探索生命《生物學》77
Delibes Lakme Duo de las flores
1. 1950年代早期，科學界已經累積許多關於DNA化學特性的資訊。DNA分子由核甘酸組成，每個核甘酸的組成是一個連接磷原子團和氮鹼的五碳醣。
2. DNA由四種不同核甘酸組成，這四種核甘酸彼此的差異在於它們的氮鹼。其中二種氮鹼：腺嘌呤、鳥糞嘌呤是雙環構造，歸類為嘌呤purines；另外二個氮鹼：胸腺嘧啶、胞嘧啶是單環構造，歸類為嘧啶pyrimidines。
3. 哥倫比亞大學Erwin Chargaff的團隊關於DNA的研究指出，所有的DNA樣本都出現同樣的現象，胸腺嘧啶核甘酸的數量永遠等於腺嘌呤的數量，並且鳥糞嘌呤的數量永遠等於胞嘧啶的數量。
4. 這個研究成果出來時，科學界還不知道組成DNA分子的原子排列，也不知道這些分子是怎麼複製與控制細胞功能。
5. 大約同一個時期，許多科學家開始用X光繞射技術分析DNA分子的立體構造。實驗的方式是將X光照射穿透DNA分子；X光受到DNA分子上的電子的影響而繞射（或散射）在投影板上產生一個圖案。
6. 倫敦大學國王學院的Maurice H.和F. Wilkins成功地做出DNA分子的X光繞射圖案，清晰度勝過以往。DNA分子的X光繞射圖案顯示，DNA分子是螺旋狀捲曲的分子。
7. 接下來的科學團隊創造科學史上的里程碑。劍橋大學的James D. Watson 和Francis H.C. Crick綜合DNA的X光繞射圖案方面的研究所提供的資訊，做出DNA分子模型。
8. James D. Watson 和Francis H.C. Crick花費很多心思確定DNA分子鍵結原子間之的距離、化學鍵之間的角度以及原子的大小這方面的數據。
9. Watson 和Crick假設DNA分子是由核甘酸分子依序組合而成的，每個核甘酸的醣與下一個核甘酸的磷原子團形成共價鍵，成為DNA分子的主鍊，而氮鹼則成為主鍊旁的原子團。
10. 這二位研究者先假設，DNA是由單股核甘酸構成，可是後來他們發現單股DNA螺旋捲曲的密度只有實際DNA濃度的一半。所以比較合理的結論是，DNA分子由二股核甘酸鍊組成，而不是一股。
11. 接下來，Watson 和Crick必須判斷這二股核甘酸鍊的關係。他們用模型試過好幾種排法，發現最符合數據的的構造是，讓兩股核甘酸鍊左右相反並排，纏繞一個直徑大小恰當的圓軸，並且嘌呤和嘧啶鹼基位於雙股核甘酸鍊的內部。
12. 兩股核甘酸鍊的鹼基在內側兩兩相對用氫鍵彼此吸引，用氫鍵的引力維持雙股螺旋的結構。換句話說，螺旋狀的DNA分子展開攤平，看起來就像梯子結構，梯子的垂直軸是交替連接的醣和磷原子團，橫槓則是二個透過氫鍵鍵結的鹼基。
13. Watson 和Crick很快就明白，梯子構造的DNA，橫槓一定是由1個嘌呤和1個嘧啶組成。他們的模型顯示，兩條醣和磷連接成的垂直軸之間的空間大小剛剛好可容納3個環狀結構。
14. 意思就是，梯子構造的DNA，其橫槓可能的組成共有4種：腺嘌呤－胞嘧啶、腺嘌呤－胸腺嘧啶、鳥糞嘌呤－胞嘧啶、鳥糞嘌呤－胸腺嘧啶。
15. 更進一步的檢驗之後發現，雖然腺嘌呤－胞嘧啶的大小可以符合兩條醣和磷連接成的垂直軸之間的空間，但是它們彼此無法形成恰當的氫鍵。同樣的問題發生在鳥糞嘌呤－胸腺嘧啶。
16. 因此DNA分子的橫槓不會有腺嘌呤－胞嘧啶，也沒有鳥糞嘌呤－胸腺嘧啶，最後只剩下「腺嘌呤－胸腺嘧啶」和「鳥糞嘌呤－胞嘧啶」這二種鹼基對可以嵌入DNA分子的醣和磷垂直軸之間。
17. Watson 和Crick提出DNA由成對鹼基構成的模型，解釋清楚Erwin Chargaff觀察到的現象：DNA分子的胸腺嘧啶與腺嘌呤的數量相等，並且鳥糞嘌呤與胞嘧啶的數量相等。
18. 胸腺嘧啶與腺嘌呤的數量相等的原因是它們在DNA分子中是成對排列的，同樣地，鳥糞嘌呤與胞嘧啶的數量相等的原因也是它們是成對的。
19. 簡而言之，Watson 和Crick的DNA模型分子顯示，DNA分子鍊由核甘酸依序排列而成，每個核甘酸的醣與下一個連接的核甘酸的磷原子團形成共價鍵，氮鹼則在醣和磷原子團組成的直鍊的側邊。
20. DNA分子是雙股結構，二條直鍊以2個鹼基之間的氫鍵連接，這二個鹼基是成對的，只有胞嘧啶和鳥糞嘌呤、胸腺嘧啶與腺嘌呤彼此能夠以氫鍵連接。特別留意二股DNA鍊的鹼基順序彼此是上下顛倒的。
21. 梯子構造的DNA分子捲曲成雙股螺旋double helix，以雙股核甘酸分子內的鹼基之間的氫鍵固定，這個原理就像alpha螺旋蛋白質用胺基酸之間的氫鍵固定。
22. DNA分子模型於1953年首度提出，隨即後續的研究所支持，因此廣為科學界所接受。Watson 和Crick因此在1962年獲得諾貝爾獎。
n 翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Anselm.edu、wiki、Phys.org、Studyblue.com、Universe-review、Mhhe.com
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