dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

通過發(fā)現(xiàn)dna雙鏈結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)自然科學(xué)最重要的三個發(fā)現(xiàn)之一。這種結(jié)構(gòu)直接展示了遺傳因素的可能復(fù)制機(jī)制，并揭示了生命的秘密。這一發(fā)現(xiàn)打開了一個新的分子時代，奠定了人類了解分子水平生活過程和活動機(jī)制的基礎(chǔ)。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)是由英國物理學(xué)家克里克(Crick.Francis,1916—)和美國生物學(xué)家沃森(Watson.JamesD,1928—)在1951年9月到1953年4月間共同研究的結(jié)果.他們是在當(dāng)時遺傳學(xué)關(guān)于遺傳物質(zhì)的確定,生物化學(xué)對DNA化學(xué)結(jié)構(gòu)式的研究,X射線晶體學(xué)對DNA纖維的X射線衍射分析和結(jié)構(gòu)化學(xué)對化學(xué)鍵、尤其是對氫鍵的認(rèn)識,以及通常使用的分子建模方法等方面的研究知識積累到一定程度的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作的.本文要討論的問題是沃森和克里克這兩位不同國籍、不同學(xué)科的科學(xué)家是怎樣走到一起的?他們是如何得到這一結(jié)構(gòu)的?他們的思想淵源來于何處?在探索過程中經(jīng)歷了哪些重大事件?遇到了哪些困難?獲得了哪些幫助?得到了哪些啟發(fā)?他們又是如何分析并解決這些問題的?以及從這一發(fā)現(xiàn)中我們吸取到的教益與啟迪.1重新發(fā)現(xiàn)基因的“同晶置換”方法克里克1916年出生于英國北安普敦郡(Northampton).1937年從倫敦大學(xué)學(xué)院(UniversityCollegeLondon)物理系畢業(yè)后,他的研究生工作是研究水在高溫下(100℃以上)的粘滯性.二戰(zhàn)期間在海軍實驗室研究磁性水雷.在戰(zhàn)爭結(jié)束后的1946年,他閱讀了薛定諤寫的《生命是什么?》一書,書中提出的“可以用精確的物理概念,即物理學(xué)和化學(xué)的概念來考慮生物學(xué)的本質(zhì)問題”,使他受到很大的啟發(fā).他讀罷書后有這樣一個印象,“偉大的事情就在轉(zhuǎn)折處”(Greatthingswerejustaroundthecorners).他所說的偉大的事情指的就是當(dāng)時英國物理學(xué)家伯爾鈉(BernalJ.D,1901—1971)利用X射線對蛋白質(zhì)和核酸的研究.1947—1949年間,他在英國醫(yī)學(xué)研究委員會(MedicalResearchCouncil簡稱MRC)的一個實驗室工作,研究的題目是,細(xì)胞中磁性粒子的運動,后來在《實驗細(xì)胞研究》雜志上發(fā)表了一篇長達(dá)72頁的論文.1949年6月克里克進(jìn)入布拉格領(lǐng)導(dǎo)下的卡文迪什實驗室,與佩魯茲(PerutzMax,1914—)一起從事血紅蛋白的X射線研究.一年后,他參加了一個題為“狂熱追求什么(WhatMadPursuit)”的研討會,他對X射線結(jié)晶學(xué)研究中所遵循的一些基本技術(shù)和解釋模式感到不滿,針對分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,提出了正確的研究方法.他說:“像我以前說過的那樣,X射線數(shù)據(jù)通常只給我們顯示出晶體三維結(jié)構(gòu)一半的信息(即只給出了全部傅立葉分量的強(qiáng)度,而沒有給出它們的相位).有什么方法能使我們獲得這失去的部分?jǐn)?shù)據(jù)呢?”這就是他提出的“同晶置換(Isomorphousreplacement)”方法.當(dāng)時這一研究方法人們很少使用,克里克完全正確地預(yù)見到使用這一方法能夠揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié).1952年春克里克還與科克蘭(CochranW)和萬德(VandV)在《結(jié)晶學(xué)報(ActaCrystallographica)》發(fā)表了“在螺旋上原子的變換”的文章.他們推導(dǎo)出在沿著螺旋線等距離分布的原子在衍射空間中的傅立葉變換式,這一理論為研究蛋白質(zhì)和核酸結(jié)構(gòu),分析X射線衍射圖片提供了有力的工具.沃森1928年出生于美國芝加哥.1943年進(jìn)入芝加哥大學(xué)攻讀動物學(xué).他在大學(xué)即將畢業(yè)時,也像克里克一樣,閱讀了奧地利物理學(xué)家薛定諤寫的《生命是什么?》一書,從而使他對遺傳學(xué)產(chǎn)生了向往之情,后來他在《雙螺旋》中說:“這本書非常清楚地提出了一個信念,即基因是活細(xì)胞的組成部分以及要懂得什么是生命,必須知道基因是如何發(fā)揮作用的”.正是這部書引導(dǎo)他去“尋找基因的奧秘”.1947年在他獲得芝加哥大學(xué)理學(xué)士后,就進(jìn)入印第安納大學(xué)攻讀病毒學(xué)博士.指導(dǎo)他做博士論文的導(dǎo)師是在意大利受過教育的微生物學(xué)家盧里亞(Luriakalckar).研究的問題是噬菌體遺傳學(xué).當(dāng)時在一些遺傳學(xué)家中存在著這樣的猜測,即病毒就是赤膊基因的一種形式.果真如此,則解釋什么是基因以及如何復(fù)制的最好方法乃是研究病毒的性質(zhì).這樣,鑒于最簡單的病毒是噬菌體,在20世紀(jì)40年代一批科學(xué)家建立了噬菌體研究小組,他們希望研究噬菌體最終將會弄清楚基因是怎樣控制細(xì)胞遺傳的.領(lǐng)導(dǎo)這個小組的是盧里亞和玻爾的學(xué)生、德國理論物理學(xué)家德爾布呂克(DelbruckMax,1906—).1948年春在他遇見德爾布呂克后,就被噬菌體學(xué)派的目標(biāo)和方法“鉤住了”.1950年他獲得了博士學(xué)位.1951年5月他有機(jī)會赴意大利參加了一次在那不勒斯(Naples)舉行的“生物大分子結(jié)構(gòu)國際會議”.會上,英國物理學(xué)家威爾金斯(Wilkins,Maurice)關(guān)于DNA-X射線晶體衍射的報告,使他對DNA結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了濃厚興趣,大大激發(fā)了他對DNA結(jié)構(gòu)的好奇心,促使他邁出了人生關(guān)鍵的一步——進(jìn)入卡文迪什實驗室.1951年9月沃森來到了卡文迪什實驗室在博士后站點工作,與佩魯茲的合作者肯德魯(KendrewJohnC1917—)一起從事肌紅蛋白的研究.正是在這里,他遇見了克里克.沃森和克里克相見后立即相處得非常融洽,這是因為他們志趣相投,知識互補(bǔ).克里克是一位不僅了解X射線晶體學(xué),蛋白質(zhì)知識,而且是對基因的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能很感興趣的物理學(xué)家.而沃森的確是一位知道許多關(guān)于噬菌體的實驗工作和細(xì)菌遺傳學(xué)知識的生物學(xué)家.沃森在《雙螺旋》一書中寫道:“從我到實驗室的第一天起,我發(fā)覺和克里克談得很投機(jī).”“他是一位懂得DNA比蛋白質(zhì)更重要的人,真是三生有幸.”又說:“我和克里克每天至少交談幾個小時,其他時間克里克就用晶體學(xué)武裝我的頭腦.”1951年12月沃森在給德爾布呂克的信中寫道:“克里克無疑是我曾合作過的人當(dāng)中最有生機(jī)的一個人,而且非常像我曾經(jīng)見過的鮑林,事實上他長得也很像鮑林.他總是不停地談話和思考……他吸引了許多有志向的年輕科學(xué)家,因此,我在他家的茶會上,經(jīng)常遇到許多劍橋的人物.”正是這種智力的共鳴,對探索基因本質(zhì)的興趣,強(qiáng)烈地把他們吸引到一起,開始了現(xiàn)代生物學(xué)史上的一次最富有創(chuàng)造性的,最激動人心的,或許也是最神奇的,跨學(xué)科專家的合作.2u3000計算機(jī)病毒的結(jié)構(gòu)分析化學(xué)家如欲了解某物質(zhì)之三維空間的構(gòu)造,有兩條重要途徑可循:一是按照物質(zhì)特性使用物理學(xué)的工具(如X射線衍射法,電子顯微鏡,核磁共振法)探討分子中原子的相對位置;另一種方法是制作模型,對分子中的各種原子按照比例作出模型,并根據(jù)物理學(xué)的計算和實驗數(shù)據(jù),確定各原子間的距離和鍵之角度.美國著名的結(jié)構(gòu)化學(xué)家鮑林(PaulingLinus,1901—1994)就是通過建立模型的方法確定了蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu).沃森和克里克曾經(jīng)認(rèn)真討論了鮑林是怎樣發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的α螺旋結(jié)構(gòu)的.鮑林認(rèn)為大多數(shù)已知蛋白質(zhì)中的多肽鏈,由于氨基酸之間氫鍵的作用,會自動卷曲成螺旋狀.鮑林提供了一個查看分子中各原子相對位置的方法,即先根據(jù)理論上的考慮建立模型,再用X射線衍射結(jié)果來檢驗?zāi)Ｐ?正如沃森在《雙螺旋》一書中所說:“鮑林成功的關(guān)鍵在于他運用了結(jié)構(gòu)化學(xué)的簡單規(guī)律.他發(fā)現(xiàn)α螺旋結(jié)構(gòu)并不僅僅靠X射線衍射圖譜.相反,其主要方法是探討原子間的關(guān)系.不用紙和筆,他的主要工具是一組分子模型.”沃森和克里克采用模型方法進(jìn)行工作的步驟是:依據(jù)他們所掌握的資料,提出他們可供選擇的模型,然后再用X射線衍射圖象進(jìn)行對比和檢驗.早在20世紀(jì)30年代就已經(jīng)確定了DNA的化學(xué)構(gòu)成,它是由4種稱為核苷酸(nucleotide)的基本單位組成,每種核苷酸又是由3種基本的亞單位,一個堿基,一個脫氧核糖和一個磷酸基團(tuán)組成,其中堿基有4種,它們是腺嘌呤(adenine)、鳥嘌呤(guanine)、胸腺嘧啶(thymine)和胞嘧啶(cytosine).DNA分子是由許多核苷酸連接而成的長鏈分子,在DNA中核苷酸是通過磷酸基團(tuán)連接起來的.每一個核苷酸的脫氧核糖與另一個核苷酸的磷酸基連接在一起,形成糖-磷酸基骨架,構(gòu)成了DNA主鏈.1950年,奧地利生化學(xué)家查加夫(Chargaff,Erwin)發(fā)現(xiàn)腺嘌呤之量等于胸腺嘧啶之量,鳥嘌呤之量等于胞嘧啶之量.20世紀(jì)40～50年代用X射線衍射分析DNA結(jié)構(gòu)的實驗主要是在倫敦國王學(xué)院(KingsCollegeatLondon)進(jìn)行,沃森和克里克建模所依據(jù)的資料主要來自于該院威爾金斯小組和由英國物理化學(xué)家富蘭克林(Franklin,Rosalind)領(lǐng)導(dǎo)的小組所獲得的實驗結(jié)果.1951年7月在劍橋舉行的蛋白質(zhì)會議上,威爾金斯表述了他的關(guān)于DNA思想的重要發(fā)展.他把子午線上不存在反射看成是有意義的,而且從DNA衍射圖上衍射最大值呈十字交叉的分布,直接地推斷出DNA分子具有螺旋結(jié)構(gòu)的特征,交叉式樣的傾斜度給出了螺旋的坡度(見圖1).沃森在《雙螺旋》一書中回憶說:“威爾金斯在劍橋一次夏季討論會上已經(jīng)使用了“螺旋”這個名詞.在我第一次到達(dá)那里的六周以前,他曾經(jīng)把那張DNA的X光衍射圖譜拿出來展示過.那張圖譜顯然存在子午線上缺少任何反射跡象.他的同事、理論家斯托克斯(Stokes,Alex)告訴他,這個現(xiàn)象是與螺旋結(jié)構(gòu)相符合的.根據(jù)這個觀點威爾金斯猜想有三條多核苷酸鏈形成螺旋結(jié)構(gòu)”.1951年1月富蘭克林來到倫敦國王學(xué)院從事DNA纖維的晶體構(gòu)型的研究.同年9月她得到了相對濕度為90%以上的、后來稱為B型DNA的X射線衍射圖(見圖2).在這張圖上你能看到衍射強(qiáng)度呈十字交叉分布的最明顯的特征.1951年11月21日,在倫敦國王學(xué)院舉行的核酸結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)討論會上富蘭克林展示了這張圖,首先引起她注意的是子午線上0.34nm處的亮斑,她指出這兩個傾斜的亮斑的連線與子午線呈40°角,還指出赤道線上有強(qiáng)反射點和子午線上的2.7nm亮點.她還測量出在這種狀態(tài)中的水含量為每個核苷酸有8個水分子.并得出磷酸基是在外邊的結(jié)論.在富蘭克林的筆記本上,她對這個階段的結(jié)果作出了解釋,提出了螺旋結(jié)構(gòu)的證據(jù).她認(rèn)為由于受力不平衡,解開的直鏈?zhǔn)遣豢赡艽嬖诘?在結(jié)晶形式中子午線上反射的不存在,表明存在螺旋的構(gòu)型.在這種構(gòu)型中投影到纖維軸上的電子密度幾乎是相同的;強(qiáng)烈的2.7nm反射周期的存在,表明這個螺旋的螺距是2.7nm.3糖-磷酸脊骨模型的建立在倫敦國王學(xué)院1951年11月21日舉行的核酸結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)討論會后,沃森和克里克受到這些研究成果的的激勵,立即著手建立模型的工作.他們結(jié)合基本的實驗事實:衍射圖形所顯示的螺旋特征,晶胞的尺寸,每個晶胞中堿基的數(shù)量和含水量,經(jīng)過一周的努力,構(gòu)建了一個三螺旋模型.他們把三條多核苷酸鏈以一定方式彼此纏繞在一起,作出了一個沿螺旋軸每隔2.8nm繞一周的螺旋模型.三條糖-磷酸主鏈盤繞在圓柱形分子的內(nèi)圓柱面上,靠鈉離子或鎂離子與磷酸根形成的鹽鍵相互連接.堿基在圓柱形分子的內(nèi)外圓柱面之間在垂直于螺旋軸的平面上(見圖3).至于多核苷酸鏈之間是由什么力維系著的問題,克里克確信是金屬離子和磷酸基團(tuán)之間的靜電吸引力.1951年12月中旬他在一篇未發(fā)表的關(guān)于建模工作總結(jié)的文章中寫道:“這個結(jié)構(gòu)必定由帶電原子控制.除了在堿基環(huán)和水中以外,沒有原子能夠提供氫鍵.因此氫鍵在這個結(jié)構(gòu)中,不大可能像它在多肽α螺旋結(jié)構(gòu)中那樣起著控制的作用.靜電力相對于范德瓦爾斯(vanderWaals)力是如此之大,以致于我們可以確信,Na+和PO-2之間的靜電吸引力將主要決定這個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”.克里克認(rèn)為不能用堿基中的氫鍵來建立一個有規(guī)則的結(jié)構(gòu)的理由是,由于他引入的化學(xué)限制,涉及到堿基被描述為具有幾種互變異構(gòu)的形式,這就意味著當(dāng)一個原子從這個分子上的一個位置遷移到另一個位置時,一種形式就會改變?yōu)榱硪环N形式.因此他不同意在剛性的螺桿中,堿基中的氫鍵是使長鏈保持在一起的力.沃森在《雙螺旋》中同樣認(rèn)為維系著多核苷酸鏈之間的力是鹽鍵.他指出“在這種鹽鍵里,兩價正離子如Mg++可以維系兩個或更多的磷酸基團(tuán).”他把鎂離子嵌進(jìn)糖-磷酸骨架之中,就得到了一種非常精致的結(jié)構(gòu)(見圖4).1951年12月中旬的一天,克里克和沃森邀請倫敦國王學(xué)院的晶體學(xué)家們來觀看他們制作的DNA三螺旋模型,并聽取對方的意見.當(dāng)克里克談到在這個由三條多核苷酸鏈組成的模型中,磷酸基團(tuán)之間是由Na+離子聯(lián)結(jié)時,富蘭克林直截了當(dāng)?shù)刂赋?Na+離子由水分子外殼緊密地包圍著,這就意味著它們之間的電荷隔著一段距離,所以這些Na+離子很難于與磷酸基牢固地結(jié)合在一起,因而它們不可能是一個緊湊結(jié)構(gòu)的主要部分.富蘭克林隨之發(fā)現(xiàn)他們的含水量有錯誤,并不是像沃森告知的每個晶胞中,即在24個核苷酸中有8個水分子,而是每個核苷酸中有8個水分子,即少了24倍.她還鄭重地表明糖-磷酸脊骨必須在分子圓柱的外邊,指出放在里邊是錯誤的.富蘭克林指出的這一系列錯誤,宣告了沃森和克里克首次建立的DNA三螺旋模型的失敗.此后半年,克里克回到了他的蛋白質(zhì)研究課題,沃森決定暫時轉(zhuǎn)向煙草花葉病毒(TMV)的研究.TMV中含有另一種核酸,即核糖核酸(RNA).1952年6月沃森得到所需的X射線圖譜,克里克指出了那些意義重大的螺旋反射.證明TMV是一種螺旋.由于對TMV的研究在短期內(nèi)不會有什么突破,他們又轉(zhuǎn)回到DNA的結(jié)構(gòu)上來.4不同種類堿基的互補(bǔ)配對第一次建模失敗`后,DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仍然困擾著他們.沃森仍然喜歡賦予離子在這個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性中具有關(guān)鍵的作用,但是他對二價金屬離子的熱情沒有影響克里克.克里克考慮的是由于在這些堿基上電荷的移動產(chǎn)生的偶極子所引起的吸引力,現(xiàn)在叫做堆積力(stackingforces),即一個堆積在另一個上面的兩個堿基的偶極子之間的靜電吸引力.他請求一位劍橋年輕的數(shù)學(xué)家格里菲斯(GriffithJohn)計算同類堿基之間的這種吸引力.格里菲斯也是對生物學(xué)問題很感興趣的人,他答應(yīng)計算.1952年6月的一天,當(dāng)克里克在茶會上見到格里菲斯時,他問格里菲斯是否做完了計算,格里菲斯回答說:“我做完了,而且我發(fā)現(xiàn)了腺嘌呤吸引胸腺嘧啶,鳥嘌呤吸引胞嘧啶.”這不是相同堿基之間的相互吸引,而是不同堿基之間的相互吸引.聽到這話克里克并沒有不知所措,而是回答說:“好,那是完全正確的.A造成B,而B造成A,你正好有互補(bǔ)的復(fù)制”.這時克里克和格里菲斯都認(rèn)識到不同種類堿基之間優(yōu)先選擇的吸引必將導(dǎo)致互補(bǔ)的復(fù)制.事實上堿基的這種互補(bǔ)配對不是由堆積方向上的靜電吸引力引起,而是由垂直于纖維軸方向上的氫鍵引起的.格里菲斯還指出這些配對的堿基不是互相重疊,而是邊緣相接的.1952年7月的一天,肯德魯給沃森和克里克引見了正在拜訪劍橋的奧地利生物化學(xué)家查伽夫(ChargaffErwin,1905—).按照克里克的說法,在這次會面中,他們作了如下的交談.首先,克里克問查伽夫:“核酸研究工作進(jìn)展得怎樣?我們想知道這個.”查伽夫略微遲疑了一下,回答道:“當(dāng)然,比例是1∶1.”克里克說:“指什么?”查伽夫說:“噢,都已經(jīng)發(fā)表了!”克里克沒有讀過這篇文獻(xiàn),所以他不知道.于是查伽夫告訴了他,指的是不同種類堿基總量的比例.從而使克里克大為吃驚,所以他記得這件事.克里克突然想到:“哎呀!我的上帝,如果是互補(bǔ)配對,那么比例肯定是1∶1.”不過當(dāng)時他的確一點也想不起格里菲斯曾經(jīng)告訴過他什么.他不記得這些堿基的名稱,于是他去找格里菲斯,問他那些堿基叫什么,并要求他寫下那些堿基.但是他又把查伽夫告訴他的東西忘了,于是他又回去看文獻(xiàn).令他驚奇的是,格里菲斯和查伽夫所說的配對竟然一樣.在這個階段克里克把格里菲斯的計算和查伽夫的比例聯(lián)系起來,認(rèn)識到堿基的互補(bǔ)配對可以解釋不同種類堿基總量比例為1∶1的規(guī)則,而這個1∶1的實驗結(jié)果又可以驗證堿基互補(bǔ)配對思想的正確性.所以克里克說:“查伽夫規(guī)則意味著堿基互補(bǔ)配對.”從而使他認(rèn)識到不同類型的堿基配對可能是DNA分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ).這個認(rèn)識極為重要,因為他揭示出DNA分子如何被維系在一起,以及如何復(fù)制自己.然而還沒有證據(jù)表明DNA分子由幾條鏈組成,或者鏈與鏈之間的空間關(guān)系如何.5a型dna的堿基間距離1938年阿斯特佰里根據(jù)DNA的密度為1.63g/cc的測量值,得到DNA的主鏈數(shù)不少于2、不多于4的結(jié)論.這表明晶體學(xué)的密度數(shù)據(jù)能夠用于分析討論DNA的主鏈數(shù).后來威爾金斯認(rèn)識到早期主張3條鏈的決定是草率的.1951年富蘭克林把A型DNA的含水量估計為42%,連同阿斯特佰里把DNA的密度估計為1.63g/cc,給出了在每個晶胞中大約有46個核苷酸.她后來的工作表明他們測量的含水量在改變,所以這個結(jié)果并不是令人完全滿意的.1953年1月富蘭克林在她作的1952年的年度報告中說:“如果A型DNA的含水量在干重量的22%到50%之間,那么在每個晶胞(unitcell)中核苷酸的數(shù)目就處在44到56之間,由于在每個晶胞中每條鏈上有11個核苷酸因此密度測量說明有4條鏈通過這個晶胞.或者是與每個晶格對(latticepair)相聯(lián)系的二條鏈”.沃森在1953年1月最后一周的星期五拜訪了倫敦國王學(xué)院,從威爾金斯那里他知道了富蘭克林報告的全部內(nèi)容.他問威爾金斯:“你們?yōu)楹纹珢?條鏈?”威爾金斯回答:“那是由于這個密度值.”威爾金斯把富蘭克林最近工作的一些結(jié)果告訴沃森,在由DNA的A型變到B型的過程中,這條軸的周期性長度(即螺距)由0.28nm變到0.34nm,纖維長度大約增加了20%.由于B型DNA的堿基間的距離是0.34nm,因此A型DNA的堿基間的距離必定是0.34nm×0.8=0.27nm.A型DNA在一個螺距中堿基的數(shù)目必定是2.8÷0.27≈10.如果采用三螺旋,在這個晶胞中的堿基數(shù)很可能是30、60、或90;如果是雙螺旋很可能是20、40或80.富蘭克林的數(shù)值為46,它是接近于40而不是30或60,因此雙螺旋比三螺旋更有可能.這時需要沃森在兩條鏈和三條鏈之間作出選擇,他決定制作一個雙鏈模型.他說:“克里克一定會同意.盡管他是一個物理學(xué)家,他也知道重要的生物體都是成對出現(xiàn)的.”后來克里克接受了沃森的關(guān)于“在生物系統(tǒng)中成對生物體的重復(fù)發(fā)現(xiàn)告訴我們必須建立兩鏈模型”的主張,并且在這個說法下劃了一條線.關(guān)于主鏈的位置,早在1951年11月富蘭克林根據(jù)X射線衍射圖的特征,已經(jīng)明確指出磷酸基-糖鏈在DNA分子的外邊.但是沃森和克里克在他們首次建立的模型中并沒有使用這個重要的信息,于是受到了富蘭克林的批評.富蘭克林指出把含水的磷酸基放在里邊,這些水必然會成為這個結(jié)構(gòu)的一部分,如果磷酸基在外邊,這些水只能在水合物周圍擺動.富蘭克林還從電子密度圖上在直徑為1.8nm處的強(qiáng)烈散射,得出磷酸基-糖鏈在DNA結(jié)構(gòu)外邊的結(jié)論.沃森和克里克把主鏈放在里邊,堿基放在外邊的理由是“只要這些堿基在外邊,人們就不必?fù)?dān)心把它們?nèi)绾窝b進(jìn)去.”沃森在《雙螺旋》一書中說:“堿基要是在里邊,問題就麻煩了.怎樣才能把帶有不規(guī)則堿基順序的兩條或多條的多核苷酸鏈包裝在一起?”經(jīng)過對包裝問題的分析和思考,最后沃森建立了主鏈在外的模型.關(guān)于主鏈的方向,DNA的化學(xué)結(jié)構(gòu)式表明單核苷酸是由堿基、脫氧核糖和磷酸基團(tuán)組成.脫氧核糖上碳原子的位置以1’到5’表示.DNA內(nèi)的單核苷酸是通過脫氧核糖上的3’位置和5’位置之間的磷酸二酯鍵(phosphate-di-esterlinkage)彼此連接起來.1953年2月佩魯茲把在1952年1