19世纪达尔文与孟德尔的成就相媲美。因为DNA双螺旋结构为理解DNA的自我复制、发育与功能以及突变提供了基础。双螺旋结构所提供的生命蓝图，不仅为生命科学的发展提供了无限的前景，而且也对哲学的思考产生了深远的影响。

以德尔布吕克（Max Delbrück，1906—1981）为首的美国唑菌体研究小组的成员，青年生物学家沃森带着当时遗传学要解决的关键问题──基因的结构问题，于1951年深秋来到英国剑桥大学卡文迪什实验室，学习与蛋白质有关的晶体结构分析工作。当时克里克已在卡文迪什实验从事蛋白质晶体结构的研究，他在二次世界大战前是物理学的博士生，战后转才向生物学的。里沃森与克里克相遇后，由于共同的理想和兴趣而开始了合作研究。他们通过访问和参观来获取自身不足的知识。其他科学家们完成的三项工作成了沃森和克里克获得重大发现的基础。一是加州理工学院鲍林（Linus Pauling）发现了蛋白质的α螺旋结构，二是伦敦国王学院的费兰克林（Rosaling Franklin）成功地获得了一些漂亮的DNA的X射线衍射图，三是查加夫发现了飘零（AT）与嘧啶（GC）的等分子数关系。

这些研究成果对沃森和克里克探索核酸结构起了很重要的作用，他们经过18个月的努力，终于提出了DNA结构的双螺旋模型。这模型的最重要的特征是碱基配对，A只能与T匹配，C只与G匹配，通过氢键在双螺旋内侧形成结构互补成对的共面碱基。他们的这一研究成果，在1953年4月的英国的《自然》杂志上发表。

核酸是遗传信息的承担者，核酸分子是由许许多多核苷酸相连接的长链。而每个核苷酸都包含碱基、核糖和磷酸三部分，依据核糖结构的不同，核酸分为两类，含核糖的和含脱氧糖的，分别称之为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。DNA分子存在于微生物、植物、动物和人类的细胞中，是细胞核的特征。不同生物类群的细胞核中有不同的DNA分子含量。原核生物与真菌的DNA分子含量最少，有尾两栖动物、肺鱼及一些植物类群的DNA分子含量最多。一年生植物的DNA含量通常少于多年生乔木的DNA含量。生长速度很慢的物种的DNA含量一般多于生长速度快的物种的DNA含量。

DNA分子的结构是双螺旋形的（如右图）。它的双连像一个扶梯，其“扶手”是三个单元组成的核苷酸可严格重复的结构，而其“横档”是由成对的互补碱基构成的。

DNA双螺旋“扶手”的详细结构示于下图。核苷酸的三个组成单元是：脱氧核糖、磷酸和碱基。图的上方是核酸三个部分的组略结构，图的下方是他们的详细结构。其中碱基有4种，它们分别是腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。因为一种核苷酸只含一种碱基，所以组成双螺旋扶梯之扶手的核苷酸也有四种。双螺旋双连的每条都是由这些扶手单元（有脱氧核糖、磷酸和碱基组成的四种核苷酸）连接和伸展而成的。他们的连接方式是脱氧核糖和磷酸交替出现。双螺旋扶梯的两条扶手，由许许多多的“横档”连接起来就成为一个扶梯。

扶梯的“横档”是碱基对，由每个“扶手”出一个碱基，按碱基配对规则结合而成。碱基是一一配对的，即A与T配对（AT、TA），C与G配对（CG、GC）。A与T之间，C与G之间表现为一种互补关系。下图是扶梯“横档”的碱基配对示意图。图的上部是腺飘零（A）与胸嘧啶（T）配对的情况，图的下部是鸟飘零（G）与胞嘧啶（C）配对的情况。通过碱基配对，首尾相反的两条多核苷酸单链被连接成盘旋的双连DNA分子，并且每10对碱基形成一个完整的螺旋周期。DNA分子两条长链上的脱氧核糖和磷酸交替排列顺序是稳定不变的，而长链的碱基对的排列组合则是千变万化的。这样DNA分子楼梯的扶手可以很长，相邻横档的间距离却只有3.4毫微米。

RNA分子的结构与DNA类似，也是双螺旋形的。不同之处在于：其核苷酸组分中核糖取代了脱氧核糖，尿嘧啶（U）取代了胸嘧啶（T）。