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第18章 魔法师的魔法

第一篇第十七章魔法师的魔法

阿里巴巴掌握了“芝麻,开门”的口诀,打开了山洞,里面隐藏着强盗掠夺的大批财宝。沃

森和克里克的DNA螺旋结构模式打开了生命遗传奥秘的大门,然而,生命遗传奥秘的大门内

却是一本天书。

 爬不完的螺旋梯

到过北京的人,一定会看到,在海淀区白颐路靠近黄庄的街心,耸立着一座造型优美的双螺

旋模型,这就是DNA分子,它是20世纪最伟大的发现之一。这座纪念碑是为了纪念DNA分子模

型的创立者美国生物学家沃森和英国物理学家克里克而建造的。

我们知道,在光学显微镜下可以看到存在细胞核中的遗传信息的携带者——染色体,这是细

胞水平的遗传物质。随着科技的发展,科学家利用电子显微镜等先进技术,进入了分子水平

的遗传物质的研究。他们发现,染色体实际上是由核酸和蛋白质构成的,而其中决定遗传的

就是核酸,更确切地说,是脱氧核糖核酸,即DNA。

DNA是脱氧核糖核酸的简称,它是一种双螺旋分子,每条螺旋的基本结构是核苷酸。所有生

物分子的DNA都是由四种核苷酸组成,即腺苷酸。胸苷酸、胞苷酸和鸟苷酸、但在不同的DNA

分子中,四种核苷酸的比例、多寡和排列顺序却不尽相同,因此可以构成各种基因。核苷酸

又由碱基、磷酸和脱氧核糖连接而成,四种核苷酸的不同在于其所含的碱基不同,因为其他

两种成分都是一样的,碱基有四种,邵腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G),

为了简便起见,相应的核苷酸也分别叫作A、T、C、G。核苷酸彼此相连而成为长链状的核

酸。DNA是由核苷酸构成的,它的空间模型就好像一个向右螺旋上升的楼梯,楼梯两边

的扶手是由磷酸与脱氧核糖交替连接而成,中间的台阶则是由两条两条链中的2个碱基连接

而成,中间的台阶不是杂乱无章地堆砌,连接的碱基对只能是腺嘌呤和胸腺嘧啶配对,鸟嘌

呤和胞嘧啶配对。这种碱基的配偶关系是绝对严格的,绝不会发生姐妹易嫁或乱点鸳鸯。

 魔法原则

生物的遗传不同于实物的遗传,它不是将自己的实体传给后代,而是将构成后代个体所需的

全部遗传信息传给后代。我们人类祖祖辈辈传下来的遗传性状,都是以核苷酸不同排列次序

表现的密码形式,集中“记录”在核酸分子上,由核酸分子带到下一代去的。鸡蛋里没有鸡

毛、鸡冠、也没有鸡心、鸡肝,但鸡蛋里有核酸分子,核酸分子上则有它们的密码。这密码

传到了下一代,使它在发育过程中,通过蛋白质合成表现为鸡毛、鸡冠、鸡心、鸡肝等等,

成为一只小鸡。

DNA这个魔法师是怎样挥动魔棒变出蛋白质的呢?我们先来看看魔法原则。

遗传物质的表达分为两部分,第一步是将DNA的遗传信息转到另一类大分子上,这种大分子

叫做信使核糖核酸,即mRNA。这样,DNA“司令”把它的遗传指令传达给了“传令官”mRNA

分子上,这一步叫做转录。

第二步就是传令官mRNA按照指令不折不扣地合成一个蛋白质分子。因为核酸与蛋白质有不同

的化学结构,犹如不同民族有不同语言一样,所以第二步称为“翻译”。

我们可以用下述公式表示基因表达的过程:

公式所表示的基因表达过程,在分子遗传学上叫做中心法则。更准确地说,中心法则的含义

是,遗传信息单向地由核酸传给核酸,或由核酸传给蛋白质,而不能由蛋白质逆向地传给核

酸。为便于理解遗传的分子基础,不妨对这一法则多说几句。

第一,关于DNA。不论是就个体中的细胞分裂还是生物个体传代而言,DNA都要完整地传下去

,否则就无遗传可言。但原有的DNA分子数量有限,又要保证传递时不走样,故DNA必须完整

地复制自己,就如播下的小麦种子产生下一代小麦种子一样。DNA如何复制自己呢?我们在前

面说过,DNA是由两条多核苷酸链构成的,在复制自己时,两链先分开,按照碱基配对原则

,各自从核苷酸原料库中寻找自己的配偶,逐渐合成一条新链。结果一个DNA分子变成两个D

NA分子,这两个子分子都与原先的母分子相同。从这一过程中,我们看到,原先母分子中的

两条链分别进入两个子分子,也就是说,每个子分子都保留着母分子的一条链,即母分子一

半,所以DNA复制是半保留复制。如图1-10,DNA每次复制均保留一条亲链,所以亲代的遗传

信息代代相传。

第二,必须说明的是,遗传信息从DNA经mRNA到蛋白质的流动过程,是单向的、不可逆的,

但也有个别特殊情况。一是RNA病毒,因为这类病毒没有DNA,所以只能是RNA自己复制自己

。二是有一些RNA肿瘤病毒,在感染寄主细胞过程中,将其RNA逆转录(相对于DNA转录成RNA

而言)为单链DNA,然后单链DNA再变为双链,并结合到寄主细胞染色体中。

 魔术的真相——蛋白质的合成过程

现在,我们可以向大家揭示魔术的真相——蛋白质的合成过程了。其转录、翻译和加工过程

都发生在细胞里,具体过程如下:

1遗传信息的转录

所谓“转录”是指遗传信息由DNA转录到mRNA(信使RNA)上。因为DNA和R

NA都是由核苷酸组成的,两者都用基本一样的“字母”来编码,“文字”基本相同,所以叫

“转录”。在进行转录时,由于RNA没有T,只有U,因此以DNA为模板合成mRNA时的碱其互补

配对应为:A-U和G-C。

转录过程是在RNA聚合酶的催化作用下进行的。当RNA聚合酶与DNA分子的某一启动部位相结

合时,DNA的这一特定片段的双螺旋解开,以其中的一条密码链为模板,聚合酶沿该链移动

,按上述碱基互补配对原则,使细胞里分别含有碱基A、G、C、U的四种核酸聚合成与该片段

相对应的mRNA分子。就这样,DNA分子上碱基的特定序列“转录”成为mRNA分子碱基的特定

序列,即DNA中的遗传信息“转录”到了mRNA上。

2遗传物质的翻译

核酸和蛋白质相当于两种语言,如果把遗传密码子和氨基酸分别比作英

语和汉语,那么把RNA的信息转变为合成蛋白质的信息,就相当于把英语翻译成汉语的过程

,那么谁是翻译员呢?

要把英语译成汉语,一个翻译员必不可少的条件是,必须具有懂得这两种语言的能力。同样

,要把mRNA翻译成蛋白质,这个翻译员必不可少的条件是:必须具有懂得mRNA的词语——密

码子和蛋白质的词语——氨基酸的能力。

科学家于是开始在细胞里苦苦搜寻这样的翻译员,最终,被美国的生化学家霍格兰搜寻到了

。这样的翻译员也是一种RNA,叫做运转RNA或tRNA。

tRNA和mRNA一样,也是以DNA的模板链为模板转录下来的,所以它们应是同胞兄弟。tRNA也

是由一条单链组成的,只不过中间来回地盘旋了几次,于是就成了图1-11那样的形状。

tRNA为什么具有这两种能力呢?这是由于它具有两种特异结构(见图1-11)。一个特异结构是

它的一端含有mRNA的密码子的互补结构——反密码子。例如,如果mRNA上的密码子是UUU(编

码苯丙氨酸),那么,根据碱基互补原则,tRNA一端的反密码子必须是AAA。密码子UUU和反

密码子AAA,一正一反,碱基正好互补,一配即合。如果tRNA一端的特异结构是AAA,那么,

其另一端的特异结构必然是只接纳苯丙氨酸,正好是mRNA中密码子UUU编码的氨基酸。如果m

RNA上紧靠着密码子UUU的是密码子CCA(编码脯氨酸),那么,必然有一种tRNA,其一端的反

密码子必然是GGU,而其另一端必然只能携带脯氨酸。由于一种tRNA只能携带一种氨基酸,

而普通蛋白质中可有20种氨基酸,所以,在细胞内至少有20种普通tRNA,而事实也正是这样

。

在细胞内,翻译场所又在哪里呢?

在搜寻到翻译员后,科学家们又继续在细胞内搜寻翻译场所。美国生物化学

家帕拉德,利用电子显微镜,最终找到了蛋白质合成的场所,这就是细胞质中

的核糖体。

核糖体是由核糖体RNA(记作rRNA)和几种蛋白质组成的一种微小颗粒,其形状好像一个不倒

翁,上小下大,里面有一定的自由空间。rRNA也是以DNA的模板链为模板转录成的。

生物细胞内,有了合成蛋白质的各成员,如DNA、mRNA、tRNA和核糖体等以后,又是如何同

心协力地完成这一任务呢?

在这里,细胞合成一特定的蛋白质,好比人们建造一特定的大厦。

居住在细胞核中的DNA,负责设计合成什么类型的蛋白质(相当于建筑工程师在设计室设计什

么规格的大厦)。DNA的碱基顺序就是合成蛋白质的一张“蓝图”(相当于建筑师设计的大厦

蓝图),合成什么样的蛋白质,完全由这张“蓝图”决定(相当于建造什么样的大厦完全由大

厦蓝图决定)。

蓝图(DNA)只有一份,是宝贵的,必须留在细胞核这个“保险柜”里,不能带到施工现场—

—细胞质中的核糖体(同样,大厦蓝图也得锁在保险柜里,不能带到建筑工地)。为了使施工

现场有章可循,只好把蓝图进行拷贝(即转录)成mRNA(相当于建造大厦施工图,即大厦蓝图

的拷贝)。

mRNA形成后,就从细胞核进入细胞质的施工现场——核糖体,带着DNA的指令指挥施工。

遗传密码的整个翻译过程包括:起译、接肽和终止三个阶段。但完成翻译工作要先做两件事

:一是把氨基酸活化。细胞内的各种氨基酸,在某些酶的催化作用下与ATP结合,形成带有

许多能量的活化氨基酸。二是把氨基酸送到“装配”蛋白质的机器(核糖体)上去。被激活的

氨基酸与特定的tRNA(转运RNA)结合,被运送到核糖体上去。

在蛋白质开始合成时,首先核糖体与mRNA结合,附着在mRNA的一端(起动部位)。然后沿着mR

NA

移动,根据mRNA上所携带的遗传密码,连续接受带有氨基酸的各种tRNA,并构成多肽链。于

是,mRNA上的遗传密码就翻译成了相应的蛋白质。蛋白质分子合成以后便被释放出来,核糖

体也从mRNA上脱落下来。脱落下来的核糖体又可以重新与mRNA的起始部位结合,再次参加蛋

白质的合成。

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