核酸的分子結構 MOLECULAR STRUCTURE OF NUCLEIC ACIDS

去氧核糖核酸的結構 A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid

我們在此提議去氧核糖核酸(deoxyribose nucleic acid, DNA)鹽的結構。這個結構有極為鮮明的特色,在生物學上值得關注。

核酸的結構先前已經被 Pauling 和 Coreyl 討論過。他們相當大方的在公布前就將手稿提供給我們。他們的模型包含了三道交織的股,並在接近軸心處配有磷酸團(phosphate),鹼基在外。從我們的觀點,這個結構有兩個理由令人不夠滿意:(1) 我們相信讓X射線偏折的物質是鹽,而非純粹的核酸。沒有了酸性的氫原子,維持這個結構的力量從何而來便值得討論,更何況軸心附近帶負電的磷酸基還會互相排斥。(2) 有些凡得瓦力的距離似乎過小了。

另一種三股結構也(在記者會中)被 Fraser 提出。在他的模型中,磷酸基在外而鹼基在內,彼此由氫鍵連結。這個結構就如敘述的一樣有點毛病,因此我們不多做評論。

我們想呈現的是,一種極度截然不同的核酸鹽結構。這個結構有兩條螺旋股,彼此之間環繞在同一軸線上(如圖)。我們已經做出可行的化學推測,也就是,任一股都是由3'端與5'端之間,磷酸雙醚基所連結的ß-D-去氧核糖所組成。這兩條股(不含它們的鹼基)是由垂直於中心軸的序對所連結的。這兩股都是右手螺旋(right-handed helices),但由於它們成對,兩股間的原子序對會往相反的方向延伸。任一股都能大致呈現富爾貝兩種模型(Ferberg's 2 model)的第一種;也就是,鹼基在螺旋的內側而磷酸在外側。糖分子與鄰近原子的組態和富爾貝的「標準組態」很相近,糖分子大致上與相連結的鹼基垂直。任一股在Z軸上都有約3.4埃( Å,0.1奈米 )的距離。我們認為同一股上的360度迴旋上都保留了這樣的距離,因此當整個結構重複了十次之後,就是34埃的距離。磷原子距離中心軸的距離大約是10埃。當磷酸基在外側時,陽離子容易被吸引。這個結構相當開放,含水量相對的高,在較少含水量下可以預見鹼基傾斜,形成更緻密的型態。

DNA.jpg

這個結構最新穎的特色在於兩股是由嘌呤(purine)與嘧啶(pyrimidine)鹼基對所共組的。鹼基的平面和中心軸垂直。它們成對配合,一股的單一個鹼基和另一股的單一鹼基之間由氫鍵連結,因此兩股能用孿生的Z軸順序彼此交織。鹼基的一端必定是由一個嘌呤與一嘧啶形成。氫鍵也就如此形成:第一嘌呤位對上第一嘧啶位;第六嘌呤位對上第六嘧啶位。

如果鹼基只在結構的最可行互變異構型態(tautomeric forms,在此是以酮類狀態取代烯醇組態)形成,則指有特定的鹼基對能夠產生鍵結。這些配對是:腺嘌呤(adenine, purine)配合胸腺嘧啶(thymine, pyrimidine),鳥嘌呤(guanine, purine)配合胞嘧啶(cytosine, pyrimidine)。

換言之,如果配對中出現一個腺嘌呤,則另一端必定是胸腺嘧啶;鳥嘌呤跟胞嘧啶也是相同的情況。單一股上的鹼基序列則似乎沒有受到任何限制。然而,假設某段鹼基生成,只要知道一股的鹼基序列如何,則另外一股的序列就會自然而然地被定奪。實驗中已經發現,腺嘌呤與胸腺嘧啶之間的比例,與鳥嘌呤與胞嘧啶間的比例,在去氧核糖核酸中都接近平衡。

在這個結構中用核糖取代去氧核糖恐怕是不可能的,因為多餘的氧原子會使凡得瓦距離變得過近。

先前揭露的去氧核糖核酸X射線資料對於我們結構上的嚴格測試是不夠的。目前我們只能說,它跟實驗資料非常相容,但直到更多精準的結果出現之前,我們必須將它視為未證實的說法。有些結果正在做更多的討論。我們在測試自己的結構時,並沒有注意到結果中,呈現在已公告的實驗資料和立體辯論中的細節。(你們兩個還真敢講)。但我們並沒有忽視的是,我們所假定的特殊配對馬上暗示了一種基因物質的可能複製機轉。

這個結構的完整細節,包括建構它的假定條件,以及原子的座標系,將會在其他地方公布。

我們對於持續給予我們建議與批判的Jerry Donohue博士虧欠甚多,尤其是在於原子間距離上的指教。我們也大大受到實驗結果的通性知識所刺激,並受M. H. F. Wilkins 博士與 R. E. Franklin 博士,以及倫敦皇家學院的同事們啟發良多。(你們兩個真的有夠敢講) 我們之中的一員(J.D.W.)則受到國家小兒麻痺基金會的成員所資助。

 

J. D. WATSON(華生)

F. H. C. CRICK(克力克)

1953年4月25日,《自然》雜誌第4356期

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