分子自组装原理及应用.docx

分子自组装原理及应用分子自组装的原理及特点：分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中某一片段与另一片段之间的分子识别，相 互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。分子自发地通过无数非共价键的弱 相互作用力的协同作用是发生自组装的关键。这里的“弱相互作用力”指的是氢键、范德华 力、静电力、疏水作用力、n n堆积作用、阳离子n吸附作用等。非共价键的弱相互作用 力维持自组装体系的结构稳定性和完整性。并不是所有分子都能够发生自组装过程，它的产 生需要两个条件：自组装的动力以及导向作用。自组装的动力指分子间的弱相互作用力的协 同作用，它为分子自组装提供能量。自组装的导向作用指的是分子在空间的互补性，也就是说 要使分子自组装发生就必须在空间的尺寸和方向上达到分子重排要求。自组装膜的制备及应用是目前自组装领域研究的主要方向。自组装膜按其成膜机理分为 自组装单层膜（Self-assembled monolayers , SAMs 和逐层自组装膜（Layer-by - layer self-assembled membrane）0如图1所示，自组装膜的成膜机理是通过固液界面间的化学吸 附,在基体上形成化学键连接的、取向排列的、紧密的二维有序单分子层，是纳米级的超薄膜。 活性分子的头基与基体之间的化学反应使活性分子占据基体表面上每个可以键接的位置并 通过分子间力使吸附分子紧密排列。如果活性分子的尾基也具有某种反应活性，则又可继续 与别的物质反应，形成多层膜，即化学吸附多层膜。自组装成膜较另外一种成膜技术Lang muir Blodgett （LB）成膜具有操作简单，膜的热力学性质好，膜稳定的特点， 因而它更是一种具有广阔应用前景的成膜技术。另外，根据膜层与层之间的作用方式不同， 自组装多层膜又可分为两大类，除了前面所述基于化学吸附的自组装膜外，还包括交替沉积 的自组装膜。通过化学吸附自组装膜技术制得的单层膜有序度高，化学稳定性也较好。而交 替沉积自组装膜主要指的是带相反电荷基团的聚电解质之间层与层组装而构筑起来的膜，这 种膜能把膜控制在分子级水平,是一种构筑复合有机超薄膜的有效方法。分子自组装体系形成的影响因素：分子自组装是在热力学平衡条件下进行的分子重排过程，它的影响因素也多种多样，主 要有以下三个影响因素：1分子识别对分子自组装的影响分子识别可定义为某给定受体对作用物或者给体有选择地结合并产生某种特定功能的 过程，包括分子间有几何尺寸、形状上的相互识别以及分子对氢键、n n相互作用等非共价 相互作用力的识别。利用分子彼此间的识别、结合特征,从中挖掘高效、高选择性的功能。 若将具有识别部位的多个分子组合，彼此便寻找最安定、最接近的位置,并形成超过单个分子 功能的高次结构的聚集体。在有机分子自组装过程中控制组装顺序的指令信息就包含于自组 装分子之中，信息依靠分子识别进行。目前分子识别进一步应用于临床药物分析、模拟酶催 化以及化学仿生传感器。为定性分离和设计提供更多的信息，也为加速分子发现提供潜能。 2组分对分子自组装的影响组分的结构和数目对自组装超分子聚集体的结构有很大的影响。吴凡等利用扫描轨道电 镜观测了 4十六烷氧基苯甲酸（T1）和3,4,5三取代十六烷氧基苯甲酸（T3）分子在石磨上 形成的自组装体系的结构，结果发现这两种分子的自组装排列结构有着很大的不同：T1分 子形成的是有序的明暗相间的条陇状结构，而T3分子形成的是密堆积结构。这说明组分结 构的微小变化或组分的数目变化可能导致其参与形成的自组装体结构上的重大变化。3溶剂对分子自组装的影响绝大多数对自组装体系的研究都是在溶液中进行的,因而溶剂对自组装体系的形成起着 关键作用。溶剂的性质及结构上的不同都可能导致自组装体系结构发生重大改变。任何破坏 非共价键的溶剂,都可能会影响到自组装过程的进行，包括溶剂的类型、密度、PH值以及浓 度等。J osephM. Desimone用不同密度液态或超临界态二氧化碳作为溶剂时 考察对两性共聚分子的自组装的形成的影响，结果发现在CO2溶剂密度低于0 82 g cm3 时，CO2相和高分子相是独立存在的：当CO2溶剂密度增加时，高分子溶解，成为低聚物 （半径24 nm）;当密度到达一定值时，低聚物团聚成球形颗粒。由此可知溶剂的密度对自 组装确实有一定的影响。分子自组装在膜材料方面的应用：分子自组装膜，特别是自组装单分子膜（SAMs）,是分子自组装研究最多的领域，并且 得到了广泛的应用。例如，SAMs在电子仪器制造、塑料成型、防蚀层研究等诸多领域都 有实际应用。SunghoKim等研究了 TiO2纳米粒子与聚苯酰胺自组装薄膜聚合物 膜，这种膜可消除生物污垢。自组装单分子膜可通过含有自由运动的端基例如硫醇,氨基等 的有机分子（脂肪族或者芳香族）对电极表面改性，赋予了电极表面新的功能°Nirmal yaK. Chaki等阐述了 SAMs在生物传感器上的应用,说明了单层分子膜的设计对 基于SAMs的生物传感器有关键的作用°F. Sinapi等以多晶锌为基体利用自组装 技术在乙醇溶液体系中合成了 （MeO）3Si （CH2）3SH自组装膜，并证实了这种膜是一 种具有保护作用的吸收膜。分子自组装在生物科学方面的应用：目前分子自组装在生物科学中主要应用在酶、蛋白质、DNA、缩氨酸、磷脂的生物分 子自组装膜。这些生物分子自组装膜被广泛应用于生物传感器、分子器件、高效催化材料、 医用生物材料领域。例如，缩氨酸表面活性剂的自组装行为对于研究不含油脂的生物表面活 性剂的人工合成和分子自组装的动力学具有积极的意义.Santos。等人就利用类表面 活性剂的缩氨酸分子自组装合成了纳米管纳米囊泡，研究表明其平均直径在3050 nm之 间。DNA树枝状大分子的自组装是在生命体中组蛋白DNA自组装体系人工模拟的最佳 途径。由于DNA树枝状大分子自组装体系中的DNA对核酸酶降解的阻碍作用，使得这种 自组装体系的结构在基因治疗和生物医学领域有非常重要的应用。酶、蛋白质、DNA等生 物分子自组装体系，不仅保持了生物分子独特的生物功能,同时又为信息、电子科学的发展提 供了微型化、智能化的材料。随着生物技术的进一步发展和材料性能的进一步提高生物大 分子自组装体系将得到更深入的研究和更广泛的运用。碱基冬Q科技名词定义中文名称： 碱基英文名称： base定义： 一类带碱性的有机化合物，是嘌吟和嘧啶的衍生物。DNA中的碱基主要有腺嘌吟、 鸟嘌吟、胞嘧啶和胸腺嘧啶；RNA中的碱基主要有腺嘌吟、鸟嘌吟、胞嘧啶和尿嘧 啶。此外，DNA和RNA中都发现有许多稀有碱基，在转移核糖核酸中含量最高。应用学科： 生物化学与分子生物学（一级学科）；核酸与基因（二级学科）以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布求助编辑百科名片 碱基指嘌吟和嘧啶的衍生物，是核酸、核苷、核苷酸的成分。核酸中也有一些含量很少的稀 有碱基。稀有碱基的结构多种多样，多半是主要碱基的甲基衍生物。编辑本段基本信息NM |11常见碱基碱基（base ）碱基指嘌吟和嘧啶的衍生物，是核酸、 核苷、核苷酸的成分。DNA和RNA的主要 碱基略有不同，其重要区别是：胸腺嘧啶是 DNA的主要嘧啶碱，在RNA中极少见；相 反，尿嘧啶是RNA的主要嘧啶碱，在DNA中则是稀有的。除主要碱基外，核酸中也有一些含量很少的稀有碱基。稀有碱基的结构多种多样， 多半是主要碱基的甲基衍生物。tRNA往往含有较多的稀有碱基，有的tRNA含有的稀 有碱基达到10%。嘌吟和嘧啶碱基是近乎平面的分子，相对难溶于水：在约260纳米的紫外光区有较强的吸收。1编辑本段结构在脱氧核糖核酸和核糖核酸中，起配对作用的部分是含氮碱基。5种碱基都是杂环化合物，氮原子位于环上或取代氨基上，其中一部分（取代氨基，以及嘌吟环的 1 位氮、嘧啶环的3位氮）直接参与碱基配对。碱基置换类型及缺失和插入突变示意图2碱基共有5种：胞嘧啶（缩写作C）、鸟嘌吟（G）、腺嘌吟（A）、胸腺嘧啶（T，DNA 专有）和尿嘧啶（U，RNA专有）。顾名思义，5种碱基中，腺嘌吟和鸟嘌吟属于嘌吟 族（缩写作R），它们具有双环结构。胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶属于嘧啶族（Y），它们的环系是一个六元杂环。RNA中，尿嘧啶取代了胸腺嘧啶的位置。值得注意的是， 胸腺嘧啶比尿嘧啶多一个5位甲基，这个甲基增大了遗传的准确性。碱基通过共价键与核糖或脱氧核糖的 1位碳原子相连而形成的化合物叫核苷。核 苷再与磷酸结合就形成核苷酸，磷酸基接在五碳糖的5位碳原子上。编辑本段种类1 3近几年，有人将表观遗传学修饰一一5-胞嘧啶甲基称为第5种碱基，5-羟 甲基胞嘧啶（5-hmC ）称为第6中碱基。在最新的研究成果中，研究人员发现了第 7 种，和第8种DNA碱基：5-胞嘧啶甲酰（5-formylcytosine ） ， 5-胞嘧啶羧基（5-carboxylcytosine ）。这两种碱基实际上都是由胞嘧啶经由张毅教授研究组一直 研究的关键蛋白：Tet蛋白修饰后形成。2编辑本段作用组成DNADNA（脱氧核糖核酸）的结构出奇的简单。DNA分子由两条很长的糖链结构构成骨 架，通过碱基对结合在一起，就象梯子一样。整个分子环绕自身中轴形成一个双螺旋。 两条链的空间是一定的，为2nm。碱基在形成稳定螺旋结构的碱基对中共有 4种不同碱基。根据它们英文名称的首字母分别 称之为 A（ADENINE 腺嘌吟）、T（THYMINE 胸腺嘧啶）、C（CYTOSINE 胞嘧啶）、G（GUANINE 鸟嘌吟），另有U（URACIL尿嘧啶）。DNA与RNA共有的碱基是腺嘌吟、胞嘧啶和鸟嘌 吟。胸腺嘧啶存在于DNA中，而尿嘧啶则存在于RNA中。每种碱基分别与另一种碱基 的化学性质完全互补，嘌吟是双环，嘧啶是单环，两个嘧啶之间空间太大，而嘌吟之 间空间不够。这样A总与T配对，G总与C配对。这四种化学“字母”沿 DNA骨架排 列。“字母”（碱基）的一种独特顺序就构成一个“词”（ 辿）。每个基因有几百甚至 几万个碱基对。嘌吟和嘧啶都有酮-烯醇式互变异构现象，一般生理pH条件下呈酮式。AGCT（U） 四种碱基在DNA中的排列遵循碱基互补配对原则有些核酸中含有修饰碱基（或稀有碱基），这些碱基大多是在上述嘌吟或嘧啶碱 的不同部位甲基化（methylation）或进行其它的化学修饰而形成的衍生物。例如有 些DNA分子中含有5-甲基胞嘧啶（m5C），5-羟甲基胞嘧啶（hm5C）。某些RNA分子 中含有1-甲基腺嘌吟（m1A）、2，2-二甲基鸟嘌吟（m22G）和5, 6-二氢尿嘧啶（DHU） 等。1构成物质碱基还构成一些生命必须物质或是重要的 辅酶，如ATP,GTP,CoA等，对生命活动 的作用非常大。1编辑本段碱基互补原则（theprincipleofcomplementarybasepairing ）-o |-O餐一耳夺营植点田JCJUt 衅眺，碱基在DNA分子结构中，由于碱基之间的氢键具有固定的数目和DNA两条链之间的距离保持不变，使得碱基配对必须遵循一定的规律，这就是 Adenine（A，腺嘌吟）一定与Thymine (T,胸腺嘧啶)配对，Guanine (G,鸟嘌吟)一定与Cytosine (C，胞嘧啶) 配对，反之亦然。碱基间的这种一一对应的关系叫做碱基互补配对原则。腺嘌吟与胸腺嘧啶之间有两个氢键，鸟嘌吟与胞嘧啶之间有三个氢键，即 A=T,G三C。根据碱基互补配对的原则，一条链上的A 一定等于互补链上的T； 一条链上的G - -定等于 互补链上的C，反之如此。在DNA转录成RNA时，有两种方法根据碱基互补配对原则判断：1)将模板链根据原则得出一条链，再将得出的链中的T改为U (尿嘧啶)即可；2)将非模板链的T改为U即可。如：DNA: ATCGAATCG(将此为非模板链)TAGCTTAGC (将此为模板链)转录 出的mRNA: AUCGAAUCG(可看出只是将非模板链的T改为U，所以模板链又叫无义链。 这也是中心法则和碱基互补配对原则的体现。) 编辑本段碱基计算的规律规律一：在一个双链DNA分子中，A=T、G=C。即：A+G=T+C或A+C=T+G。也就是 说，嘌吟碱基总数等于嘧啶碱基总数，各占全部碱基总数的50%。规律二：在双链DNA分子中，两个互补配对的碱基之和的比值与该DNA分子中每一单链中这一比值相等。 (A1+A2+T1+T2)/(G1+G2+C1+C2)=(A1+T1)/(G1+C1)=(A2+T2)/(G2+C2)。规律三：DNA分子一条链中，两个不互补配对的碱基之和的比值等于另一互补链 中这一比值的倒数，即DNA分子一条链中的比值等于其互补链中这一比值的倒数。 (A1+G1)/(T1+C1) = (T2+C2)/(A2+G2)。规律四：在双链DNA分子中，互补的两个碱基和占全部碱基的比碱基配对值等于其中任何一条单链占该碱基比例的比值，且等于其转录形成的mRNA中该种比例的比值。即双链(A+T)%或(G+C)%=任意单链(A+T)%或(G+C)%=mRNA中(A+U)%或 (G+C)%。规律五：不同生物的DNA分子中，其互补配对的碱基之和的比值 (A+T)/(G+C)不 同，代表了每种生物DNA分子的特异性。1编辑本段碱基互补配对规律的计算碱基互补配对规律的计算的生物学知识基础是基因控制蛋白质的合成。由于基因控制蛋白质的合成过程是：(1) 微观领域分子水平的复杂生理过程，学生没有感性知识为基础，学 习感到非常抽象。(2) 涉及到多种碱基互补配对关系，DNA分子内部有A与T配对，C与G配对； DNA分子的模板链与生成的RNA之间有A与U配对，T与A配对，C与G配对。学习过 程中，学生不易认识清楚。（3）涉及许多数量关系（规律），在DNA双链中，A等于T, G等于C, A+G/T+C 等于A+G/T+C等1；一条单链的A+G/T+C的值与另一条互补单链的A+G/T+C的值互 为倒数。一条单链的A+T/C+G的值，与另一条互补链的A+T/C+G的值相等；在双 链DNA及其转录的RNA之间有下列关系：一条链上的（A+T）等于另一条链上的（A+T） 等于RNA分子中（A+U）等于12DNA双链中的（A+T）等，学生往往记不住。再加之转 录、翻译是在不同场所进行的，学生分析问题时难以把二者联系起来。 以上分析说明， 关于碱基互补配对规律的计算既是教的一个难点，也是学的一个难点。教学中，如果 能做到：把复杂抽象的生理过程用简单直观的图示表现出来；把在不同场所进行 的生理过程放在一起思考；把记忆复杂繁琐的公式（规律）转变成观察图示找出数 量关系；在计算时把表示数的符号注上脚标，以免混淆，就能轻轻松松闯过这一难 关。编辑本段医学应用DNA碱基序列决定其光敏性假设获证实。DNA分子在所有生命形态中扮演着遗传 信息载体的角色，对紫外光的修改具有高度的抵抗性，但要理解其光稳定性的机制还 存在一些令人费解的问题。一个重要方面是，构成 DNA分子的4种碱基之间的相互作 用。德国基尔大学的研究人员成功地证明，DNA链因其碱基序列而有不同的光敏感性。 相关研究结果发刊登在最近出版的科学杂志上。-TTt Tu Th Th IIII*RJi# 腐息*Ex-AV岬- 4骚女尚司胃宜V碱基科学家们早就了解到，对包含在DNA中的遗传信息进行编码的个别碱基具有高度光稳 定性，当它们吸收了来自紫外光辐射的能量时，这些能量会立刻再次释放。但令人惊 讶的是，科学家们发现在包含有众多碱基的DNA中，这些机制变得失效或只是部分有效。因此，科学家们推断，紫外光激发的 DNA分子的失活，必定由某种完全不同的、 DNA特有的机制所取代。通过以各种方法测量具有不同碱基序列的DNA分子，德国的基尔大学理化研究所弗里德里希泰姆普斯教授所领导的研究小组终于证实并阐明 了该种假设。泰姆普斯教授表示，DNA通过其复杂的双螺旋结构达成其高度的光稳定性。在单 股DNA链中，碱基之间的相互作用是一个堆叠在另一个之上，而且在双螺旋中，两个 互补单股的碱基对之间的氢键发挥了关键作用。通过观察到的不同交互作用，DNA在某种程度上自己达成了 “太阳防护”。1论文作者尼娜施瓦尔博在合成 DNA分子 中的过程中研究了各种不同的碱基组合。利用飞秒脉冲激光光谱学，她测量了每种组 合所释放出来的特征能量。她发现，对某些碱基组合而言，这些荧光发射的“寿命” 只有约100飞秒，但对其他组合而言，时间可长达数千倍。对于该研究结果，尼娜评论道：“我们研究了光物理特性，发现不同的碱基组合 具有广泛的荧光发射寿命差异，这将导致开发出一种利用激光直接识别某些遗传序列 的新诊断方法，而无须像现有方法那样以染料标记 DNA。”泰姆普斯解释说，在纳米电子学领域中，合成 DNA已被证明能当作“纳米线”使 用。基于这些分子不同的反应时间，有朝一日或许能使用激光脉冲来“开关”特定分 子。在某些情况下，甚至有可能用 DNA制造出通过氢键的键合来工作的晶体管。编辑本段发展前景涉及到RNA的试验，经常会要求对RNA分子进行固定化处理，这个过程通常由生物素进行标记，并辅以抗生物素蛋白作为支持物。人们使用目前的技术，可以将UMP、CMP之类的生物素化核苷酸单磷酸盐整合到RNA之中去，或者通过在转录反应中使用核苷酸单磷酸盐5'端衍生物类生物素，从而达到仅仅对RNA的5'端进行标注的目的。 当然，人们也可以对纯化的RNA进行5'端或3'端的化学修饰。目前最简单的方法， 就是在转录过程中对标记过程进行整合；但对于一些试验来说，对RNA进行特定位点的标记，比起对5'端进行标记或者为避免改变RNA的功能而仅仅使用单个标记物来 说，似乎更为重要。1为达到上述目标，IchiroHirao及其在东京大学和RIKEN的合作伙伴对非天然碱 基对进行了修饰，这些生物素化的碱基能被T7RNA聚合酶以特定位点的方式整合到RNA之中去。例如，2-氨基-6-（2-噻吩基）嘌吟（s）可以被整合到一个DNA模板之中去； 接着，在一个标准化的转录反应中，已经被生物素化的2-氧-（1H）毗啶（y）在s补足位 点被整合到了 RNA转录过程中。这一方法很容易被一般性的试验室掌握，也可以通过 引入T7RNA聚合酶的方式作为商业性的转录工具包加以应用。Hirao说：“除了那些包括像s和y或修饰性y底物这类非天然碱基的DNA模板外，这一工具包可在原始协 议不加修改的情况下进行应用。”在一篇新近出版的有关“核酸研究”的论文中，研究小组应用上述方法，在传感 器上对一个反义的Raf-1RNA寡聚核苷酸适配子成功进行了生物素化和固定化的处理； 这一寡聚核苷酸适配子准确地找到了它的目标靶点。Hirao认为，这一由非天然碱基对组成的系统对于RNA技术将非常有用。如果这些非天然碱基对能和原核RNA聚合酶、真核RNA聚合酶一起发挥作用的话，这一系统 的应用范围将大大扩展，甚至可以应用到体内试验。Hirao也计划将这一系统的应用扩展到复制、转录和翻译这些功能过程中。他说：“如果那些包含非天然碱基对的DNA 片段能通过PCR手段进行扩增的话，这一系统作为工具进行使用的前景将更为广阔！”首页|师生资源互动平台|成长博客|教育论坛|丛书订购 DNA分子的结构作者：李亚峰（高中生物甘肃天水生物二班）评论数/浏览数：1 / 382发表日期： 2010-08-01 10:43:43讲授一演示”在教学中是非常重要的。“讲授一演示”DNA分子的结构思路：通过讲述沃森和克里克发现DNA双螺旋结构，并演示构成DNA的各种分子的结构，引 导学生构建分子结构模型，加深学生认识DNA分子结构的特点。一、教学目标1. 知识方面识记构成DNA分子的基本单位、核苷酸种类、碱基种类、元素种类。DNA分子的平面结构和空间结构。碱基互补配对原则。2. 情感态度与价值观方面认同人类对遗传物质的认识是不断深化、不断完善的过程3. 能力方面制作DNA双螺旋结构模型。对科学家探索基因的本质的过程和方法进行分析和讨论，把握方法在这些研究中的应用。二、教学重点和难点1. 教学重点制作DNA分子双螺旋结构模型。2. 教学难点DNA分子结构的主要特点：DNA分子的基本单位、核苷酸种类、碱基种类、元素种类、平面结构、空间结构以及碱基互 补配对原则。三、教学方法讲述法、演示法引入：（背景资料）早在1868年，人们就已经发现了核酸。在德国化学家霍佩赛勒的实 验室里，有一个瑞士籍的研究生名叫米歇尔（1844-1895），他对实验室附近的一家医院扔 出的带脓血的绷带很感兴趣，他细心地把绷带上的脓血收集起来，并用胃蛋白酶进行分解， 结果发现细胞遗体的大部分被分解了，但对细胞核不起作用。他进一步对细胞核内物质进行 分析，发现细胞核中含有一种富含磷和氮的物质。霍佩赛勒用酵母做实验，证明米歇尔对 细胞核内物质的发现是正确的。于是他便给这种从细胞核中分离出来的物质取名为核素， 后来人们发现它呈酸性，因此改叫核酸气从此人们对核酸进行了一系列卓有成效的研究。 当DNA被证明是遗传物质后，DNA的分子结构构建成为研究的重点。（出示化学常用的甲烷 分子结构模型演示原子之间的关系）50年代，模型的建立是一种连生物学家都不了解的技 术，科学家鲍林却指出，它是一种非常有用的工具，可以用来分析复杂的分子构造，如搭积 木的模型，可以让科学家正确地看出原子是如何组成分子的。这些“搭积木”原子可以自由 移动，直到组合出来的分子结构，完全符合实验数据为止。沃森与克里克有许多数据资料，可以帮助他们建立正确的分子模型。讲述：首先，他们知道DNA的成分，DNA是由三个较小的基团所组成：一个糖分子，一个磷 酸盐，以及四种称为氮碱基的含氮分子。这三个基团的构造如图所示：（多媒体展示） 讲述：首先，他们知道DNA的成分，DNA是由三个较小的基团所组成：一个糖分子，一个磷 酸盐，以及四种称为氮碱基的含氮分子。这三个基团的构造如图所示：（多媒体展示）教师：要求学生摆出讲述：第三，已知的DNA分组成，每个糖分子向外延伸一个氮碱基。由于这个链由许多核苷酸互 相连结在一起，所以也称为聚核苷酸学生活动并回答：4种长链的核苷酸所组成。此链由糖分子和磷酸盐基团交替(polynucleotide)。核昔酸聚核酸（核昔酸之间通过3.' 5'磷酸二脂键连接）学生活动：要求学生试着将他们连成多核苷酸链。提出问题：看来，两位科学家对DNA的了解似乎已经很多了，还有什么没有发现的呢?沃森和克里克要解答的是所有细节问题，例如DNA分子是由一个、二个、三个，还是四个螺 旋组成？氮碱基是从螺旋向外伸出，还是埋藏在它里面的某个地方？ DNA螺旋有多紧密？ 螺旋圈与圈之间的空隙有多大？讲述：现在他们已经掌握了进行下一步研究所需要的资料了：第一，结晶体的X光相片，是模型建立最重要的依据，从X光相片中，科学家能计算出原子 之间的距离、原子间键结的角度、原子结合的方式等等。为了搞到DNAX射线衍射资料，克 里克请威尔金斯到剑桥来度周末。在交谈中威尔金斯接受了 DNA结构是螺旋型的观点，还谈 到他的合作者富兰克林（1920-1958,女）以及实验室的科学家们，也在苦苦思索着DNA 结构模型的问题。从1951年11月至1953年4月的18个月中，沃森、克里克同威尔金斯、 富兰克林之间有过几次重要的学术交往。从第51号影像图谱看来，几乎有证据指出DNA是 以某种形式的螺旋构造存在；第二，从稍早威廉艾斯伯利（William Astbury）的X光相片显示，分子中氮碱基之间的 距离是三、四埃（anstrom，一埃等于10-10米，或大约10-8厘米）；第三，艾斯伯利的相片也透露出，DNA分子有重复性的距离出现，这距离大概就是一个完整 的回转所需的垂直距离；最后，威尔金斯的研究显示，DNA分子的直径大小是20埃。提出问题：因此，关于DNA分子的结构问题，只剩下三个问题有待解答了： 第一，一个DNA分子到底含有几条螺旋？ 第二，氮碱基到底是位于分子的内侧或外侧？第三，这些氮碱基彼此以何种关系排列？假如氮碱基是位于分子内侧，那第三个问题就非常 重要了。科学试探：在双股螺旋模型上沃森把氮碱基排在外侧，沃森没把氮碱基排在内侧是有科学依 据的，一方面，氮碱基排列在外侧较有利于它们被细胞的其他部分辨识，这样无论它们所携 带的遗传信息是什么，都很容易被细胞“解读”。另一方面，他认为如果氮碱基排列在内侧， 将会引发另一个新问题，即氮碱基彼此之间将如何排列呢？如果排列在DNA分子的外侧，则 每一个氮碱基皆朝外地连接在骨架（五碳糖/磷酸盐）上，不会和其他氮碱基在位置上有排 列关系，这个过程沃森反对将氮碱基置于内侧。后来克里克建议沃森试试把氮碱基排在内侧 看看。如果氮碱基排列在内侧，则每一条链上的氮碱基将会和另一条链上的氮碱基靠得很近， 此时沃森势必得考虑对氮碱基如何排列才能符合化学原理。沃森最后决定做这样的努力。他 很快地建立起氮碱基在内侧而五碳糖/磷酸盐骨架在外侧的双股模型。正如他所料，氮碱基 的排列方式问题最大。科学试探：起先，他尝试将同类型的氮碱基腺嘌吟和鸟嘌吟配配在一对，而胞嘧啶和胸腺嘧 啶配一对。腺嘌吟和鸟嘌吟是同属双环的嘌吟类，而胞嘧啶和胸腺嘧啶则是同属单环的嘧啶 类。但这样的排列方式似乎不太合适，因为它使DNA分子在某些地方会鼓起来（嘌吟类配对 的地方），而在其他地方则又会缩进去（嘧啶类配对的地方），沃森和克里克知道，DNA分 子每个部分的直径都是一致的。（多媒体展示）这是所有问题中较重要的部分，因为沃森和克里克已有掌握解决这个问题的正确线索。虽然 至少6个月前他们就已经知道契格夫的比值（1：1），及约翰葛瑞菲斯的计算（由于电子 的作用力，腺嘌吟与胸腺嘧啶相吸引，而胞嘧啶则与鸟嘌吟相吸引）了，但他们两人都忽视 了这些资料。沃森终于了解，他所做的同类型配对模型是白费力气的，于是他又开始试着去 做异类型配对模型，也就是胸腺嘧啶位于某一条链上，而腺嘌吟则位于它的相对链上；同样， 鸟嘌吟和胞嘧啶也是彼此相对应。他几乎马上就发现此种方式组合的模型较可行。他解释道： 刹那间，我开始了解到腺嘌吟/胸腺嘧啶配对，是借由两个氢键而配在一块的，同样的，鸟 嘌吟/胞嘧啶配对，也是借由至少两个氢键而配在一块的，所有氢键的形成是非常自然的； 两组氮碱基以相同形式配对，一点也不觉得扭捏做作。这里沃森所说的氢键，指的是存在于 许多生物分子内（包括DNA分子）的一种较弱的化学键°DNA双螺旋结构被发现后，极大地 震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物 学的研究。11 -iIf ( T i -代表4种不向碱小结：学生活动：在提出上螺旋 活动：发给学生制作模型 球形塑料片一一代表磷酸 双层五边形塑料片代 细铁丝2根(长约0.5 m)杜克大学Pratt工程学院的研究人员发现了科学家了解使DNA形成 双螺旋所需的物理作用过程中丢失的关键一环。机械工程和材料学教授Piotr Marszalek解释 说，DNA稳定性是了解生命过程中所有因子的基础。如果想要创造出精确的DNA模型来 研究它与蛋白质或药物的相互作用。因此，我们需要对赖以稳定DNA的力量进行精确地测 量。生物通 生物通报道：杜克大学Pratt工程学院的研究人员发现了科学家了解使DNA形成双螺旋所 需的物理作用过程中丢失的关键一环。机械工程和材料学教授Piotr Marszalek解释说，DNA稳定性是了解生命过程中所有因子的 基础。如果想要创造出精确的DNA模型来研究它与蛋白质或药物的相互作用。因此，我们 需要对赖以稳定DNA的力量进行精确地测量。生物通在一项发表在7月5日的Physical Review Letters上的研究中，Marszalek的研究组报道说， 他们首次直接测量了相互传绕形成互补双链分子的DNA单链中的力量。这项研究由美国健 康研究院和美国科学基金资助。生物通每个DNA链包括一个糖分子和磷酸骨架，其上附着四个碱基中的一个。单个链内部相互作 用的力量很大程度上来自碱基间的化学吸引。但是双链DNA的完整性则依赖沿着双螺旋的 碱基间的堆积力和互补碱基之间配对的力量。生物通碱基堆积力是碱基对之间在垂直方向上的相互作用，可以使DNA分子层层堆积，分子内部 形成疏水核心，这对DNA结构的稳定是很有利的，碱基堆积力对维持DNA的二级结构起 主要作用。早期的研究多集中在相对的碱基间的化学键，通过解开两链来测量它们之间的力量。对完整 DNA的研究让研究人员很难将堆积力与碱基配对力量分开。生物通 为了解决这个问题，杜克大学的研究人员利用一种原子力显微镜(AFM)来捕获DNA链中碱 基间的吸引力。DNA分子的糖和磷酸骨架中的化学键仍然保持完整，因此对力量测量的影 响非常轻微。生物通他们将一端固定在金属上的单链用力拉开并测量在拉的时候力量的变化。这种AFM技术能 够精确测量单个分子中的力。生物通他们通过测量两种类型的合成DNA链捕捉到了堆积力。这两条合成链其中一个是由胸腺嘧 啶构成(已知胸腺嘧啶之间的吸引力是最弱的)，而另外一个则是由腺嘌吟构成(已知腺嘌 吟间的吸引力是最强的)。由于化学力的差异，这两种单链DNA展现出不同的结构。腺嘌 吟单链以一种相当规则的形式卷成它们自己的螺旋，而胸腺嘧啶链则创新出一种更随机的形 状。生物通 纯的腺嘌吟链在弹性形式上也比预测的要更加复杂。当他们逐渐加大拉伸腺嘌吟链的力量 时，研究人员注意到了在23和113皮牛(pico-Newtons)的力量水平时的两个位置。这些 峰值反映出双螺旋的断裂和展开。由于碱基间没有键可以断开，因此胸腺嘧啶链对拉伸的抵 抗力很小，因此没有这种特殊点。分子自组装分子自组装简介自组装(self-assembly) 为系统之构成元素(components ；如分子)在不受人类 外力之介入下，自行聚集、组织成规则结构的现象1，例如分子的结晶即是一种自组装现象。自组装程序的发生通常会将系统从一个无序(disordered)的状态转化成一个有序(ordered)的状态，其可以发生在不同的尺度，例如分子首先聚集成纳米尺寸 的超分子单元(supramolecular unit ；如界面活性剂分子自组装成微胞；如图一所示)， 这些超分子单元间的作用力进而促使其在空间上做规则的排列(如微胞排列成体心立 方之晶格)，而使系统具有一种阶级性结构(hierarchical structure)。自组装普遍 存在于自然界中，如生物体的细胞即是由各种生物分子自组装而成；而运用各种分子 之自组装亦是建构纳米材料非常重要的方法，这种所谓由下而上(bottom-up)的方法目前被广泛应用来制备具光、电、磁、感测、与催化功能的纳米材料2。多分子自组装体化学概述分子聚集体化学是化学发展的新层次。分子聚集体化学 以分子之间的弱相互作用及其协同效应为基础，自组装是创造具有新颖结构和功能的 有序分子聚集体的重要手段。分子聚集体的化学为实现化学学科的知识创新提供了契 机，同时它与物理、生物、材料等学科交叉融合，而成为产生新概念和高技术的重要 源头之一。拟解决的关键科学问题：多层次、多组分的分子自组装及组装动态过程； 分子间弱相互作用的加合性、协同性和方向性；分子聚集体中的电子转移、能量传递 和化学转换。研究内容1、分子间相互作用的协同效应与自组装原理：通过多识别位点单体的组装，阐 明分子间相互作用的加合性、协同性和方向性，建立二维及三维空间分层次组装的有 效原理和方法。2、多层次、多组分的界面分子组装与功能：致力建立多级界面分子组装方法，研究溶液中的有序组装体在界面转化的规律及其动态形成过程和解组装过程，实现多组分、多层次的功能组装体构筑。3、超分子复合物体系组装及组装过程：基于各种弱相互作用组装形态和性质各 异的超分子复合物，实现由超分子复合制备功能超分子材料。4、分子聚集体中的电子转移、能量传递和化学转换：研究分子聚集体中的电子 转移和能量传递，为太阳能光催化制氢提供依据；研究分子聚集体中的化学转化，为 提高化学反应的选择性提供新的途径。5、分子组装体的手性及功能性手性组装体：研究分子组装体中的手性问题，并 创造具有手性放大、手性传递、手性记忆等功能的手性组装体。6、生物膜模拟与人工酶：以聚合物囊泡作为模型体系，分别从形态、结构和功 能三个层面来模拟生物膜；构筑新型高效超分子人工酶体系。预期目标1.建立分子自组装的新概念和新技术，揭示分子自组装的动态过程， 认识分子间弱相互作用的加合性、协同性和方向性，阐明分子聚集体中的电子转移、 能量传递和化学转换的规律，使我国分子聚集体化学的研究水平继续跻身于国际先进 行列，某些领域达到国际领先的水平；2. 发展具有高效率、高选择性的分子聚集体微反应器和超分子酶催化体系，创造 若干新型智能响应的功能超分子材料，在分子组装的功能研究方面做出具有重要应用 意义的成果；3. 形成一支具有坚实的理论基础、创新能力、团队精神并且在国际上有重要影响 的优秀研究队伍。超分子自组装是近年来倍受重视的国际前沿课题。 超分子自组装是分子通过分子间相 互作用形成具有有序结构的聚集体。它往往表现出单个分子或低级分子聚集体所不具 有的特性与功能。因此，研究不同层次有序分子聚集体内和分子聚集体之间的弱相互 作用是如何通过协同效应组装形成稳定的有序高级结构；弄清分子结构与分子聚集体高级结构之间的关系和聚集体结构与性能的关系，揭示物质多层次构筑的内在规律， 揭示了一些新的科学现象并提出了新的理论计算方法，能对信息、能源，生命，环境 和材料科学中涉及分子以上层次的问题的认识产生飞跃。超分子自组装的研究首先从 生物体系的研究受到启发：生命体系中大分子的高级有序结构对其生物活性与功能起 着非常重要的作用，由许多弱相互作用点共同作用使得很复杂的生物高分子形成严格 一致的分子形状和尺寸，正是这种弱相互作用对大分子三维构筑的精确控制，才使得 生命过程成为可能并得以实现，而这个过程就是超分子自组装过程。前人的研究主要 是通过具有规整结构的构筑单元通过超分子自组装获得纳米或微米尺度的有序聚集 体。而有序体尺度越大，越难以实现高级有序结构.