X-ray 与DNA结构.docVIP

X-ray 與 DNA結構 系級：醫學系二B 組員：B9702072 傅景佟 B9702074 曾瑋婷 B9702076 黃盈甄 B9702081 詹崴宇 B9702093 盧怡庭 B9702096 戴千翔 指導老師：邱韻如教授 摘要 現代關於基因研究是本世紀之蓬勃發展之重要項目，回歸其源頭，正是由於華生與克里克解開DNA雙螺旋結構，由此開啟了分子生物學之進展。本報告便是藉由探究DNA生物功能，由確定DNA為遺傳物質開始，進一步以物理X-ray繞射技術與布拉格晶體繞射，配合生物上DNA結晶技術的成熟，以繞射照片判讀確立DNA雙螺旋架構。然後，輔以化學之查加夫法則與醇酮異構互換的知識，完美地將含氮鹼基安插入DNA結構之中，由此建立出現在大家所熟知的DNA雙股螺旋之分子模型。 先由DNA的發展史說起，1860年代，奧地利神父孟德爾（Gregor Mendel, 1822-1884）發現豌豆中有某種成對的「因子」可以決定遺傳性狀。孟德爾的豌豆實驗（1857~1865）：選取了「莖的高矮」、「豆莢綠黃」、「種子圓皺」等幾組相對的性狀的豌豆作雜交研究。統計的結果顯示，「高：矮」、「綠：黃」、「圓：皺」的比例大致都3:1。這個簡單整數比的」結果類似化學中的定比定律及倍比定律（Dalton 因此得到了「不可分割的原子」的概念），而孟德爾則因此領悟了「遺傳因子為不可分割的單位」的概念。 1869年，瑞士生物學家 Johann Miescher (1844~ 1895) 在病患繃帶的膿汁中發現一種新物質，由於是在細胞核中，他將之取名為「核素」(nuclein)，此即為DNA（去氧核糖核酸）。這發現雖然並不知道核素的功能和實際成分，甚至只是猜測它是細胞的磷庫，但它卻是對於這東西研究的一個起頭。接下來幾十年，對於核酸的構造，科學家的研究一直不斷嘗試錯誤。 1889到1900間，Kossel等的分析化學研究確定了DNA的四種鹼基，可以說又再更進一步。其中，Levene四核苷假說，認為所有核酸是以同樣的鹼基不斷重複組成，但這個結論並不正確。 將x-ray和DNA結合的為阿斯特伯里，ㄧ位晶體學專家，曾與發現X光繞射作用的Bragg父子合作，是Bragg的學生，也是第一位研究生物大分子的人。他對蛋白質晶體的繞射實驗，直接影響Pauling等人對於蛋白質構造的破解。1937年他得到了一株小牛胸腺的DNA晶體樣本，立刻將其做了繞射實驗，也產生了模糊但可解讀的圖。 薛丁格，量子物理學家，在1944出版了《生命是什麼》ㄧ書，激發物理化學家對生命的好奇，他深入思考基因的特性，認為基因該是攜帶訊息的分子，而任何物質如果要能攜帶資訊，一定得由許多重複的單元所組成。許多人讀了此書，因而轉行投入生物學。之後提到的許多科學家也受到此書的影響。 同一時期，Avery研究了肺炎雙球菌的轉型作用(1928年Griffith發現，他以老鼠實驗發現，將活的良性肺炎雙球菌與死的惡性肺炎雙球菌混合，可以引起轉型，得到活的惡性菌，使老鼠死亡)之因子，利用各種不同的酶將可能的物質一個一個分解，並測試分解後對轉型的影響。最後發現造成影響的是DNA被分解，使轉型完全無法發生，Avery認為DNA應該攜帶遺傳訊息，但卻難以說服生物化學家。當時的情形，大家原以為DNA是單調的大分子，ATCG不斷重複，不可能攜帶遺傳訊息，主流還是以蛋白質為遺傳訊息攜帶者。 直到Chargaff發現氮鹼基事實上並非完全比例相同，而是A=T，C=G，推翻了先前對DNA構造簡單化的說法，開啟了DNA是遺傳因子的可能性。 而經由赫雪和蔡斯的實驗，遺傳學界才把目光聚焦在DNA上。 與DNA平行發展的，為X-ray的演進，自從倫琴發現X-ray，X-ray的應用蓬勃發展，1914 Laue發現晶體中X射線的繞射現象，因而獲的諾貝爾物理獎，之後的布拉格父子發明X光結晶學，推出著名的布拉格公式。X光晶體學的研究，從1914年解讀出第一個晶體構造NaCl後，開始蓬勃發展，並從無機分子進展到有機，再從有機進展到生物分子。 回到1940年代，Sven Furberg提出了另一個構造，單螺旋假說。這假說依據的除了Astbury的繞射數據外，更加入了1948年核苷酸X光繞射的新證據，也就是核苷酸構造實為鹼基與五碳糖直角相交的事實。是首次有人以螺旋來想DNA的構造。然而因為其所能依據的數據依然不足，所以提出的構造仍和事實有距離，且雖然是螺旋概念的雛型，卻沒有發揮極大的影響。 當時著名的生化學家鮑林，傑出貢獻橫跨化學及生物兩大領域，包括提出混成軌域理論、電負度概念、共振理論、並致力於找出生物大分子結構和功能，其中包括蛋白質的二級結構。他於1951 提出