X射线衍射与DNA双螺旋结构的测定

1、x光衍射和脱氧核糖核酸双螺旋结构的测定(p718x射线和x射线衍射)1895年，德国物理学家伦琴发现，当用高能电子束轰击金属目标时，他可以得到一种穿透力很强的射线。因为当时他不知道这种射线的本质，所以他把它变成了x光。图1 x光发现为了解开x光的本质之谜，当时的科学家让x光穿过电场或磁场，但没有发现偏转现象，这表明x光不是带电粒子流。人们还认为它可能是一种短波长的光波，但很难找到一种有效的实验手段来观察x射线的干涉或衍射，更不用说测量它的波长了。直到1912年，即x射线发现17年后，德国物理学家劳厄才发现了x射线具有波动性的最有力的实验证据。他用连续光谱的x射线照射单晶，在晶体后面放上感光膜，

2、发现感光膜上出现许多散射点(劳厄点)，这是x射线穿过晶体时的衍射现象。w.布拉格指出劳厄斑是x光衍射的结果，并给出了简单明了的解释。x光是一种波长很短的电磁波，可见光中使用的衍射装置(如光栅)很难衍射x光。晶体中的原子是周期性规则排列的，其空间周期与x光波长的数量级相同，因此晶体相当于x光的三维光栅，可以产生明显的衍射效应。晶体可以抽象为由点阵点组成的点阵结构，点阵点分布在一系列平行平面上，称为点阵平面或晶面，一组平行晶面构成晶面族。考虑任何晶面族，两个相邻晶面之间的距离为d，并且在掠入射角下，x射线在镜面反射方向上具有最强的衍射，但是就整个晶面族而言，镜面反射方向上的总衍射强度(衍射角为2a

3、)取决于每个晶面的反射波的相干叠加结果。干扰满足以下条件：2dsina=k其中k是整数；是波长。上述公式称为布拉格公式，它是分析x射线衍射的基本公式。可以看出，如果x射线的波长已知，可以通过测量掠射角来测量晶体的晶面间距，并对晶体结构进行分析。相反，如果晶体结构是已知的，x射线的波长可以通过测量入射角来确定。今天，x射线衍射测量原理已经发展成为多种现代方法和技术，广泛应用于晶体和材料结构的分析。图2布拉格公式的推导20世纪50年代，新西兰结构学派物理学家威尔金斯选择了dna作为研究生物大分子的理想材料，并采用了x射线衍射方法。他认为对dna分子的x射线衍射的研究有助于建立一个严格的分子模型。他

4、和他的同事获得了世界上第一个dna纤维的x射线衍射图谱，证明了dna的分子式是单链和螺旋的，并在1951年的意大利生物大分子会议上报道了他们的研究结果。图3 dna衍射图沃森和克里克敏锐地意识到，在非常清晰的x射线衍射照片的中心，dna分子很可能是小十字图案的双链结构。他们立即致力于模型的重建，间隔排列脱氧核糖和碱基形成骨架的骨架，并在双螺旋之间成对连接碱基。因为他们配对相同的碱基，模型被扭曲了。从那以后，沃森和克里克受到了美国生物化学家查加夫的研究成果的极大启发。查加夫发现：(1)在他分析的dna样本中，a的数量总是等于t的数量，c的数量总是等于g的数量。也就是说：(a g): (t c)=

5、1。(2)(a t):(c g)的比例因物种而异。沃森和克里克吸收了美国生物化学家查加夫的研究成果，经过深入思考，他们最终建立了dna的双螺旋结构模型。图4脱氧核糖核酸双螺旋结构dna双螺旋结构的提出开启了分子生物学的时代，使基因研究深入到分子水平，揭开了生命的奥秘，人们清楚地了解了基因信息的组成和传递。在接下来的50年里，新的学科如分子遗传学、分子免疫学和细胞生物学如雨后春笋般出现，从分子的角度来看，生命的一个秘密被更清楚地阐明了。dna重组技术为生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。图5 dna双螺旋结构的应用对于生物学来说，发现脱氧核糖核酸双螺旋结构的重要性怎么估计也不过分.中国科学

6、院发展研究所研究员莫新泉告诉记者：“通过解释双螺旋结构的遗传机制，人类对自身和生物学的理解是一个巨大的飞跃。在双螺旋发现之前，科学家们已经对生命现象进行了长时间的思考和研究：是什么因素使人类世世代代保持他们的遗传特征？”事实上，当一张桌子正在腐烂和恶化时，为什么人类能够一代代延续下去？什么决定了一个人的一生，老鼠生老鼠？然而，除了生物化学，dna分子还有其他用途。有了现代生物技术，我们可以根据自己的意愿选择构建模块的顺序来生产非常长的dna分子。这为dna的应用开辟了广阔的新世界，不仅是在自然界的生物进化领域。例如，1994年，南加州大学的阿德曼展示了dna是如何被用作计算设备的。脱氧核糖核酸的另一种非生物用途：制造纳米仪器和设备。它们的基本元素和结构只有1到100纳米大小。这个组件有许多潜在的应用。由dna构成的规则网格可以包含许多生物大分子，以便通过x射线结晶学来确定它们的结构，这是药物推理设计中的一个重要步骤。此外，该栅格还可用作平台，用于安装纳米级电子元件作为工作装置或装置制造过程中的一个步骤。由dna在分子水平上制造的精确组件也可以制造新材料。移动的dna元素也可以用于纳米机械传感器、开关、镊子和更复杂的机器人。参考材料1.廖耀发大学物理教程(第二版)，高等教育出版社2.