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第2章 破译生命的密码

生命的过程,是一个由萌芽、发展、成熟走向衰老和死亡的新陈代谢的过程。个体的生命,在宇宙的历史上只是极其短暂的一瞬间,不过,正是由这无数的一瞬间相互接力,才有了物种的生命的延续,以及生命的完善与进化。

生物体在它短暂的一生中,都承担着繁殖下一代,使种族的生命得以不断延续的义务。在新生命的萌芽与发育过程中,我们知道,遗传物质DNA分子起了信息载体的重要作用。“种瓜得瓜,种豆得豆”,这便是因为上一代的“父”与“母”在发育成熟之后,将自身的DNA分子复制了一模一样的另一份DNA分子来传给子代。复制时,DNA分子的双螺旋结构解开,碱基对分开,形成两条分开的模板链。然后,根据A与T、G与C配对的原则,利用细胞中的合成核酸的碱基等原料,与模板链一一配对,逐个连接,最后形成了新的子代DNA分子双链。

新的DNA分子中,各有一条链是来自父代的旧链,而另一条是互补的新链,这样子代DAN分子上的碱基序列与父代的DNA分子的碱基序列完全相同,生命的信息便在这DNA分子的复制与遗传中得到了继承和发展。

DNA是遗传的,然而,对于生命活动具有重要的功能的蛋白质却无法直接由父代传给子代。生命的性状要求蛋白质来体现,父代的生物性状是怎样通过DNA的遗传来达到下一代的蛋白质呢?原来,父代的生物性状是由自己的DNA的碱基序列来决定的,这些信息通过DNA分子的自我复制与遗传让子代继承了下来。然后,子代的蕴含有生命的蓝图的DNA分子,就根据自身的碱基序列,通过细胞质中RNA的中间传递作用,由细胞的蛋白质生产工厂——核糖体生产出各种各样的蛋白质,例如各种组织蛋白、纤维蛋白、蛋白激素、蛋白抗体、酶蛋白,以及血红蛋白等等。由不同物种的DNA碱基序列决定的自然界各种有机体的蛋白质,种类成千上万,各自表达着自己独立的物种的个性特征。这个由父代DNA直到子代的生物性状的过程,可以表示如下:子代细胞核中DNA分子上的遗传信息,便是由可以穿过核膜的信使RNA传递到细胞质中的。它进入核后,将DNA分子上的关于如何合成蛋白质的指令转录下来,然后穿过核膜,来到细胞质中的核糖体这个蛋白质工厂中,传递着遗传信息。mRNA在这里决定着参与合成蛋白质的氨基酸种类,数量以及各种氨基酸的排列顺序等,细胞质核糖体在合成蛋白质时,都是根据mRNA中传递来的这些信息,由转运RNA运来合适的氨基酸,再相互结合而成为蛋白质的。这个过程,由DNA的碱基顺序变为蛋白质的氨基酸顺序,因而称为“翻译”过程。

翻译即把DNA的碱基顺序“翻译”为蛋白质的氨基酸顺序。这中间是怎样一种必然的联系呢?

我们知道,在世界上的不同地区生活的人们,他们有着不同的信息记录方式,有着不同的语言。如果要相互交流信息,就需要在两种语言之间建立某种双方共同认可的联系,然后,根据这种联系来对两种语言进行相互的翻译。像我们学习的英语,要与汉语进行翻译时,我们就要在由不同字母拼写成的英语单词与由不同汉字组成的中文词语之间,先有一个约定俗成的联系,如“English”对应着“英语”,“Chinese”对应着“汉语”等。同样,如果我们有急事需要告诉远方的亲友时,我们会去邮局发电报。我们写好电文交给报务员,报务员则根据电报密码与电文中的汉字的关系进行编码,再用发报机快速地传给对方邮局。对方邮局收到电报后,又根据密码表将电报码翻译为汉字电文,这样我们的亲友就可以看明白我们所讲的事情了。

事实上,在自然界里,DNA分子中的碱基排列顺序也是一份密码。英语里,单词由26个英文字母的若干个排列而成,单词又对应着一定的中文意义;在电报码里,每一组电报码由短、长的电报信号按一定的方式排列而成,电报码与汉字之间也有相互对应的关系。而在DNA分子中,我们知道有4种不同的碱基对,它们排列成一定的形式,也对应着某种固定的氨基酸;DNA分子中某一个有效的碱基排列片段——即一般说的基因片段,则对应着由若干氨基酸组成的特定蛋白质,这一种对应关系,也就是生命的密码了。

人们经过长期的研究,逐渐积累了无数的经验性结论,一直到20世纪的60年代中期,生命的全部遗传密码被成功地破译了,并且编制出了遗传密码表。

当DNA上的遗传信息转录到mRNA分子上时,A、T、G、C四种碱基的排列顺序就相应地变成了对应的U、A、C、G四种碱基排列顺序,mRNA分子中碱基所组成的密码就称为遗传密码,与英语单词长短不定不同,遗传密码固定由3个碱基构成一个密码单位,对应一种氨基酸,因而称为三联体密码。4种碱基任取3个来组成密码,可能的排列方式有64种。因此,20种常见的氨基酸中每一种常常不止对应一种三联体密码,有“一词多义”的现象。例如,DNA基因上的AAT和AAC两个片段转录到mRNA上后,变成了UUA和UUG,实际上这都是亮氨酸这个氨基酸的密码。

这样,遗传密码便使DNA上的遗传信息具体表达到了氨基酸顺序上,后代的生物性状便由这些在DNA控制下合成的蛋白质表达了出来。不过值得注意的是,虽然生物界的遗传信息都是以核酸上的碱基顺序来体现,各种生物体的遗传密码也完全相同,但这些,仅仅是遗传信息在表达过程中的形式上的一致。生物界的各个物种,生物特性各有千秋,遗传信息的内容千差万别,虽然都是由生物界的通用语言和通用密码方式来表达,但表达出来的内容却各有奇妙之处,因而才构成了生物世界的丰富多彩。

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