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。
