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标  题: 双 螺 旋 ---——发现DNA结构的故事(13)( neo 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年05月20日21:10:30 星期天), 站内信件

发信人: neo (救世主), 信区: Science
标  题: 双 螺 旋 ---——发现DNA结构的故事(13)(转寄)
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Jul 16 02:49:33 2000), 转信

发信人: sonet (抓耳挠腮), 信区: Science       

标  题: 双 螺 旋 ---——发现DNA结构的故事(13)

发信站: BBS 水木清华站 (Fri Jun 11 23:26:02 1999)

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在后来的几天时间里，克里克对我不能专心致志地制作分子模型而感到愈来愈烦恼。虽

然在他十点左右进来之前，我已在实验室里，那也无济于事。几乎每天下午，我总在网

球场上打球。他知道这一情况，所以常常扭过头来，不满地看看无人过问的多核苷酸模

型。茶点以后，我也只在实验室泡上几分钟，随便摆弄一下什么东西，然后就急急忙忙

地赶到“老妈”旅馆和女孩子们一起喝雪利酒去了。我才不把克里克的抱怨当回事呢。

要是不能正确解决碱基在模型中的位置，而只在糖和磷酸骨架问题上打圈子，就是搞得

再好，也不能表示我们的工作有真正的进展。

我仍然把大部分夜晚都消磨在看电影上，幻想着答案说不定在什么时候突然出现在我的

脑子里。然而，对电影的过分着迷也会产生副作用。

就是在看好的电影时，我也忘不了DNA的碱基。然而，我也常常想到，从立体化学的角

度看，我们毕竟为糖和磷酸骨架提出了一个合理的构型。同时，也不用再担心这会和实

验数据不一致了。我们用罗西的精确测量法对它进行过检验。当然，罗西并没有直接把

她的数据交给我们。正因为这样，金氏学院才没人想到我们会掌握这些资料。原来医学

研究委员会为了调查兰德尔实验室的研究工作与生物物理研究工作的协调情况，而指定

成立了一个委员会。由于佩鲁兹是这个委员会的成员，我们才获得了这些资料。兰德尔

想让外界知道他有一个卓有成效的研究班子。他指示他的助手们对工作进行了一次全面

的总结。在适当的时候，这些材料油印了出来，并按惯例发给委员会的每个成员。这份

报告不是机密的，因此佩鲁兹觉得没有理由不能把它送给克里克和我看看。克里克匆匆

地浏览了这篇报告。他感到放心的是这份报告证实了我从金氏学院返回后，准确地向他

报告了“B型”的基本特点。根据这份资料，对我们的骨架结构只要稍微作些细小的改

动就可以了。一般说来，我总是在深夜回到房间后，才尽力开动脑筋，去揭开碱基问题

的奥秘。在戴维逊（J．N. Davidson）写的那本小册子《核酸的生物化学》里，就有碱

基的分子式。我在克莱尔就有这本书。所以，我敢断定我在卡文迪什的便笺纸上画的那

些碱基图是正确的。我想把那些位于中心的碱基安排在这样一种位置上，使得外边的骨

架完全是规则的。当然，这得首先假定每个核苷酸的糖和磷酸基团都有完全相同的三维

结构。但是，每当想找出一个答案的时候，我总是碰到这个障碍；我发现四个碱基都有

完全不同的形状。而且，我还完全有理由相信，特定的多核苷酸链的碱基顺序是很不规

则的。这样，除非有什么特别的诀窍，否则，随便地把两条核苷酸链绕在一起，只能导

致混乱。在某些部位，那些大的碱基应该互相靠在一起，而在另一些部位，彼此对称的

一些小的碱基之间必定会留有空隙，否则，它们的骨架就要凹陷变形。

怎样才能用碱基之间的氢键把交织的多核苷酸链联结在一起，也是一个令人头痛的问

题。一年多以来，克里克和我否定了碱基可能构成规则的氢键。可是现在问题很清楚，

我们完全错了。碱基上的一个或几个氢原子可以从某个位置移到另一个位置。最初我们

认为这种现象（互变异构）表明，一个碱基所有可能的互变异构体的频率是均等的。最

近，我又阅读了戈兰德（J．M. Gulland)和乔丹（D.O.Jordan）关于DNA酸碱滴定的文

章，使我非常信服他们那有力的结论：即如果不是全部，至少大部分碱基能够形成与其

他碱基相连的氢键。更重要的是，在很低浓度的DNA中，这些氢键依然存在。这充分说

明，就是这些氢键把同一个分子中的碱基联接在一起。此外，x 射线的实验结果也指

出，至今研究过的碱基都能构成在立体化学范围内尽可能多的不规则氢键。这样，问题

的关键显然就在于支配碱基之间氢键的规律上了。

我看电影也好，不 看也罢，我漫不经心地画出来的碱基图，起初对于解决氢键问题毫

无帮助。即使把“狂欢”这个字眼从脑子里完全清除了出去，也没能使我对氢键得出一

个合理的结论。在我入睡的时候，正是盼望着第二天下午在唐宁街举行的大学联欢会

上，能有许多漂亮姑娘。可是第二天一早我赶到会场，看到一队健壮的曲棍球队员和一

群初出茅庐的拘谨少女，就感到大失所望。福卡德也立即发觉这儿不是他久留之地。为

了礼貌，我们还是在那几呆了一会儿。这时，我告诉他，我怎样正在和彼得的父亲竞

赛，争夺诺贝尔奖金。

几天后，大约是下星期三的光景，有一次我在纸上画腺嘌呤的结构式时，居然茅塞顿

开，受到了一个颇为重要的启示。我忽然想到在DNA结构中，腺嘌呤残基之间形成的氢

键和在纯腺凛呤结晶中的氢键是相似的。这可能具有深远的意义。如果DNA确是这样的

话，一个腺嘌呤残基和与它成一百八十度旋转的有关腺嘌呤残基之间可以形成两个氢

键。而更为重要的是，同样两个对称氢键也可以把一对鸟嘌呤，一对胞嘧啶或一对胸腺

嘧啶联结起来。于是，我开始想，每个DNA分子是否都是由相同碱基顺序的双链构成

的；而这两条链又是通过相同碱基对之间的氢键联在一起的。麻烦的是，这样的结构不

可能有一个规则的骨架，因为嘌呤（腺嘌呤和鸟嘌呤）和嘧啶（胸腺嘧啶和胞嘧啶）形

状不同，这个结构的骨架会由于这些嘌呤对或嘧啶对在中心交替出现，而显示凸出或凹

进的形状。

尽管骨架不规则的问题仍未解决，我的心却砰砰地乱跳起来。如果这就是DNA的结构，

我会因这个发现而一鸣惊人。两条碱基顺序相同并相互缠绕在一起的多核苷酸链存在于

生物体内，不可能是一种偶然现象。相反，这倒有力他说明在某个早期阶段， DNA分子

的一条链在另一条链合成时起到模板作用。按照这种说法，基因复制起始于它的两条相

同链的分离。然后，在两条亲代模板上便产生出两条新的子代链，于是就合成了两个和

原来分子一样的DNA分子。由此看来，基因复制的关键可能在于新合成的链中每个碱基

总是通过氢键和一个相同的碱基相联。可是，那天晚上，我还弄不明白，为什么鸟嘌呤

通常的互变异构体不能同腺嘌呤形成氢键。同样，其它一些错误配对也会发生。但既然

没有理由排除某些专一性酶的作用，我也用不着过分地为此焦虑不安。譬如，可能存在

着一种对腺嘌呤有专一作用的酶，它把腺嘌呤总是嵌在与模板链上腺嘌呤残基相对应的

位置上。

时钟敲过十二点以后，我感到心情越来越愉快。我想到过去很长一段时间，克里克和我

曾经担心表面上看来DNA结构可能是枯燥无味的。既不能说明它的复制机理，也不能说

明它控制细胞的生物化学功能。但现在使我惊喜交加的是这个问题的答案看来竟是如此

饶有趣味。有两个多小时，我躺在床上，闭着眼睛兴奋得彻夜难眠，成对的腺嘌呤幻影

在我眼前翩翩飞舞。仅偶有几次，我担忧这绝妙的幻想是否会出差错。

　

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然而好景不长，到第二天中午，我的黄粱美梦就烟消云散了。我选择的鸟嘌呤和胸腺嘧

啶的互变异构形式是错误的，这个事实又使我陷于窘境。在我发现这个不幸事实之前，

我在惠姆匆匆地吃完了早餐，然后立即回到克莱尔学院，给德尔布吕克写了封回信。他

在来信中曾告诉我，在加州理工学院的遗传学家看来，我的那篇细菌遗传学的文稿似乎

有不妥之处。但尽管如此，他仍同意我的要求，把文稿寄给了《美国科学院院报》。这

样，即使我干了一件蠢事，发表了一篇荒谬的文章，我依然还算年轻，在完全走上歧途

之前清醒过来还为时不晚。

起初，这个消息的确引起了我的不安。而现在，我却由于可能发现DNA自我复制的结构

而情绪高昂。在回信中，我重申了我的信念：我了解细菌交配时发生的情况。而且我不

禁又添上一句说，我刚刚发现了一个绝妙的DNA结构，它和鲍林的那个完全不同。我还

一度想写点有关我的工作进展情况。可是，我还在跟别人竞赛，就决定不写了。我急促

地把信投入邮筒，就赶快回实验室去了。

信寄出还不到一小时，我就知道了我的所谓发现只是一派胡言。因为当我走进办公室，

刚开始解释我的想法，美国晶体学者多纳休（Jerry Donohue）就反驳说，这种看法是

不能成立的。按他的说法，我从戴维逊的书中引用的互变异构体是不正确的。我立即针

锋相对，告诉他在其它一些教科书中也有以烯醇形式来表示鸟嘌呤和胸腺嘧啶的。但

是，这丝毫说服不了多纳休。使人高兴的是，他也承认多年来有机化学家们倾向某种互

变异构形式，而轻视另外一些形式，其实也是非常主观，并无可靠根据。实际上，许多

有机化学教科书中，也都乱七八糟地画了一些异想天开的互变异构图，我扔到他面前的

那张鸟嘌呤图，显然属于此类蹩脚货。化学常识告诉他：鸟嘌呤会以酮式出现。他同样

认为，胸腺嘧啶被描绘成烯醇式结构，也是错误的。他再次明显地倾向酮式结构。

然而，多纳休并没有提出他倾向酮式结构的任何可靠理由。他承认，只有一种化合物的

晶体结构与此有关。那就是二酮吡嗪。它的三维结构几年前就在鲍林的实验室里研究出

来了。毫无疑问，这个化合物是酮式，而不是烯醇式。同时，在他看来，量子力学关于

二酮吡嗪为何具有酮式结构的理论，也同样适用于鸟嘌岭和胸腺嘧啶。他 竭力劝我还

是别异想天开地在这类问题上浪费时间了。

开始，我以为他是在有意挑剔，可是我并没有忽视他的批评。除了鲍林以外，多纳休称

得上世界上最熟悉氢键的人了。他曾在加州理工学院对于小的有机分子晶体结构进行了

多年的研究。我不能自欺欺人，认为他对我们的问题缺乏了解。自从他在我们办公室工

作六个月以来，我从来没有听说过他对自己不了解的事情信口开河地议论过。

我十分沮丧地回到写字台旁，希望能找到什么绝招来拯救我的“同类配对”观点。但

是，多纳休说的那种新结构，对我这种观点显然是个致命的打击。把氢原子移到它们的

酮式位置上，会使嘌呤和嘧啶的大小差别，比起它们以烯醇式存在时的差别变得更加重

要。除非找到特殊的理由，否则就很难想象多核苷酸链会弯曲到足以适应不规则碱基顺

序的程度。可是，当克里克进来时，就连这种可能性也不存在了。他很快发现，只有每

个多核苷酸链的每68埃完全旋转一周，“同类配对”结构才能在X 射线图谱上出现34埃

的重复。但这就意味着，相邻碱基之间的旋转角度只有18度。克里克相信，他最近对模

型经过一番研究之后完全否定了这个数值。此外，这种结构并不能说明查戈夫规律（腺

嘌呤与胸腺嘧啶等量，鸟嘌呤与胞嘧啶等量），这也使他很不满意。我对查戈夫规律却

抱着一种不冷不热的态度。好在午饭时间到了，克里克谈笑风生的话题暂时打断了我的

思路。我们转而谈起为什么大学生不能博得外国女孩子的欢心。

午饭后，我不想立即回去工作。我担心设法将酮式形状配置到某种新结构上去会使我走

到死胡同里去。而且，可能会面临着这样的情况，即没有一个规则的氢键结构能与X 射

线提供的证据相符合。我站在室外，眼睛盯着藏红花。我希望一种完美的碱基顺序能象

这朵鲜花一样脱颖而出。因为要系统地检验可能的氢键所需要的嘌呤和嘧啶金属模型未

能及时制成，把艰巨的模型制作工作推迟了至少几个小时。在回到楼上时，我觉得找这

个借口也是心安理得的。至少要两天，这些东西才能送到我们手中。无事可做，真有点

度日如年的感觉。于是，我就利用那天下午剩下的时间，用硬纸板剪成了精确的碱基模

型。等到剪完时，我发觉时间已晚，只有留到明天再继续做了。晚饭后，我和住在“老

妈”旅馆里的那一帮人看戏去了。

次日清晨我来到办公室，那里还是静悄悄的，空无一人。我急急忙忙地把写字台上的东

西挪开，以便于进行用氢键维系的碱基配对试验。开始，我仍抱着“同类配对”的偏见

不放，可是，我毕竟认识到，这种看法是不会有任何结果的。多纳休进来时，我还以为

是克里克呢。我抬头看了看他，又继续摆弄起碱基模型来，我把碱基移来移去寻找各种

配对的可能性。突然之间，我发现一个由两个氢键维系的腺嘌呤- 胸腺嘧啶对竟然和一

个至少由两个氢键维系的鸟嘌呤- 胞嘧啶对有着相同的形状。看来，所有的氢键都是自

然形成的，（两类碱基对，呈相同形状）并不需要人为的加工。我马上把多纳休叫来，

询问他对于这些碱基对，这次是否仍有反对意见。

多纳休说没有反对意见。我于是精神大振。嘌呤的数目为什么会和嘧啶数目完全相同的

谜，看来就要被我们解开了。如果一个嘌呤总是通过氢键同一个嘧啶相联，那么，两条

不规则的碱基顺序就可能被规则地安置在螺旋的中心。而且，要形成氢键，这就意味着

腺嘌呤总是和胸腺嘧啶配对，而鸟嘌呤只能和胞嘧啶配对。这样一来，查戈夫规律也就

一下子成了DNA双螺旋结构的必然结果。更令人兴奋的是，这种双螺旋结构还是提出了

一种DNA复制机制。它比我曾一度设想过的同类配对机制更加令人满意。腺嘌呤总是与

胸腺嘧啶配对，鸟嘌呤总是与胞嘧啶配对。这说明两条相互缠绕的链上碱基顺序是彼此

互补的。只要确定其中一条链的碱基顺序，另一条链的碱基顺序也就自然确定了。因

此，一条链怎样作为模板合成另一条具有互补碱基顺序的链，也就不难设想了。

克里克来时，刚把一只脚跨进门里，我就迫不及待地告诉他，我们已经掌握了全部答

案。起初，他还抱着一种审慎态度。可是，那相同形状的A—T和G—C碱基对，不出我的

意料，还是深深地打动了他。他急切地把这这些碱基按其他一些方法配对。可是没有一

种方法能够符合查戈夫规律。几分钟后，他发现每个碱基对的两个糖苷键（连接碱基和

糖）是由与螺旋轴垂直的一根二重有规 则地连接着。这样，两个碱基对都可以转到

相反方向，而它们的糖苷键却仍然保持着同样的方向。这就导致了一个非常重要的结

果：一条特定的核苷酸链可以同时包含嘌呤和嘧啶。同时，这也有力地他说明两条链的

骨架一定是方向相反的。

现在的问题是，究竟这种A一T和G一C碱基对是否能方便地装在我们前两个星期设计的骨

架构型之中。由于我们在螺旋中心为碱基留下了一大块空间，乍一看，这似乎是大有希

望的。然而我们俩都明白，我们一定要制作一个完整的、并圆满地符合立体化学原理的

模型，才能算是大功告成。再说，这种结构的发现，具有如此重大意义，决不容许草率

从事。因此当克里克飞快地跑进伊尔酒馆，用所有在场吃午饭的人都能听得见的声音宣

布我们已发现了生命的奥秘时，我感到多少有点不大舒服。

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 去过的地方， 没有乡愁，乡愁是给不回家的人

没去过的地方，没有乡愁，乡愁是给没有家的人

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