对双螺旋的了解开拓了一个广阔的、激动人心的研究新领域，可以毫不夸张的说，由于这一发现的结果，分子生物学在随后的 15 年中完全左右了生物学。

Ernst Mayr (1904~)

第 14 讲

DNA 的故事The Story of DNA

第 14 讲 DNA 与分子生物学第 14 讲 DNA 与分子生物学

• 遗传物质• 发现双螺旋

• 遗传密码

• 核酸与蛋白质

• 核酸与蛋白质

• 发现双螺旋

• 遗传密码

• 遗传物质

米切尔（瑞士）

Friedrich Miescher (1844-1895)

• 1869 年 : 发现核酸 ( 核素 , nuclein)• 不被看作是遗传信息的载体

• 20 世纪初 : 植物和动物细胞中普遍存在核酸

• 核酸分子含有四种碱 ( 两个嘌呤和两个嘧啶 ), 一个磷酸 , 一个糖。

莱文（美国）Phoebus A.T. Levene

(1869-1940)

• 1920 年代 : 发现两类不同的核酸

• RNA( 核糖核酸 )

• DNA( 脱氧核糖核酸 , 比 RNA 的核糖少一个氧原子 )

• 核苷酸 : 核酸的基本构件

含氮碱基

戊糖

磷酸

鸟嘌呤

腺嘌呤

胸腺嘧啶

胞嘧啶

尿嘧啶

腺嘌呤脱氧核苷酸

磷酸糖

碱基

• 核酸 : 四种碱基的克分子数相等• 多核苷酸 : 由某种确定的、排列顺序不变的单元组成

• 1929 年 : DNA 的化学成分和基本结构的四核苷酸假说

ATCG ATCGATCGATCG

• 氨基酸 amino acids: 生命的基本构件

• 蛋白质是由氨基酸组成的多肽链

• 一个氨基酸的氨基 (NH2) 释放一个氢原子 , 另一个氨基酸的羧基 (COOH) 释放一个 OH 基团 , 形成一个肽键。

• 主流意见 : 基因是由蛋白质构成的， DNA 只不过在遗传过程中发挥某些辅助的生理作用

• 1868 年 : 赫胥黎 (T. H. Huxley, 1825~1895)

• 蛋白质是“生命的物质基础”。

• 1930~1940s: DNA 分子的分子量是 50 万到 100 万 , 比蛋白质分子还要大。

• DNA 与蛋白质 :

• 谁是遗传信息载体？

• 遗传物质

• 发现双螺旋

• 遗传密码

• 核酸与蛋白质

格里菲斯 ( 英国）Fredrick Griffith, 1877~1941

•  1928 年• 将一种活的无毒细菌菌株和死的有毒细菌菌株同时注射到宿主体内，某些无毒的细菌菌株就变成了有毒的。

• 1923 年 : 两种肺炎双球菌

• R 型 ( 无包膜 , 粗糙 ): 无害 ( 无传染性 )

• S 型 ( 有包膜 , 光滑 ): 有害 ( 有传染性 )• 死的 S 型 + 活的 R 型 →活的 S型• S 型细菌中的转化物质 : R 型 → S 型

Oswald T. Avery 1877~1955

Colin MacLeod 1909~1972

Maclyn McCarty1911~

• 1944 年• 成功地证明 DNA 可能是“转化因子的基本单位”

艾弗里（美国） Oswald Avery 1877~1955

• 艾弗里的实验结果引起了一场“雪崩”式的核酸研究热潮

• 局面扭转 : 轮到反对派来反驳艾弗里的论述

德尔布吕克( 左 ) Max Delbrück ( 美国 )1906~1981

卢里亚 ( 美国 )Salvador Luria1912~

• 1938~1952

• 噬菌体小组

• 沉湎于四核苷酸学说，不相信 DNA 能够具有遗传物质所必需的复杂性。• 他们的怀疑态度具有相当大的影响，因为在当时的分子生物学领域中他们占有支配地位。

查伽夫 (奥地利 )Erwin Chargaff

1905~

• 1950 年 : 碱基含量• 腺嘌呤 A= 胸腺嘧啶T

• 鸟嘌呤 G= 胞嘧啶 C

• 查伽夫的发现彻底否定了列文的四核苷酸假说

• 困难 :从细胞中提纯 DNA

• 纸层析技术 : 氨基酸排序

赫尔希 -蔡斯 试验

噬菌体用放射性硫跟踪蛋白质表层

用放射性磷跟踪核心的DNA

侵染

搅拌

分离 细胞中无硫

外表有硫

细胞中有磷

外表无磷

赫尔希Alfred Hershey

1908~1997蔡斯

Martha Chase1927~

• 1952: 赫尔希与蔡斯利用病毒证实，传递遗传信息的是 DNA

• 噬菌体的 DNA具备自催化与异催化两种功能

• DNA如何实现这样两种功能？

• 发现双螺旋

• 核酸与蛋白质

• 遗传密码

• 遗传物质

沃森与克里克• 1953 年初 : 遗传学三大难题• 基因是何种形态

• 基因是如何复制（自催化）• 基因是如何提供信息来产生蛋白质的（异催化）

美国加州理工学院的鲍林实验室

鲍林（美国）Linus Pauline, 1901~1994

弗兰克林（英国）Rosalind Franklin

1920~1958

维尔金斯（英国）

Maurice Wilkins,1916~

伦敦皇家学院的威尔金斯小组

布拉格（英国）Lawrence Bragg1890~1971

鲍林（美国）Linus Pauline

1901~1994

• 威尔金斯小组的专长是 X 射线结晶学• 引出的问题• DNA 分子的骨架 : 直的还是螺旋的？• 一条螺旋 : 碱基联在骨架的外边？• 多条螺旋 : 碱基在骨架的里边？它们彼此间如何相联？

剑桥大学的沃森 - 克里克小组

沃森克里克

薛定谔（奥地利）Erwin Schrodinger

1887~1961 1944 年 : 生命是什么？

克里克 ( 英国 )

Francis Crick 1916~

• 1938 年 : 伦敦大学学院物理学硕士•《生命是什么？》的印象 : 可以用精确的概念，即物理学和化学的概念，来考虑生物学的本质问题。

• 克里克 : 伟大的事情就在角落里• 1949 年 : 加入佩卢兹小组

沃森（美国）James D. Watson, 1929~

卢里亚（美国）Salvador Luria, 1912~

• 1944 年• 芝加哥大学• 动物学

• 1948 年• 印第安那大学

德尔布吕克（美国）Max Delbrück,1906~1981

• 1948 年第一次与德尔布吕克见面，就被噬菌体学派的目标与方法“钩住了”

• 1950 年，哥本哈根• “欧洲那步子较慢的传统更有利于产生第一流的思想。”

沃森（美国）James D. Watson, 1929~

佩鲁兹（英国）

Max Perutz, 1914-2002

• 1951 年 5月• 那不勒斯• 维尔金斯• DNA 的 X 射线的研究报告• DNA 是遗传物质

• 鲍林 : 建立模型，再用 X 射线检验

• 1952 年 7月 , 查伽夫访问剑桥

• 1952 年 6月 , 格里菲斯 (John Griffith): 计算同类碱基之间的吸引力• 理论上 : 不同碱基之间的相互吸引

• 克里克 : 不同类型的碱基配对可能是 DNA 分子结构的基础

• 1953 年 1月 30日星期五伦敦

• 弗兰克林 1952 年得到的最好的 DNA 的 X 射线照片 (51号 )

• X 射线的数据与密度的测量结果符合 DNA 是双链的可能性 ; 糖 - 磷酸骨架一定位于 NDA 链的外侧。

• 沃森 : 我简直目瞪口呆。照片中…反射出的黑十字只能是螺旋结构的结果。

多诺休（美国） Jerry Donohue ， 1920~1985

• 沃森 : 教科书 • 碱基 : 烯醇式互变异构

• 1953.2.20

• 多诺休 : 氢键专家• 碱基 : 酮式互变异构

沃森与克里克

• Nature • 1953 年 4月 25日• A structure for Deoxyribose Nucleic Acid

DNA复制

• DNA结构发现之后的早期争论主要集中在“解旋问题”上

Matthew Meselson1930~

Franklin W. Stahl 1929~

• 1958年 : 梅塞尔森和斯塔尔用同位素标记和超速离心分离实验证明了 DNA复制的半保留特性

双螺旋• 1953 年初 : 遗传学三大难题• 基因是何种形态

• 基因是如何复制（自催化）• 基因是如何提供信息来产生蛋白质的（异催化）

• 遗传密码

• 发现双螺旋

• 核酸与蛋白质

• 遗传物质

伽莫夫（美国）George Gamow1904~1968

• 1954 年 : 遗传性状可以表现为一长串用四进位系统写成的数字

• 遗传密码 : 双螺旋上的一串碱基如何翻译成蛋白质上的一串氨基酸

• 三联体 : 三个碱基对应一种氨基酸

• DNA: 四个碱基（ A 、 G 、 C 、T ）• 蛋白质 : 20 种氨基酸

• 1957: 《论蛋白质合成》 中心法则 Central dogma

蛋白质

• 1960 年 4月剑桥 : 核糖体是一个阅读磁头 , 通过一种 RNA 信使从 DNA表达出来

J. Monod, 1910~1976

• 1960 年夏 : 发现信使RNA(mRNA)

F. Jacob, 1920~

奥乔亚（美国）Severo Ochoa

1905-1993

• 多核苷酸磷酸化酶• 人工制取核酸

• Poly-C: (CCCC…)

• Poly-G: (GGGG…)

• Poly-U: (UUUU…)

• AAAAAA…• Poly-A

尼伦贝格（美国）Marshall Nirenberg 1927~

• 1961 年 5月 22日• mRNA: poly-U (UUUU…)

• Poly-U 被翻译成 poly-phe

• 只含一种氨基酸 (苯丙氨酸 ) 的蛋白质 :

• phe.phe .phe .phe …. (poly-phe)

1962 年诺贝尔奖获得者

Francis Crick

Maurice Wilkins

John Steinbeck

James Watson

Max Perutz

John Kendrew

F. Crick, 1916~S. Brenner, 1927~

• 1961 年 Nature:• “ 蛋白质遗传密码的一般性质”

• 三个一组的碱基为一个氨基酸编码，碱基序列从一个固定的起始点读取，有些氨基酸必须对应多个三联体。

• 1955~1956 年 : 伽莫夫的三联体• 1952 年 :罗切斯特大学杜恩斯 (A. Dounce)

柯拉那（美国）Har Gobind Khorana,1922~

霍利（美国）Robert Holley, 1922-1993

• 1966 年 : 阐明遗传密码

• 遗传密码 Genetic code

终止号 : UAA=UAG=UGA

起始号 : AGG

AUG=甲硫氨酸 (Met)

UUU=苯丙氨酸 (Phe)GAU=天冬氨酸 (Asp)• 1963 年 : 20 种氨基酸的遗传密码全部测出

• 1966 年 : 64 种遗传密码的含意全部弄清

蛋白质氨基酸

密码子

DNA链(模版 )

转录

翻译

DNA 分子

蛋白质合成 • UGG • 色氨酸 Trp

• UUU • 苯丙氨酸 Phe

• GGC• 甘氨酸 Gly

• UCA• 丝氨酸 Ser

蛋白质合成 2

核糖体

蛋白质 tRNA

氨基酸

霍利 柯拉那尼伦伯格

1968 年诺贝尔颁奖典礼

The End