阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第22部分
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分子会不会就是基因？到此时为止基因还是一个非常模糊而无形
的东西。
整个
20世纪
40年代，生物化学家们一直在研究这个问题，兴
致越来越高。他们发现，特别值得注意的是，一个生物体细胞里的
DNA含量总是恒定不变的，但是，正如所预料的那样，精子细胞和
卵细胞都只含有这个量的一半，这是个例外，因为它们所含的染色
体只有正常细胞的一半。染色体里
RNA和蛋白质的含量可能全
部改变，但是
DNA的含量依然不变。这似乎确实表明，
DNA和基
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
因之间有着密切的联系。
起初认为蛋白质是只“狗”，核酸只是开始摇动的“尾巴”，后来
报道的一些重要观察似乎表明，这条“尾巴”原来就是“狗”本身。
细菌学家对在实验室里生长起来的两株不同的肺炎球菌进行
过长期的研究。一株具有由复杂的碳水化合物构成的光滑被膜，
另一株没有这种被膜，所以外表显得粗糙。很明显，外表粗糙的菌
株缺乏制造被膜所需要的某种酶。但是，一位名叫格里菲思的英
国细菌学家发现，如果把已被杀死的外表光滑的细菌和活着的外
表粗糙的细菌混合起来，然后注入一只小白鼠体内，这只被感染的
小鼠的组织最终会含有活的外表光滑的肺炎球菌！这是怎么回事
呢？死肺炎球菌肯定不会复活。一定是某种物质转化了粗糙菌株
的肺炎球菌，使它们具有了制造光滑被膜的能力。这某种物质究
竟是什么呢？显然，它是光滑菌株的死菌所提供的某种因子。
1944年，三位美国生物化学家艾弗里、
C。 M。 麦克劳德和麦卡
蒂证认出这种转化因子。它就是
DNA。他们从光滑菌株细菌里
分离出纯
DNA，再把纯
DNA加给粗糙菌株细菌，仅仅这样做就足
以把粗糙菌株转化成光滑菌株。
研究者继续分离有关其他细菌和其他特性的转化因子，每种
情况都证明转化因子是一种
DNA。只有一个似乎可能的结论：
DNA可以像一个基因一样发生作用。事实上，各种专门的研究，
特别是对病毒的研究（见第十四章）都证明，从遗传的观点来看，和
DNA联合在一起的蛋白质几乎是多余的：不论是在染色体里，还
是在像叶绿体和线粒体一类的胞质体里（非染色体性遗传），DNA
自身能够产生全部的遗传效果。
双螺旋
如果
DNA是遗传的关键，它必定具有复杂的结构，因为它必
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须携带一套复杂的图式或指示密码（遗传密码），以合成各种特定
的酶。如果它是由四种核苷酸组成的，这四种核苷酸不能像
1，2，
3，4，1，2，3，4，1，2，3，4……那样以一种有规则的排列连在一起。
这种分子太简单了，根本不能携带一份适用于各种酶的蓝图。事
实上，1948年，美国生物化学家查加夫和他的同事们发现了确切
的证据，证明核酸的组成比原来想象的复杂得多。他们的分析表
明，各种嘌呤和嘧啶的含量并不相等，而且在不同的核酸里它们的
比例也不相同。
一切似乎都表明，四个嘌呤和嘧啶沿
DNA主链的分布是没
有规则的，正如氨基酸侧链沿肽主链的分布一样。然而，似乎也有
一些规律。在任何给定的
DNA分子中，嘌呤的总数似乎总与嘧
啶的总数相等。此外，腺嘌呤（一种嘌呤）的数目总是等于胸腺嘧
啶（一种嘧啶）的数目，而鸟嘌呤（另一种嘌呤）的数目总是等于胞
嘧啶（另一种嘧啶）的数目。
如果我们用
A表示腺嘌呤，G表示鸟嘌呤，T表示胸腺嘧啶，
C表示胞嘧啶，那么，嘌呤就是
A＋G，嘧啶则是
T＋C。于是，对任
何给定分子的研究结果都可以总结为：
A＝T
G＝C
A ＋ G＝T ＋ C
更多的普遍规律也出现了。早在
1938年，阿斯特伯里就指
出，核酸能以衍射图的方式散射
X射线，表明它的分子里存在着
有规则的结构。新西兰出生的英国生物化学家
M。 H。 F。威尔金
斯计算出，这些规则结构重复出现的间隔比核苷酸与核苷酸之间
的距离大得多。一个合乎逻辑的结论是，核酸分子为螺旋状，螺旋
上的圈形成了在
X射线下看到的重复单元。这个想法似乎很吸
引人，因为当时泡令已经证实了某些蛋白质分子的螺旋结构。
第十三章 细 胞
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M。 H。 F。威尔金斯的结论主要是根据他的同事 R。 E。 富兰克
林研究 X射线衍射的成果得出的。 R。 E。富兰克林在这些研究中
一直未能充分发挥作用，英国科学界歧视妇女的态度是其原因之
一。
1953年，英国物理学家克里克和他的同事美国生物化学家
J。 D。 沃森，把所有的资料集中在一起（他们利用了 R。 E。 富兰克林
的一幅重要照片，显然没有得到她的同意），提出了一个全新的核
酸分子模型。这个模型上的核酸分子不止是一个螺旋，而是双螺
旋（这一点是关键）——两个糖 …磷酸主链就像一个两边有扶手并
绕着同一竖轴上去的螺旋楼梯（见图 13…6）。嘌呤和嘧啶从每个
糖…磷酸主链内对着延伸，并且互相连接在一起，就像形成这个双
扶手螺旋楼梯的阶梯似的。
图 13…6核酸分子的模型。左图表示双螺旋；中图表示部分双螺旋的
详细结构（省去了氢原子）；右图表示核苷酸结合的详细情形
嘌呤和嘧啶怎么会沿着这些平行的链排列起来呢？为了使它
们都同样合适，一侧的一个双环嘌呤必须总是对着另一侧的一个
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嘧啶，从而合起来形成一个三环的宽度。两个嘧啶伸展不到这个
宽度，而两个嘌呤又太拥挤。而且，一侧的一个腺嘌呤总要对着另
一侧的一个胸腺嘧啶；一个链上的一个鸟嘌呤总要对着另一个链
的胞嘧啶。这样，人们就可以解释
A＝T、G＝C和
A＋T＝G＋C
这一发现了。
后来证明，核酸结构的这个沃森…克里克模型特别富有成效；
因此，M。 H。 F。威尔金斯、克里克和
J。 D。沃森分享了
1962年的诺
贝尔医学与生理学奖。（R。 E。 富兰克林已于
1958年去世，所以
没有提出关于她的贡献问题。）
例如，沃森
…克里克模型可以说明在细胞分裂过程中一个染色
体怎么会复制自己。我们可把这个染色体看成是一长串
DNA分
子。组成双螺旋的两个单螺旋分离（打个比方说，两个缠在一起的
链互相松开），使这些
DNA分子首先分开。这是可以做到的，因
为相对的嘌呤和嘧啶是由微弱的氢键连接的，很容易断开。这样，
每个链都是半分子的。这些半分子能够合成自己失去的部分：有
胸腺嘧啶的就接上一个腺嘌呤；有胞嘧啶的就接上一个鸟嘌呤；等
等。制造这些单元所需要的全部原料和必需的酶，在细胞里都是
现成的。半分子只是起一种模板（或模子）的作用，把这些单元按
正确的次序排在一起。这些单元最终将进入适当的位置并停留下
来，因为那是最稳定的排列。
概括地说，每个半分子在形成自身互补链中都起着主导作用，
并用氢键把互补链和自己连接起来。用这种方式，半分子重新形
成完整的双螺旋
DNA分子，于是，由原来那个分子分成的两个半
分子便在原来只有一个分子的地方形成两个分子。一个染色体上
所有的
DNA都完成这个过程后，就会产生两个和原来的母染色
体完全相同的染色体。偶尔也会出现某种差错，例如某种亚原子
粒子或高能辐射的冲击，或者某些化学药品的干预，都可能在新染
第十三章 细 胞
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色体的某个地方引起缺陷，结果形成突变。
支持这种复制机制的证据越来越多。利用重氮标记染色体，
然后追踪被标记物质在细胞分裂过程中的命运，这种示踪研究倾
向于证实这个学说。此外，人们已经认出与复制有关的一些重要
的酶。
1955年，西班牙血统的美国生物化学家奥乔亚从一种细菌
（固氮菌）中分离出一种酶，经证明能够催化核苷酸形成
RNA。
1956年，奥乔亚以前的一位学生科恩伯格分离出另一种酶（从大
肠杆菌中），可以催化核苷酸形成
DNA。奥乔亚进而利用核苷酸
合成了类似
RNA的分子，科恩伯格同样合成了类似
DNA分子。
（他们两个分享了
1959年的诺贝尔医学与生理学奖。）科恩伯格还
证明，给他的酶里加一点儿天然
DNA作为模板，他的酶就能催化
形成一种看上去和天然
DNA完全一样的分子。
1965年，伊利诺
斯大学的施皮格尔曼使用一种活病毒（最简单的一类生物）里的
RNA，制造出了另外一些这类病毒的分子。因为这些另外的分子
表现出病毒的基本特性，所以这种方法迄今仍是产生试管生命的
捷径。1967年，科恩伯格和其他人使用一种活病毒里的
DNA作
模板，也完成了同样的实验。
最简单形式的生命里
DNA的含量很少，例如病毒里只含有
一个分子，而且还可以使之更少。1967年，施皮格尔曼让一个病
毒的核酸复制，隔一段时间就选出一些样本进一步复制，时间间隔
越来越短。他用这种方法选出了一批复制特别快的分子（因为它们
比一般的小）。最后，他把这个病毒缩小到正常大小的
1/6，而
把复制的速度提高了
15倍。
虽然细胞里复制的是
DNA，但许多比较简单的病毒只含
RNA，在这些病毒里复制的是双股的
RNA分子。细胞里的
RNA
是单股的，不能复制。
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然而，单股的结构和复制并不是互相排斥的。美国生物物理
学家辛希默发现了一株含有单股
DNA的病毒。那种
DNA分子
必须复制自己；但它只有单股，怎样进行复制呢？解决这个问题并
不难。单股先生产出它自己的互补链，然后互补链再制造出“互补
链的互补链”，即原来一股的复制品。
很明显，单股排列比双股排列效率低（这可能就是前者只存在
于某些非常简单的病毒里而后者存在于所有其他生物里的原因）。
首先，单股自我复制必须经过两个连续的步骤，而双股一步即可完
成；其次，现在认为，
DNA分子中只有一股是重要的工作结构，比
方说，是分子的“刀刃”，它的互补链可以看成是保护刀刃的鞘。双
股表示刀刃不用时被保护在鞘内；单股的刀刃则一直暴露在外面，
会经常遭受意外而变钝。
基因活性
然而，复制只是使
DNA存在下去。那么，
DNA是怎样完成合
成一种特定的酶（即一种特定的蛋白质分子）的工作的呢？要合成
一种蛋白质，
DNA分子必须指导氨基酸在由几百个或上千个单元
组成的分子里按照某种特定的次序排列。对于每一个位置，它都
必须从
20多种不同的氨基酸中选出一个正确的。假如
DNA分
子上有
20多个与氨基酸相对应的单元，这件事就很容易做到。但
是
DNA是由
4种不同的构件（
4种核苷酸）构成的。考虑到这一
点，天文学家伽莫夫在
1954年提出，这些核苷酸的各种组合可以
作为我们现在叫做的遗传密码（就像莫尔斯电码一样，莫尔斯电码
可以把点和划以各种方式组合来代表字母、数字等）。
如果你从
4种不同的核苷酸（A，G，C，T）中一次任取两个，便
有
4×4即
16种可能的组合（AA、AG、AC、AT、GA、GG、GC、GT、
CA、CG、CC、CT、TA、TG、TC和
TT）。这样仍不够用。如果一次
第十三章 细 胞
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任取
3个，便有
4×4×4即
64种不同的组合，这样就有剩余了。
（如果你觉得有趣，可以试着列出这些不同的组合，看能否找到第
65种。）
看起来好像每个不同的核苷酸三联体或密码子都代表一种特
定的氨基酸。由于可能有大量不同的密码子，所以也可以用两个
或三个不同的密码子代表一种特定的氨基酸。这种情况，密码员
称之为遗传密码简并。
这样就留下了两个主要问题：哪一种密码子（或一些密码子）
与哪一种氨基酸相对应？而且，密码信息（安全地锁在细胞核里，
因为只有细胞核里才有
DNA）是怎样到细胞质内形成酶的地方的
呢？
如果先考虑第二个问题，很快就会怀疑
RNA就是这种媒介
物质。这个看法是法国生物化学家雅各布和莫诺首先提出来的。
这种
RNA的结构必须和
DNA非常相似，二者之间存在的差异不
能影响遗传密码。RNA以核糖代替了脱氧核糖，即每个核苷酸上
多一个氧原子，并用尿嘧啶代替了胸腺嘧啶，即每个核苷酸上少一
个甲基（
CH3）。此外，
RNA主要存在于细胞质中，但是在染色体
本身中也有少量存在。
不难看出和证实所发生的情形。偶尔，当
DNA绕在一起的
两股解开时，其中的一股（总是同一股，即刀刃）复制自己的结构，
但不是利用形成
DNA分子的核苷酸，而是利用形成
RNA分子的
核苷酸。这样，这股
DNA上的腺嘌呤所连接的不是胸腺嘧啶核
苷酸而是尿嘧啶核苷酸。这样形成的
RNA分子，带着在自己的
核苷酸模型上的遗传密码，就可以离开细胞核而进入细胞质。
由于它带有
DNA的信息，所以被命名为信使
RNA，或简称为
mRNA。
罗马尼亚血统的美国生物化学家帕拉德由于利用电子显微镜
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仔细观察，于
1956年发现，细胞质内制造酶的地方是一些微小的
颗粒，直径约为
2/1 000 000厘米。这些小颗粒富含
RNA，因此被
命名为核糖体。在细菌细胞里有多达
15 000个核糖体，而一个哺
乳动物细胞里的核
