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DNA结构模型往事:从核酸到双螺旋 精选

已有 5542 次阅读 2023-4-13 09:02 |个人分类:医药|系统分类:观点评述

酸与碱基的发现

 

1865年,瑞士巴塞尔(Basel)大学的医学生米舍(Johannes Friedrich Miescher,本来要沿着父亲和叔叔的医学道路成为医生他在1868患伤寒致一耳失聪,于是转向生理学研究来到图比根大学,霍佩塞勒Hoppe-Seyler指导下研究中性粒细胞核

霍佩塞勒曾于1856-1860年,受德国病理学家菲尔绍(Rudolf Virchow的邀请,在柏林病理学研究所担任化学实验室主任。他的研究领域涉及血液、血红蛋白、脓液、胆汁、牛奶和尿液等多个方面。而且,他最先描述血色素的吸收光谱还认识到红细胞中的血红蛋白氧结合,产生复合氧血红蛋白。霍佩塞勒获得结晶形式的血红蛋白,并证实它含有铁。后来他研究尿液中的有机硫化合物,确定尿液中芳香族化合物的来源是芳香族氨基酸(如酪氨酸)。他合成的硫代缩醛(thioacetals)和硫代缩酮(thioketals),被其他科学家用于麻醉。他和同事们一起证明了甲状腺素是甲状腺的活性成分。

为了研究中性粒细胞核,米舍从医院收集废弃医疗绷带,用自制的硫酸钠溶液冲洗上面的脓液,并用多种溶剂分离细胞核开展研究。他发现细胞核中除了一般认为的蛋白质外,还存在一种略呈酸性的物质。霍佩塞勒亲自实验,验证了这一结果。1871年,米舍发表研究结果,他将之命名为核素(nuclein)。

霍佩塞勒对此非常感兴趣,他指示自己的另一个学生科塞尔(Kossel,继续核素方面的研究最终分离并描述了核素的酸性非蛋白组分,并称之为核酸(nucleic acid)。

1883年,科塞尔担任柏林大学生理研究所化学科主任继续核酸方面的工作。在1885-1901科塞尔分离并命名五种有机化合物:腺嘌呤A、胞嘧啶C、鸟嘌呤G、胸腺嘧啶T和尿嘧啶U。这些化合物现在统称为碱基,它们是承载生物遗传信息的基本分子结构。因为这些贡献,他被授予1910年的诺贝尔生理学医学奖。

1928年,英国生物学家弗雷德里克格林菲斯(Frederick Griffith)通过实验发现了一个很有意思的现象,当非致病型肺炎双球菌(R型)与热灭活的致病型肺炎双球菌(S型)混合,就会形成致病型菌株(S型)。这表明热灭活的S释放出了遗传物质,可以导致R型菌向S型菌的转化。但这个遗传物质是什么,依然不能确定。大多数人仍认为是蛋白质。

基因的本质是蛋白还是核酸,这个问题困扰了科学界许多年。为了解决这个争议,必须要得到蛋白和核酸的结构。而英国科学家,在这方面遥遥领先。

 

 

英国蛋白质结构研究团队

和父亲一起获得诺贝尔物理学奖的X射线晶体学权威劳伦斯布拉格Lawrence Bragg1930年代末期,对蛋白质等有机大分子产生了兴趣。此时他接替欧内斯特卢瑟福(Ernest Rutherford)成为剑桥大学卡文迪什教授(Cavendish Professor)。

1934年,布拉格的学生约翰•德斯蒙德•伯纳尔(Bernal)在卡文迪什实验室得到了胃蛋白酶的结晶X线衍射照片。伯纳尔的学生霍奇金Dorothy Hodgkin后来发现青霉素结构而获得诺奖后来回忆,当天晚上,伯纳尔在整个剑桥大学跑来跑去,通过这一技术发现各种各样蛋白质的结构

并且,布拉格的另一名学生威廉托马斯•阿斯特伯里( Astbury)从1926年开始,就研究纤维(如羊毛)的晶体结构,并取得了重要成果。不过,1935年,阿斯特伯里发现,球蛋白解构后,也呈现出纤维特征。

伯纳尔得知消息后,找到阿斯特伯里两人私下达成君子协议阿斯特伯里继续研究纤维,伯纳尔专注于蛋白结构,两人可以合作,但互不涉及对方的研究领域。这说明当时的英国在大分子结构领域科技实力独占鳌头。

在布拉格的影响下,二战后,英国医学研究委员会(MRC相当于美国国立卫生研究院NIH)建立大生物分子晶体学研究团队后来的LMB实验室;即由马克斯佩鲁茨Max Perutz伯纳尔的学生,曾任布拉格的助理和约翰肯德鲁John Kendrew参加二战的军事研究工作,后在佩鲁兹和布拉格指导下获得博士学位领衔的团队(当时全部团队也只有他们两人)里的成果改变了生命科学史。以这个团队的技术基础作为支撑,最终发现了DNA双螺旋结构。

 

 

DNA的结构假说:四核苷酸说、叠硬币

立陶苑生物化学家弗布Phoebus Levene因国内的反犹运动于1893年来到美国,他于1896年左右与德国科塞尔合作研究核酸。1909年,文鉴定了RNA中的碱基、糖和磷酸,当时称为酵母核酸(yeast nucleic acid

1929年,文在纽约的洛克菲勒研究鉴定出了细胞核中含量最多的物质是一种糖,即脱氧核糖,他称核素为脱氧核糖核酸。接着,他命名了核苷酸(nucleotide)并指出它是按照磷酸-核糖-碱基的顺序结合在一起的单位。至此,科学界终于弄清楚了DNA(当时被称为胸腺核酸thymus nucleic acid)的成分。

文提出假设:每个DNA分子只有四个核苷酸,由ACGT四种碱基按照等量1111组成。而他又认为这一化学结构过于简单,所以DNA不能储存遗传密码。所以基因只应是蛋白质。这就是DNA四核苷酸说

1938年,阿斯特伯里(Astbury的研究生弗洛伦丝贝尔(Florence Bell,得到了最早的DNA结晶衍射图片。两人认为这是一个长链,于是他们四核苷酸说基础上,提出了一个叠硬币DNA结构模型。即文的简单四核苷酸分子一个个地叠在一起,形成一个长链。不过,叠硬币模型一开始就没有被认可。

 

 

查伽夫的碱基等比例发现

比德尔Beadle与塔特姆Tatum,两人共享诺贝尔生理学或医学奖)1941年通过细菌突变-筛选实验证明,一个基因表达一个酶。但是,科学界受到文的四核苷酸假说的影响,普遍认为,有二十多种氨基酸的蛋白质,才是基因的基础。

但是,越来越多的实验认为,DNA是遗传信息的关键。薛定谔 Schrödinger也从量子学说的角度,认为遗传物质必定是复杂的大分子结构,这样才能形成稳定、精确的遗传复制系统。这些实验和猜测,都提示四核苷酸假说存在缺陷。

1944年,美国微生物学家奥斯瓦尔德•埃弗里(Avery)和同事在格林菲斯的肺炎双球菌转化实验的基础上,把S型菌成分分为多糖、脂质、蛋白、DNA等,一单独实验,发现DNAR型菌转为S型的关键说明有活性的遗传物质是DNA埃弗里这一仔细而精确的实验被认为是二十世纪最重要的生物学实验。

欧文查伽夫(Erwin Chargaff从定量的角度来研究DNA四种碱基的比例组成。在1947-1952年,查伽夫采用纸层析法分离碱基,再用紫外吸收光谱作定量分析,发现在摩尔量上,A=TG=C。实测数据为:A=30.9% T=29.4%G=19.9% C=19.8%。这一结果与四核苷酸假说显然矛盾,于是很多人认为这一测定不精确。

1947年,查伽夫前往英国的途中,与加州理工大学的科学家鲍林Linus Pauling同船,他提到了自己的初步研究成果,但鲍林对此没有在意。

 

鲍林的晶体结构研究

鲍林天生聪颖,但家境贫困,没有取得高中毕业证书,以劳工的名义进入俄勒冈州农业学院(现为俄勒冈州州立大学),一年后,他以精湛的化学试验技巧被聘为学校教师。后在加州理工学院以优异成绩获得博士学位留校任教近40年。

1926年,鲍林到欧洲游学,其中在玻尔Niels Bohr1885-1962实验室工作了半年。1930年,鲍林再一次去欧洲,到英国布拉格实验室学习X射线技术到德国路德维希港(Ludwig shafen)的赫尔曼马克(Herman Mark1895-1992)实验室学习气相电子衍射X射线晶体学相似,使用电子而不是X射线,样品不是晶体,而是气体

鲍林使用X射线衍射等技术得到物质晶体结构数据,然后利用量子理论解释不同原子形成的化学键。1928年,他写了一篇论文,详细阐述了确定复杂晶体结构的六个原则。1933年,他解释了血红蛋白的磁性,红细胞中的载氧色素,同年他成为国家科学院最年轻的院士。1935年,他提出氢键作为解释冰的构型熵的一种解释。1939年,他在里程碑式的《化学键的性质和分子和晶体结构》中总结了他对化学键的发现,即价键理论(valence-bond theory)这使他在科学界获得了很高

二战中断了他的研究,他一度发明了氧气仪(立即应用于飞机上,战后才公开),以及医学上的“人工抗体”(后发现是实验室人员造假,不了了之)。

 

英美团队的蛋白质结构研究竞赛

1947年春,鲍林在访问牛津大学期间,参观了在布拉格支持下,佩鲁茨肯德鲁领衔的实验室,当时的主要工作是进行大分子物质的结构研究。

鲍林发现佩鲁茨等人用纯实验方法来解决蛋白质结构,采用分析蛋白构成,或直接X线晶体衍射来分析蛋白结构。佩鲁茨在研究血红蛋白,肯德鲁在研究肌红蛋白,弗雷德里克·桑格(Frederick Sanger两次获得诺贝尔化学奖,此时刚刚拿到基金,以前是自费做科学研究)在研究胰岛素的氨基酸组成。

虽然他们提出有些蛋白是螺旋形的,有些蛋白是扭结的锁链结构问题在于,英国团队对蛋白肽键的空间性要求不够严格,允许所有肽链以各种方式弯曲和扭曲。另外,他们又认为蛋白质螺旋的每一圈,或者肽链上的每一个扭结,都必须包含整数个氨基酸。

鲍林一开始就对英国团队的研究不认可,他倾向于从普适的规则研究蛋白结构。鲍林的价键理论,一个重要特点是分子结构可以用一组共振结构来描述。在有机分子中,鲍林经常观察到原子间键长度介于单键和双键之间的结构,因此共振理论在理解和描述中起到了很好的作用。鲍林根据自己的共振理论,推断肽链中的C-N键具有部分双键性质,是一个平面构型,而不是各种旋转形式的单键。这让鲍林有了巨大优势。

不过,鲍林返回美国后,也让自己的团队学习英国的方法来分析蛋白(如溶菌酶),获得更多数据。1948年,鲍林在一张纸上画出蛋白质的多肽链,然后把纸卷起来,这样他就可以在某些氨基酸基团之间形成氢键,产生的α螺旋每转螺旋含有非整数个氨基酸残基。不过,这一模型似乎与X射线晶体学的数据相矛盾,所以他没有公开。

 

 

鲍林的蛋白螺旋结果获胜

一年后,英国布拉格、佩鲁茨、肯德鲁发表了一篇关于蛋白质结构的长论文。因为他们没有认识到肽链中的C-N键具有部分双键性质这一点,所以提出了大约20个蛋白质模型,但没有一个能令人满意地描述α-角蛋白(alpha keratin的结构。事实上,在他们隔壁楼上工作的有机学家亚历山大•罗伯特斯•托德(Alexander Robertus Todd1907-1997,因核苷酸和核苷酸辅酶的研究于1957年获得诺贝尔化学奖)曾经告诉过布拉格,部分肽键可能具有某种双键性质。然而,布拉格未能敏锐地得到关于C-N键构型的信息,即它是平面的。

1950年,当积累了足够多的数据后,鲍林与同事提出多肽链可以卷曲成由氨基酸形成的螺旋结构,并提出蛋白质的两种构型,即α螺旋和γ螺旋。1951年,鲍林把蛋白质的结构系列论文陆续发表。详细介绍了这两种构型的原子坐标和构成(α3.7个残基的螺旋,γ5.1个残基的螺旋)。

鲍林的论文让英国团队感到沮丧。为了提振信心,佩鲁茨在19517月剑桥卡文迪什实验室举行的英国蛋白质研究专家会议上,展示了自己提出的血红蛋白结构。但是,接下来就遇到了尴尬。因为下一位演讲者是他的研究生弗朗西斯·克里克Francis Harry Compton Crick他在1949进入佩鲁茨实验室。

克里克毫不客气地对听众讲,他导师的模型不可能是正确的。克里克认为,对于只含有几十个原子的简单分子,借助于数学家叶(Joseph Fourier)的一个公式,将复杂的波形分解为组成波,结合衍射图案和波强度信息,研究人员可以通过试错和直觉,找到这些化合物的正确结构。但是,含有数千个原子的大分子,如佩鲁茨研究的血红蛋白,这种尺寸的晶体中发生的反射和相互作用非常复杂。

尽管佩鲁茨采用了一种基于傅里叶公式的优化方法,来构建血红蛋白结构模型。但是,克里克认为,格拉斯哥大学的J. 蒙蒂思罗伯逊(J Monteath Robertson)发明的一种同晶置换法,才是更优的办法。罗伯逊的方法在不改变分子形状的情况下,将一个比其他原子重得多的原子引入晶体。重原子含有更多的电子,因此散射的X射线也不同。有重原子和没有重原子的两种衍射图案基本上相同,但在强度上有一些显著的差异,这使得研究人员能够精确地确定重原子的位置。

事实上,罗伯逊的同晶置换法也无法提供血红蛋白结构的解决方案。而克里克因为这事,与佩鲁闹僵,并在新来的同事沃森(Watson的鼓动下,开始研究DNA的结构。

 

 

关键人物出场:富兰克林与沃森

伦敦国王学院生物物理学实验室主任兰德尔(Randall同样也是布拉格的学生,在后来的工作中也接受过卢瑟福、布拉格的帮助1941年研究生殖细胞,后来在1946年开始有了研究DNARNA的计划。英国结构生物学家罗莎琳德•埃尔茜•富兰克林(Rosalind Elsie Franklin1950年被兰德尔聘用,分析生物大分子结构。

实验室副主任是参加过曼哈顿工程美国原子弹研发工程)威尔金斯(Wilkins,新西兰科学家)。威尔金斯1950年,与博士生雷蒙德•戈斯林(Raymond Gosling得到了一个DNA晶体衍射照片,为DNA结构分析提供了可能。19515月,威尔金斯在那不勒斯的一次会议上展示了自己的照片。

沃森参加了这次会议,并被这张照片深深吸引。他的本科专业是动物虽然读博期间,他跟随萨尔瓦多爱德华卢里亚(Salvador Edward Luria做过噬菌体研究卢里亚与德尔布吕克Max Delbruck)创建了著名的噬菌体小组(phage group但沃森但对大分子结构所知不多,特别是他在用本生灯加热苯时发生一次事故后,就放弃了化学实验。卢里亚觉得化学是自己团队欠缺的,有必要让沃森补上这一课,就让他在1950年申请了一个海外学习的奖学金,到哥本哈根大学跟随尔卡(Kalckar,曾在加州理工与德尔布吕克同事,后来又到冷泉港实验室向他学习噬菌体技术)研究生物化学。

不过,沃森在丹麦的工作完全没有进展。1951年初,考尔卡决定去那不勒斯海洋生物研究站两个月左右。沃森也申请前往,希望能研究海洋生物胚胎,还以此从美国的奖学金机构(Fellowship Office)那里得到了200美元的旅费资助。在意大利,他遇到了威尔金斯。

威尔金斯的DNA照片激发了沃森的热情因为鲍林已经于当年发表了蛋白质的螺旋结构。沃森希望自己能揭开DNA秘密于是申请到威尔金斯实验室,但因不会X线衍射技术被拒绝。

沃森请导师卢里亚帮忙。作为噬菌体小组的核心成员,卢里亚在科学界颇负盛名。他找到了英国卡文迪实验室的肯德鲁大力推荐自己的学生,很快1951年秋天,把沃森安排了进去。沃森10月份开始工作,课题是研究烟草花叶病毒(TMV)结构。他与克里克一个办公室。卡文迪实验室的布拉格团队,自1948年就研究碱基的结构,这为DNA结构研究提供了条件

沃森说服研究α-角蛋白结构的克里克,与他一起研究DNA结构。沃森和克里克,都读过薛定谔的《生命是什么?》,这也是两人顺利合作的基础之一,虽然这一点,两人是在双螺旋模型发表后才知道的。

 

 

初尝失败:三螺旋模型的提出

195110,瑞士化学家鲁道夫西格纳(Rudolf Signer)分离出一些高质量的小牛胸腺DNA,他在某科学会议上把这些DNA放在一个果冻罐里交给了威尔金斯。后者把样品又交给富兰克林。当年11月,富兰克林获得了清晰DNA衍射照片。而且她认为DNA有两种模型,以含水量不同,分为:干的A湿的B型。威尔金斯的照片不清晰,是因为那是个混合物。

沃森和克里克他们使用量子化学理论,计算碱基、磷酸、核糖之间的分子结合力,向着螺旋模型的方向发展。1952年,他们提出了一个三螺旋的模型。螺旋断面结构为:一个镁离子在中间,同时连接两个磷酸,外面接四个碱基。这样的结构连接成长链,而三股长链又组成三股螺旋。


 

DNA model.png

图:沃森和克里克的第一个三股螺旋断面图(单链)

两人邀请威尔金斯和富兰克林提建议。富兰克林毫不客气,直接指出了他们的错误:碱基不应该在,因为它们是疏水性的。另外,镁离子不可能在中间连接磷酸。沃森和克里克的模型,其实是建立在莱文的四核苷酸基础上的。沃森和克里克很尴尬,特别是克里克,他与威尔金斯其实是好朋友,自己冒然介入好友的研究领域,显得“不够绅士”。

因为她的批评,布拉格停掉了克里克与沃森构建DNA结构模型的工作。沃森继续研究TMV病毒结构。克里克研究角蛋白结构。不过,在私下里,两人并没有放弃。

  

富兰克林:离双螺旋最接近的人

195252日,经过100多个小时的曝光,富兰克林戈斯林得到了51号照片(第51BDNA),可以根据这一DNA衍射照片获得大量数据。使得富兰克林成为最有可能发现DNA结构的人。


19527月,查伽夫访问剑桥大学期间,与沃森和克里克分享了自己的发现。于是两人明确地在模型中,把相应碱基ATCG配对起来。这使得他们的模型彻底摆脱了四核苷酸的影响。

1952年初,计划探索DNA结构的鲍林写信给威尔金斯,要求对方提供DNA的晶体照片,但被拒绝。11月份,加州大学的一位教授,为鲍林提供了一张不太清晰的DNA衍射照片。鲍林据此推测DNA是螺旋结构,直径是15埃。他通过测算,认为DNA是一个三螺旋结构,并且碱基在外,磷酸在内。鲍林于1231日向PNAS杂志提交了他的DNA三螺旋结构论文(19532发表)。

195212月中旬,在克里克的要求下,的导师佩鲁茨,以自己MRC高级专家的职务便利,得到了国王学院富兰克林的年度报告,并交给了克里克(多年后,佩鲁茨称自己这一行为随意和缺乏行政经验)。这篇报告很详细,包括富兰克林最新测得的磷酸间距等数据,她推测DNA分子直径20埃,螺旋周长34埃,重复单位间距3.4埃。她在报告中指出,DNA是反向对称结构。沃森看不懂,克里克告诉他,DNA是两股平行,但方向相反的核苷酸链。沃森一下子明白了。

1953年初,因为富兰克林不满意国王学院的研究环境,特别是因为与威尔金斯关系紧张,另找了一份工作(尚未离职)。沃森则利用两人之间的矛盾,积极与威尔金斯联络。因为富兰克林即将离职,戈斯林向威尔金斯汇报工作,并把51号照片给了后者。威尔金斯没有经过富兰克林允许,就把51号照片交给了一起晚餐的沃森观看。51号照片,提供了DNA是螺旋结构的确证。

沃森和克里克两人随后直接找到了布拉格,要求重DNA模型工作。布拉格此时得知鲍林也在进行这一工作,他对鲍林率先提出蛋白质的螺旋结构一事,一直耿耿于怀于是同意他们与鲍林竞争

  

多诺霍的神助攻:DNA双螺旋模型确立

鲍林的儿子彼得Peter Pauling)此时也在伦敦,与克里克等人相熟。彼得于19531月,把鲍林关于DNA结构的文章预印稿给沃森看。沃森看到文章后松了一口气,鲍林在一些地方犯了他们的老错误。2月份,彼得在给父母的信中,说父亲的DNA结构模型,与沃森和克里克前一段时间构建的模型(错误的)相似。

沃森与克里克确信他们走在鲍林的前面。现在,还有一件事他们无法确定,那就是碱基之间是如何连接的。沃森和克里克请教了同一办公室的访问学者杰里•多诺霍(Jerry Donohue)。

多诺霍是鲍林的博士生,刚刚毕业不久,获得了一份奖学金,来到英国进行半年时间的学习。多诺霍一开始,只了解到克里克在做角蛋白的结构。他一直在与鲍林通信,并且在195212月底告诉鲍林,克里克因为鲍林抢先发表了角蛋白的结构而很不开心。因为克里克也接近得出了这一蛋白的结构。

多诺霍虽然一直在与鲍林写信交流,但内容全部是蛋白质结构问题。直到1953120日,鲍林才在信中通知多诺霍,自己将有一篇关于DNA结构的论文,2月份发表。210日的一封信中,鲍林再次写多诺霍,详细讨论了核酸结构与磷酸基和氢键的关系。此时他已经意识到,自己关于DNA的结构是有瑕疵的。

由此,多诺霍开始了解这一领域。当沃森和克里克向多诺霍请教时,时机恰恰好。多诺霍告诉他们,目前的碱基结构是错误的,应该是酮式异构体,而并非是烯醇式的。并且在这种情况下,ATCG碱基相互吸引。他们一下子明白了碱基依靠彼此氢键进行连接的方式。

而同一时间,富兰克林受困于碱基的比例和连接方式,虽然她223日的笔记上,写出了自己的猜想,即AT等量,CG等量,但还需要找到证据支持(验证)

228日,周六,沃森和克里克在剑桥大学的老鹰酒吧宣布发现生命的奥秘。随后,两人请威尔金斯和富兰克林再次当面验证他们的模型。

布拉格对此感到振奋,他与国王学院的兰德尔协商后,两人直接与《自然》杂志编辑部沟通,双螺旋模型论文,以及威尔金斯和富兰克林的文章,没有经过同行评审,就发表在19534月同一期的《自然》杂志上。

双螺旋论文排第一位,沃森与克里克在文中感谢了多诺霍。而富兰克林晶体数据分析论文则排在最后。富兰克林在文中写道:自己测定的数据支持沃森与克里克的双螺旋模型。她并不知道,模型其实是根据她的数据得到的。

在双螺旋论文发表前,沃森把文章寄给了德布吕克,并叮嘱不要给鲍林看。但德布吕克认为这种隐瞒是不道德的,于是把论文寄给了鲍林。鲍林看过后,意识到自己犯了错,沃森和克里克的模型才是正确的。

直到320日,DNA双螺旋模型已经公开(霍奇金等科学家都已经看过),多诺霍才在给鲍林的信中介绍,沃森和克里克也构建了一个DNA结构模型。信的主要内容是多诺霍一篇关于蛋白质结构的论文。鲍林和多诺霍的精力,都在蛋白质结构上。在这场竞赛中,鲍林团队失败了。事实上,克里克于1954年获得博士学位,其论文也是关于蛋白质结构的。

1955年,多诺霍发现,DNA结构中,CG碱基之间的氢键应当有3个,而不是2个。与鲍林进行了交流。1956年,鲍林团队专门发文章指出了这一点。

富兰克林离开国王学院后,与刚刚博士毕业的亚伦•克卢格Aaron Klug)合作,比沃森更早得到了TMV病毒的结构。后来,克卢格团队把染色质分成小到足以用x射线衍射和电子显微镜加以研究的片段,据此构了染色体的整个结构模型。因晶体电子显微学(Crystallographic Electron Microscopy)及核酸蛋白质复合体的晶体结构研究,他于1982年独自获得诺贝尔化学奖。

 

 

师生四人同获诺奖

而作为克里克的导师佩鲁茨胸怀宽大,支持克里克的研究。不过,直到克里克和沃森1953提出了DNA双螺旋结构,佩鲁茨仍未找到血红蛋白的正确结构。

1953夏天,佩鲁茨发现哈佛大学的博士后奥斯汀里格斯(Austin Riggs1926-2015)的一篇文章。后者在研究镰状细胞贫血时,将汞原子引入血红蛋白,但没有影响血红蛋白的携氧能力。换句话说,汞的加入并没有改变血红蛋白的结构。

佩鲁茨一下子找到了方向,他将血红蛋白晶体浸泡在汞溶液中,成功地将两个汞分子连接到一个血红蛋白分子上,并拍摄了血红蛋白及其汞衍生物晶体的X射线照片。佩鲁茨发现两种血红蛋白晶体的衍射模式有细微的差别,这使得佩鲁茨能够确定汞原子的位置,并由此确定血红蛋白中一组反射的相位。但工作极其繁琐,接下来,佩鲁茨不得不继续花了六年时间,直到1959年,才最终得到血红蛋白的第一个低分辨率结构。

肯德鲁与佩鲁茨密切合作多年,他也利用这一改进的同构替代法,确定了肌红蛋白(myoglobin)的结构,约2600个原子的肌红蛋白比血红蛋白小4倍,不过,肯德鲁仍要检查110个晶体,并测量约250000X射线反射的强度,才能确定其结构。

因为这些成果,佩鲁茨、肯德鲁,在1962年获得诺贝尔化学奖。两位学生沃森和克里克则获得了当年的生理学或医学奖。师生四人同台受领最高科学荣誉,成为科学史上的一段话。

虽然沃森感激地昵称富兰克林萝茜(RosyRosalind的昵称,但萝茜富兰克林已经因卵巢癌(很有可能因为接受辐射过多)1958年去世,年仅38岁,终身未沃森等人在颁奖致辞中也没有特别提到她的贡献。

 

本文摘自:《新药史话:从万能药到生命科学前沿》清华大学出版社,彭雷)(有改动)




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