三　双螺旋DNA

双螺旋DNA 是一种了不起的分子。现代人的历史约有5万年，文明的历史几乎不到1万年，美国的历史仅有200多年。可是DNA 和RNA却至少存在了几十亿年。从古至今，双螺旋一直存在并活跃着。DNA 现在已是一个为人所熟知的名词。每个中学生都知道“DNA 是由4个字母写成的长长的化学信息”，每条链的主链几乎完全相同，4个字母（碱基）以一定的间隔连在主链上。正常的DNA 结构包括两条单独的链，相互盘旋形成双螺旋。克里克在他所写的《狂热的追求》一书中说：“与其说沃森和克里克得出了DNA 的结构，不如说DNA 的结构造就了沃森和克里克。”他们因为确定了DNA 的双螺旋结构而获得了诺贝尔奖。

DNA 双螺旋结构的确定被认为是20世纪自然科学的最重大的突破。它是通过了很多科学家的劳动才得以确定的。首先是英国的威尔金斯（M.Wilkins）和美国的富兰克林（R.Franklin）拍摄的DNAX 射线衍射图。据此，结晶学家就可以推算出DNA 分子中各个原子在空间的排列。正当威尔金斯实验室的科学家们苦苦思索着DNA 可能的结构模型时，在英国剑桥大学卡文迪许（Cavendish）实验室进修的美国人，时年24岁的沃森和原在实验室工作的克里克合作，也在探索着DNA 的结构，可是由于没有得到清晰的X 射线衍射图，研究工作进展迟缓。一次偶然的机会，他们看到了威尔金斯和富兰克林这张新摄的X 射线衍射图，从中得到了新的启发，茅塞顿开，结合查盖夫等人发现的碱基配对规则，立即悟出了双螺旋结构的奥秘。他们只花了几个星期的时间以及经过了一两次失败，就完成了构思DNA 分子模型的全部工作。1953年4月，沃森和克里克将他们提出的DNA 双螺旋模型连同威尔金斯实验室的X 射线衍射图一起，发表在同一期的《自然》杂志上。

下图（左）就是沃森和克里克的DNA 结构模型。从这个模型中我们可以看到DNA 由两条多核苷酸链组成，它们沿着中心轴以相反的方向相互缠绕在一起，就像一条长长的电灯花线。我们再把这种结构的局部放大，就可以看出这种结构就像一座螺旋形的楼梯［如上图（右）］，楼梯两侧的扶手是两条多核苷酸链的糖　-　磷基团交替结合的骨架，而楼梯的梯级就是DNA 的碱基对，它们通过一种较弱的化学键——氢键相互结合在一起。根据X 射线衍射图的计算，这个螺旋结构的直径是一定的，也就是说两条多核苷酸链之间的距离几乎是相等的。前面说过碱基有两类，它们的分子大小不一，嘌呤碱分子要大一些，嘧啶碱分子比较小一点，因此相同的碱基配对必然造成螺旋的直径不一，显然这与实验事实不符。为了解释这一问题，沃森和克里克提出DNA 分子的每一个碱基对一定是由一个大一点的嘌呤分子和一个小一点的嘧啶分子所组成，这种碱基互补的关系，构成了双螺旋恒定的直径。(https://www.daowen.com)

因为DNA 的两条链通过碱基间形成的氢键连在一起，所以还要考虑到碱基对间形成氢键的可能性。由于A-C 或G-T 对在化学结构上不宜于生成适合配对的氢键，而A-T 和G-C 能生成两对或三对氢键。因此，DNA 分子中只能是A 与T 或G 与C 配对。这样的结构为查盖夫等人发现的碱基配对规律找到了正确的解释，也说明了为什么在整个分子中A 的总数总是等于T，而G 的总数总是等于C。

沃森和克里克的模型后来被许多实验证明是完全正确的。沃森和克里克的伟大发现一发表，就立即轰动了生物学界和物理界、化学界，因为他们第一次以准确的语言回答了核酸是怎样可能成为遗传物质的这一问题，从而开辟了分子遗传学研究的新天地。