《生命语言DNA》word版.doc

生命语言 DNADNA和RNA的发现似乎并没有掀起多少波澜，因为它们的发现者们并没有能够很好地说明DNA和RNA与生物遗传基因究竟有什么关系。直到19M年以前，人们还认为，蛋白质才是生命体内主要的遗传物质。1944年，美国科学家埃弗雷设计了一个很巧妙的实验，间接证实了DNA就是那个被遗传学家们找了很久的基因物质，在DNA身上带有生命的遗传秘密指令。埃弗雷用的实验材料是肺炎球菌。肺炎球菌有两种，一种能致病，表面光滑，称为S型；另一种不能致病，表面粗糙，称为R型。早在1928年，人们就已经发现将杀死了的S型肺炎球菌和活着的R型肺炎球菌一起注入小鼠体内仍会致病，从而说明S型肺炎球菌中存在着某种物质能使R型菌转化成具有致病能力的肺炎球菌。这一结论给了埃弗雷不小的启发，他将S型菌粉碎后，提纯其体内的各种物质，获得了纯度很高的糖类、脂类、蛋白质和核酸等，将这些物质分别与R型菌进行混合培养，发现只有和核酸混合培养的R型菌才能转变为具有致病能力的细菌。由此可见，核酸才是主要的遗传物质。后来，又有科学家发现，RNA也是一个携带遗传秘密的基因物质。1951-1952年，美国科学家赫尔希和德尔布吕克通过对噬菌体的研究，进一步证实了埃弗雷的观点。噬菌体是能吃细菌的物体，这种物体离开了细胞是一种无生命的物体，而一旦进入细胞，就具有生物体新陈代谢、繁衍后代等一切特性。赫尔希和德尔布吕克选择了一种专食大肠杆菌的噬菌体，外形像绒科，有短而粗的头和一条尾巴。当这种噬菌体遇到大肠杆菌时，先把尾巴搭住细菌并在细菌身上打开一个孔，然后把自己体内的物质通过小孔注入细菌体内，随后，数以千计的噬菌体形成了，细菌也破裂了。噬菌体的外壳是蛋白质，而内容物只有DNA。噬菌体把自己的DNA注入到细菌体内生出了小噬菌体就证明了DNA具有指导遗传的功能，也说明DNA决定着蛋白质的合成以及蛋白质的性质和构成。蛋白质是组成生命的基础物质，是生命功能的最主要执行者，因此，DNA就是生命遗传的基因物质。在以上几位科学家所取得的巨大成就的鼓舞下，生物化学家们开始重新考察核酸的结构。那么，DNA中的4种核苷酸是怎样连接起来的呢?在很长的一段时间内，许多科学家一直把蛋白质作为生物性状表现的工具，认为核酸是通过蛋白质起作用的，因此，核酸在遗传中的重要作用没有受到足够的重视。直到20世纪40年代末50年代初，人们才发现核酸不但能够水解分裂成碱基片段，而且还可以进行定量分析。1950年，美国生物化学家查尔加夫分析了DNA的组成成分，发现了不同来源的DNA分子中，膘哈类核苷酸和呼院类核苷酸的总数总是相等，腺膘吟核苷酸(A)的数目总是等于胸腺唤院核苷酸阿)，鸟源吟核苷酸(G)的数目等于胞陵陡核苷酸(C)，即A=T，G=C；A+G=T+C。这就是著名的查尔加夫规则。通过研究，查尔加夫还发现，DNA碱基成分随着来源的不同有很大的差异，4种碱基可以按不同的序列排列，表现出极大的多样性和特异性，能得到4种不同的排列方式，是一座十分庞大的遗传密码库。而且4种碱基的组合还遵循一个共同的规律：不论DNA的来源如何，在4种碱基中，腺瞟吟(A)总是跟胸腺阐陡河)配对，腺喀院(C)总是跟鸟膘哈(则配对。这种严格的碱基配对叫作碱基互补原则。查尔加夫的发现大大地推进了人们对DNA的理解程度，下一步就是要搞清楚DNA的化学结构以及它在蛋白质中产生何种作用，从而支配着蛋白质的合成。就在查尔加夫埋头对DNA展开细致研究的同时，运用X射线等先进的物理学方法研究生物大分子的晶体结构也取得了突破性进展。这一工作主要是在英国进行的。50年代初，英国科学家威尔金斯等人用X射线衍射技术对DNA结构潜心研究了3年后发现，DNA是一种螺旋结构。1951年，英国女物理学家富兰克林拍到了一张十分清晰的DNAX射线衍射照片。这些卓有成效的工作为DNA双螺旋结构的发现打下了坚实的基础。最终完成这一宏伟工程的是美国生物学家沃森和英国生物学家克里克。沃森是埃弗雷噬菌体研究小组的成员，克里克则是英国结构学派的成员。1951年11月，两人在剑桥大学的卡文迪许实验室相遇，并进行了愉快的交谈，很快发现彼此都对DNA分子结构极感兴趣，于是便相约合作研究，试图揭示和阐明遗传信息的结构基础。此后，沃森与克里克抓紧时间研究已经获得的各项数据，并于1951年底提出了一个由三股链组成的螺旋结构模型。但是很快，他们便失望了，因为由于算少了DNA的含水量，搭构出来的三股链的样子连他们自己看着都觉得别扭。第一个模型失败了。1952年7月，克里充意外地从查尔加夫那里得知DNA所含的4种碱基含量并不相等，他意识到，果真如此，那么只有一种可能，那就是它们只能是两条链上碱基互相以配对的形式而存在。1953年2月，克里克与沃森又得到了关于DNA结构的X射线衍射照片和新数据。根据各方面对DNA研究的信息和深入细致的研究分析，沃森和克里克形成了一个共识：DNA是一种双链螺旋结构。于是，他们搭建了一个DNA双螺旋模型，并于1953年4月将新的DNA结构模型在权威刊物帕然杂志上公布于世。这是一个极为成功、无懈可击的DNA分子结构模型，它由两条右旋但反向的链在同一个轴上盘绕而成，像一个螺旋形的梯子，生命的遗传密码就列在梯子的横档上。DNA双螺旋结构模型完美地说明了遗传物质的遗传、生化和结构的主要特征，它的提出是生物学史上划时代的事件。从此，遗传学的历史和生物学的历史正式从细胞阶段进入了分子阶段。由于这一划时代的贡献，沃森、克里克和英国科学家威尔金斯共获1962年度诺贝尔医学和生理学奖，这一殊荣今完全出乎意料的克里克、沃森感慨万千，激动不已。克里克在他的回忆录狂热的追求-科学发现之我见中表述了这种心情：双螺旋确实是一种了不起的分子，也是一个了不起的发现。现代人的历史约有5万年，文明的历史几乎不到1万年，美国的历史仅仅200多年，可是RNA、DNA都至少存在了几十亿年。从古至今，双螺旋就一直存在并活跃着，可是我们还是近些年才知道。当然，值得庆幸的是，我们是地球上最先意识到它的存在的生物。有关我们发现双螺旋的文章如此之多，我很难再补充什么。我想说，DNA是由4个字母的语言写成的长长的生命信息，这是生命的语言沃森与克里克发现的DNA分子双螺旋结构模型有4个重要特点：一，DNA分子是由两条成对的链以双螺旋的方式接一定空间距离相互平行盘绕，像一根扭曲的大麻花。DNA分子的长链从头至尾都严格遵守碱基配对原则。二，两条长链的方向是相反的。三，腺瞟吟(A)跟胸腺嚼咛灯)以两氢键联结配对，而胞喷促(C)与鸟瞟吟(G)却以三氢键联结配对。比如，一条链上的碱基排列顺序是TCGACTGA，AF么，另一条链上的碱基排列顺序一定是AGCTGACT。这就意味着，DNA中一条链的碱基顺序一旦确定，那么另一条链的碱基顺序也就确定了。四，DNA双螺旋结构模型表明它的结构对于碱基的顺序不存在任何限制。据科学家统计，一个体细胞的全部DNA螺旋楼梯长约2米。若将一个人的全部DNA连接起来，可以在地球和太阳之间扯上80个来回。在那个伟大的发现之后，沃森与克里克从未停止过对生命更深层次的探索。不久，他们又给自然杂志撰写第二篇文章，提出了DNA分子的复制假说：在体细胞的有丝分裂中，每个DNA分子双螺旋先分解成两个单螺旋，每个单螺旋再利用细胞中现成的游离膜吟、啧啧以及酶重建失去的那一半。实际上，可以形象地认为，每个单链好像模子，按照某种特定方式浇注出一个个与模子相匹配的产品。因此，生命体内DNA分子由一个变为两个的复制被称为半保留复制。沃森和克里克阐述的关于DNA分子的复制假说得到了当时科学界广泛认同，人们开始认识到，生命就是一个不断复制和进化的过程，而这个过程起始于DNA的复制，从而保证了父辈的生命密码像拷贝一样准确无误地传给了子孙。至此，千百年来一直困扰人类的生命遗传之谜终于被解开了。到了20世纪90年代中期，分子生物学家的研究发现，所有的DNA都有一种语言的特性：分子中的每4种碱基对必定组成4个字母，由此构成长的文字系列。事实上，编译出基因中信息的DNA系列已经被生物学家形象地称为生命的语言，他们为了把生命的语言逐字表述出来，让DNA通过一系列语言的测试，测试的结果令人惊讶：一部分DNA显示的文字，其构造竟然同天然的语言十分相似，而另一部分DNA显示的文字则形同天书，完全不像天然的语言，而这一部分DNA恰恰含有能编译密码、制造蛋白质的基因。在层层剥离生命的奥秘显现出生命的全部密码之前，很有必要提一提蛋白质。这个名词对于许多人都不会陌生，高蛋白几乎成了高营养的代名词。虽然蛋白质在生物学上的重要性并非全在于营养方面，但是，在生命体这座雄伟大厦的图纸上，真正构筑起大厦并行使各种功能的主要还是蛋白质，它是生命功能最忠实的执行者。蛋白质是一类含氮的生物高分子，其基本组成单位是氨基酸。构成蛋白质的氨基酸只有20种，其中有8种是人体内无法合成的，需要从食物中摄取。蛋白质可以分为两大类，一类是简单蛋白质，它们的分子只由氨基酸组成，另一类是结合蛋白质，它们的分子由氨基酸和部分非蛋白质部分组成，结构相当复杂二总之，蛋白质是一种高分子有机化合物，种类繁多。由于不同生命体细胞内存在着不同的蛋白质，所以生命体能显示出不同的性状。显然，生命体无法直接将它特有的蛋白质传递给后代，犹如父母并不能把他们的眼睛、鼻子、嘴唇直接传给子女一样。在这一具有决定性意义的传递过程中，起关键作用的只有DNA，DNA可以把遗传信息表现为细胞的结构和功能，它可以指示细胞合成自身生命活动所需要的一切蛋白质，蛋白质再进而显示出生物体的遗传性状。那么，DNA如何指示细胞合成蛋白质?这一过程的复杂程度在人们没有破译出生命遗传密码之前几乎难以设想。因为DNA是由4种碱基组成，而蛋白质却由20种氨基酸组成，4种碱基若能够决定20种氨基酸的排列组合，一定会有某种特别的编码方式。1944年，著名的量子物理学家薛定愕出版了生命是什么一书，提出了遗传密码的思想。薛定愕认为，莫尔斯电码只用了点和划两种符号便可产生几十种代号，基因分子的编码方式必定具有雷同之处。薛定愕未能走得再远一些，而是把这个很伤脑筋的问题留给了业余生物爱好者、美国天文学家盖莫夫。1953年沃森和克里克关于DNA双螺旋结构模型发表之后，盖莫夫在1954年2月便提出了一个大胆的设想：DNA分子中的4种核音酸分解形成各种不同的组合，每一种组合就是一种氨基酸的符号。盖莫夫的设想立即在美国招致非议，倒不是他说得没有道理，而是他作为一个天文学家，管得太宽了，不该在生物学界评头论足。盖莫夫只好转而求助于丹麦的一家科学杂志，没想到引起了很多物理学家的关注。1955年，这些物理学家凭借着惊人的抽象思维能力，提出了三个核音酸组合在一起决定着一个氨基酸的设想。1957年，克里克在吸收物理学家关于DNA组合编码的思想、对核苷酸可能是蛋白质合成的密码进行研究时提出了三联体密码假说：在DNA分子中，三个核苷酸组成一种氨基酸的密码，除了每个氨基酸有自己的三体密码子外，多余的密码子是蛋白质合成或终止合成的符号。此外，也确实存在着一种氨基酸有几种不同的密码子的情况。至此，纷繁复杂的生命最终在三体密码的基础上获得了统一，基因的真实面目也大白于天下：它只是一个密码的系统，而不是人们原先想像的那样是某种神秘的物质实体。生物界从最简单的病毒到最高等的人类，基本活动都是合成蛋白质的活动，而且无一例外地都服从统一的、由核各酸组合而成的密码的支配。所有的生物都在按照这个密码体系进行着生命接力棒的传递。接下来又发生了一件轰动20世纪生命科学界的大事。20世纪60年代，美国生物学家尼伦伯格等人破译了DNA中核苷酸组合成的生命遗传密码。1961年，美国生物学家尼伦伯格等人合成了由许多尿核青酸连结成的长链，称为多聚尿着酸(U-U-U-U)，他们把这条人工合成的长链加入含有多种氨基酸、酶、核糖体和一些合成蛋白质所必需的溶液中。不久，奇迹出现了，这种溶液中形成了一条只有苯丙氨酸连接而成的多肽链。于是，尼伦伯格等人断定苯丙氨酸的三联体密码是U-UU。此后，尼伦伯格等人进行了更为复杂的试验，并采用类似的方法确定了亮氨酸、异亮氨酸等多种氨基酸的密码。到了1967年，他们破译了20余种氨基酸的密码，还发现了不少代表着起始、终止和标点的密码。后来，人们把尼伦伯格等人破译的生命遗传密码组合成一部精致的密码字典，利用这部特殊的字典便可以随心所欲地找到各种氨基酸和它所对应的遗传密码。查阅遗传密码字典的时候，先取左边(第一碱基)的一个字母，再取上面(第二碱基)的一个字母，最后，再取右边(第三碱基)的一个字母，合起来就是一个氨基酸。例如GAG代表谷氨酸，AAU代表天冬酚胺等。非常有趣的是，密码里还有句号，用来表示氨基酸连成I一个段落。不妨借助这部生物字典翻译下列一段密码：GCA(丙氨酸)、AAC(天冬酚胺)、UCC(丝氨酸)。GGU(甘氨酸)、AUC(异亮氨酸)、UAC(酪氨酸)、UAA(句号)、UAG(句号)、GGA(甘氨酸)、UUA(亮氨酸)、CCC(脯氨酸)、AUG(甲硫安酸)、UCG(丝氨酸)、AAG(赖氨酸)、ACA(苏氨酸)、AAG(赖氨酸)。原来，它就是噬菌体R17身上的部分遗传密码。科学家指出，从细菌到人类的一切生物的遗传密码都能从遗传密码字典上找到(附：遗传密码字典)。当科学家们破译了决定生命基础的蛋白质的氨基酸合成密码后，遗传信息的传递机理便成了人们迫切渴望获知的热门话题。可是，在当时，对遗传信息的传递过程作出合情合理的解释，实在令人望而生畏。因为细胞学所掌握的事实是，所有DNA都在细胞核内，而蛋白质却存在于细胞质中，像DNA这样硕大的分子是无法随意进入细胞质的。但是，DNA的遗传密码如果不能被带入细胞质就无法合成特定的蛋白质，换言之，这个密码就无所作为。于是，科学家们大胆地推测，一定有一个传递信息的使者，从DNA那里拷贝了一份密码文件，并带入了细胞质中。那么，这个传递信息的使者染色体是由许多记录遗传信息的小基因区段组成，每一个基因区段负责控制生物一种性状或者负责几种相关的性状，或者是几个基因区段负责控制生物体某方面的性状等等，一旦这些正常基因发生变化就会变成异常基因，相应地由它决定的正常性状也就变成了异常性状。突变基因产生后就会通过精、卵、受精卵传给下一代。但在DNA模型尚未建立之前，弗里斯无法很好地解释突变的内在机制。弗里斯的突变理论后来不断得到证实。较为著名的有这样一个实例：是谁呢?经过试验和观察，人们终于发现，这个信使就是RNA。RNA在合成蛋白质过程中的作用很快被实验所证明：科学家们用一种除去DNA的酶除去细胞中99%的DNA，结果发现细胞仍有合成蛋白质的能力，而如果用另一种除去RNA的酶，只要除去35%的RNA，细胞就彻底失去了合成蛋白质的能力。RNA的结构与DNA极为相似，也是由核苷酸连接而成的长链，只不过DNA是双链，RNA是单链。如果在DNA单链的鸟源吟(G)处连上一个跑呼咬(C)，在腺瞟吟(A)处接上一个尿喷院(U)，这样形成的一条新链就是RNA。现在，人们已经知道，细胞核内DNA的遗传信息必须由RNA翻译过来并带入细胞质才能合成蛋白质。可是，细胞为什么不直接把氨基酸直接运到细胞核中的DNA那里合成，却必须要经过RNA的翻译呢?科学家们的回答近似神话，听起来饶有趣味：生物细胞中的DNA可是生物体传宗接代的根本，它如同一份绝密的构造生命的图纸，是万万不能遗失的。所以这份蓝图只能锁在保险箱-细