DNA衍射图谱的简要介绍与分析

汪海

新时代教育

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摘要：DNA的X射线衍射图谱实质上是两个发生相互干涉的单缝X射线衍射图谱的叠加。X射线照射DNA分子时，先后形成两个互成角度相同的衍射，进而形成“X”形衍射图谱，依据图谱及数据分析可得知DNA的结构为双螺旋。

关键词：DNA；X射线衍射图谱；双螺旋

人教版高中生物学必修2（2019版）第3章第2节“DNA的结构”在介绍DNA衍射图谱时，在该插图下添加了注解：“X”型意味着DNA分子是螺旋的。多数教师在使用过程中不能理解其原理，本文将简要分析如何根据X衍射图谱和数据分析来判断DNA分子的结构是双螺旋。

一、X射线

X射线是由德国物理学家伦琴（W.C．Rontgen）于1895年在从事阴极射线的研究时发现的，又称伦琴射线，其实质是一种波长极短（介于0.01-10nm之间）的电磁波，其传播频率快，能量大，穿透能力强，可以用来研究晶体的结构^[1]。

二、X射线衍射原理

衍射（diffraction）是指波在穿过狭缝、小孔或障碍物时偏离原来直线传播的物理现象。光是一种电磁波，一定波长的光通过某种光栅就可发生衍射现象。光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物或小孔，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射（图1）。衍射发生的条件是缝隙或小孔的宽度小于波长。

可见光的波长为400-700nm，其穿过狭窄的缝隙和小孔可发生衍射现象。如图1所示，当光穿过狭窄的缝隙，会在这个缝隙的边缘处朝不同方向发生散射，产生不同方向的光波，不同方向的光波到达底片时会发生相互干涉现象。若到达底片的两个光波正好相位相同、波形一致，即波峰、波谷正好重叠，从而得到加强，则在底片上就会得到一道亮斑（图1-A）。若到达底片的两道光波正好相位相反，即波峰遇波谷，其结果就会减弱，发生抵消，则在底片上得到暗带（图1-B）。

X射线波长太短，所以穿过狭窄的缝隙或小孔时不会发生衍射现象，但穿过晶体这种天然的光栅就可以发生衍射现象。晶体是由大量的原子按照一定的规则排列形成的，并且这些原子之间的距离非常近，缝隙很窄，很接近或小于X射线的波长。当一束单色X射线入射到晶体时，由于这些规则排列的原子间距离与入射X 射线波长有相同数量级，故能发生相互干涉，并在某些特殊方向上产生X射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构相关。

衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格（Bragg）方程表示，即2d.sinθ=n.λ，其中d为晶面间距，θ为入射角，n 为反射级数，λ为X射线波长^[2]。当X射线以θ角入射晶面1时，部分X射线会发生反射，另一部分穿透晶面之后入射到晶面2后再次反射。这2道反射的X射线抵达底片时，若正好发生加强，则在底片上会得到一个斑点；若正好发生减弱，则不会有斑点（图2）。因此，一束束通过含有水平线的阵列的波会产生一行垂直于该水平线的斑点。如果水平线倾斜，则会产生一行倾斜的斑点（图3）。

三、DNA分子的X射线衍射图谱分析

图4-A为著名女科学家罗莎琳德·富兰克林（R.E.Franklin）实验组拍摄的第51张DNA分子的X射线衍射照片，对于破解DNA分子结构非常关键^[3]。结合X射线衍射原理（图3-C）与图4-A分析，可得知DNA分子是呈螺旋结构的。进一步分析发现，呈X型的光斑有5层分布，其中1、2、3、5层有光斑，而第4层的光斑消失。这是因为还存在有另外一个螺旋，这个螺旋干扰了1、2、3、5的螺旋。所以，DNA分子是双螺旋的。在X射线衍射图谱中，光斑的分布一共有10层（上下各5层），它代表的是DNA分子螺旋转一圈跨越的碱基对的数量，即为螺距。螺距是指一个螺旋上升一圈的距离，可以用碱基对来计量，即是10个碱基对20个碱基，这就可排除DNA是三螺旋的可能性。

依据布拉格方程分析可知，θ为人为设定角，单色X射线的波长已知，就可以计算出d（晶面距离）=0.34nm，也就是上下两层碱基对的距离，进一步得出螺距就是3.4nm。以上就是对DNA分子X射线衍射图谱的简要分析。由此可见，一张DNA分子的X射线衍射图谱包含了很多有关DNA分子的信息。

参考文献：

[1]郑安呐，陈建定.X射线衍射法鉴定液晶相结构原理[J].自然杂志，1991，14（7）：512-518.

[2]李霞，滕晓云.X射线衍射原理及在材料分析中的应用[J].物理通报.2008，9：58-59.

[3]岳春光.DNA分子的X射线衍射图谱介绍[J].生物学教学.2021，46（6）：71-72.

作者简介：汪海，男，1984.10.20，重庆，土家族，研究生，中教一级，研究方向：中学生物教育教学。

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