核酸与遗传信息

（三）核酸与遗传信息

酶在生命活动中有如此巨大的作用！可以说，没有酶，就没有生命。但酶又是从哪里来的呢？研究证明，酶是在遗传信息的指令下合成的。这种遗传信息以密码形式编排在核酸分子上。

遗传信息是同生命活动密切相关的一种特殊的信息系统。每一种生物储存在核酸中的遗传信息，好似这种生物的施工蓝图。生物按照这个施工蓝图，完成生长、发育、生殖、衰老、死亡的全过程。人类从一个受精卵细胞，发育成由约100万亿个细胞构成的具有执行各种功能的器官的人，并经历儿童、少年、青年、壮年、老年各个时期。这个复杂万分的过程，就是在受精卵里的核酸分子（其大小只有头发丝的四万分之一）的遗传信息的指令下进行的。那么复杂的过程，在那么小的“司令部”的指挥下，有条不紊地工作，使你不能不为生物界精巧的结构惊叹不已！

核酸分子有什么巧妙之处，使它能够担负起如此浩繁的任务呢？

图1 DNA的双螺旋结构

前面讲过，核酸分为两大类：一类叫去氧核糖核酸，英文缩写是DNA；一类叫核糖核酸，英文缩写是RNA。其中DNA研究得比较详细，是遗传的主要物质基础。DNA是什么东西？为什么能够储存那么复杂的遗传信息呢？DNA分子是由两股长长的、互相盘绕的链组成的一种双螺旋结构（见图1）。它的每一股都由四种核苷酸一个接一个地排列组合而成，其首尾相连，形状有些像火车车厢。同时，这两股长链又是互补的。何谓互补呢？就是说，两条核苷酸链中的每一对核苷酸之间，有一种一定的对应关系。四种不同类型的核苷酸，可以用四种符号来代表：A、T、G、C。这条核苷酸链上的核苷酸单体如果是A，另一条核苷酸单体一定是T。也就是说，A同T有对应关系。同时，G和C也有对应关系。组成DNA的核苷酸虽然只有四种，但这四种核苷酸单体在核苷酸链上，通过不同的排列组合，却可容纳极大的信息量。DNA的分子量是很大的。大肠杆菌的DNA分子由800万个核苷酸单体组成。人的一个细胞里23对染色体的全部DNA分子中，包含了约58亿个核苷酸单体（29亿对）。

由四种核苷酸、数十万到数千万个核苷酸单体组成的DNA分子，是怎样储存遗传信息的呢？我们怎样识别每一种生物画在DNA分子上的施工蓝图呢？

现代分子遗传学的研究，已经初步揭开了DNA分子储存遗传信息之谜。原来，每一种生物的施工蓝图，每一种生物的遗传信息，都是以密码的形式编排在DNA分子长长的核苷酸链上的。这种遗传密码，是由四种核苷酸的不同排列次序构成的。DNA分子上的两条链，就像两条长长的电报纸一样，以核苷酸的不同排列组合“书写”着奇妙的密电码。生物遗传密码体系的密码符号，是由代表四种核苷酸单体的符号A、T、G、C组成的，犹如电报的密码符号是由长声和短声两种讯号组成的一样。A、T、G、C通过不同的排列组合，形成密码子。遗传密码是由三联体组成的，三个密码符号组成一个密码子，代表着一种氨基酸。这正如电报的长、短声组成一个四联体，由长长短短、长短长短等构成密码子，每一个密码子代表一个阿拉伯字一样。由于遗传密码的密码讯号有四个，由这四个密码讯号可以构成4³=64个三联体，即64个密码子。科学家已经通过实验搞清楚了这64个密码子的意义（每一种密码子代表的氨基酸）。表1是科学家们编制的遗传密码字典。

表1 遗传密码字典

续表1

这本密码字典，是科学家们通过耐心细致的工作，从各方面找到了证据，于1966年在20世纪60年代初期的密码字典基础上修订而成的。

怎么读这本别致的字典呢？你不用担心难以读懂，它比世界上任何一种字典都好读。其读法是，左边为第一个字母，上边为第二个字母，右边为第三个字母。你看，照这个顺序读去，你就能随意读出UUU代表苯丙氨酸，CUU代表亮氨酸，AUU代表异亮氨酸，GUU代表缬氨酸。

组成天然蛋白质的20种氨基酸，均可这样从密码字典中找出对应的密码子。也许你会问，既然只需代表20种氨基酸的20个密码子，就可完成编制遗传密码的任务，为什么会有64个密码子呢？看一看密码字典你就会知道，有几个密码子同时代表一种氨基酸。如UUU、UUC，翻译成氨基酸，都是苯丙氨酸。UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG都代表亮氨酸。

就这样，通过DNA上不同的核苷酸排列次序，决定了合成具有不同的氨基酸排列次序的各种蛋白质。如果我们仔细想一想，就会发现，这其中还有一些矛盾。DNA分子由几十万、几百万甚至几千万个核苷酸组成，而蛋白质分子一般只由几十到几百个氨基酸单位组成。如果DNA分子上的核苷酸符号组成的遗传密码一气翻译下去，合成出来的蛋白质分子就大得可怕了。因此，这本密码字典上，还有一个翻译成蛋白质的起读符号，三个蛋白质合成的终止符号——句号。AUG这个密码子既代表甲硫氨酸和甲酰甲硫氨酸，又是起读符号。UAA、UAG、UGA则是蛋白质合成的终止符号——句号。

当核酸分子上的遗传信息发出合成蛋白质的指令时，遇到起读符号AUG，一个蛋白质分子的合成就开始了。接着，按照AUG后面的三联体密码子的指令，一个又一个氨基酸排列到模板上去。一遇句号（蛋白质合成的终止讯号）UAA、UAG、UGA，这个蛋白质分子的合成就终止了。

也许你还会提出一个疑问。前面讲过，DNA分子是由A、T、G、C四种核苷酸组成的，而在这里讲的密码字典不见T这个符号，钻出来的却是一个从不认识的U。这是为什么呢？原来，蛋白质的合成实际上不是直接用DNA为模板合成的，而是在DNA的副本——一种叫做信使RNA的核糖核酸的指令下合成的。组成RNA的核苷酸单体也是四种，分别用A、U、G、C来代表。RNA没有T，却有U。DNA和RNA上的核苷酸，由于其化学结构的特点，A总是与T起化学反应。以DNA为模板，通过这种配对反应，DNA上的一定的核苷酸次序，就变成了信使RNA上的核苷酸顺序。DNA的遗传信息，通过这种转录过程，流到了RNA。在RNA上的遗传信息指令下，合成蛋白质。特殊蛋白质——酶，催化各种生化反应，形成不同的性状。这就是DNA上的遗传信息变成性状的简要过程。当然，实际上，这个过程还要复杂得多，其中还有各种有关的物质参与。对这些问题，这里就不详述了。

科学家们正在努力编制各种生物排列在DNA分子上的遗传密码图。他们首先搞清了一个最简单的生物——极小病毒φ×174噬菌体的遗传密码图。借助遗传密码字典，就能翻译出遗传密码图的起码含意：合成氨基酸、多肽、蛋白质，包括酶的信息。生物的遗传密码图，既简单又复杂。说它简单，是指不管这张图有多么复杂的一片密密麻麻的符号，但这种符号只有四种，它只不过具有巧妙的编码方式罢了。说它复杂，是指每一个DNA分子上具有极多的密码符号，少则上万，多则几千万。φ×174DNA算是极小的了，但也有5375个密码符号。如果要展示典型的单细胞细菌的染色体DNA的密码排列次序，得像φ×174DNA的核苷酸排列次序一样，写上2 000页左右。如果要展示一个哺乳动物细胞的DNA分子的核苷酸排列次序，大概要写100万页。

此外，也许你还会提这样一个问题：A、T、U、G、C，这么简单的几个符号，怎么可能奏出如此绚丽多彩的生命进行曲呢？如果你想一想七个音符可以构成复杂动听的乐曲，长短二声可以拍发含义复杂的电报，二十几个字母可以组成一国文字的话，你就不会惊讶了。不过，我们还是来做一下数学运算吧！数学是最有说服力的工具。

我们已经知道，性状的多样性是由生化反应的多样性决定的。生化反应的多样性又是由酶的多样性决定的。那么，由A、T、U、G、C这几个符号构成的遗传密码体系，可能储存多少种酶的信息呢？酶是一个蛋白质，它是由成百上千个氨基酸单位组成的。虽然组成蛋白质的氨基酸只有20种，但由于组成蛋白质的氨基酸个数很多，因而可以形成极多的不同种类的蛋白质。假设有一个含290个氨基酸单位、包含12种氨基酸、分子量为35000的蛋白质分子，再假定这个蛋白质分子没有支链，只有一个长的肽链，可以算出，这样组成的蛋白质分子可能有10³⁰⁰个同分异构体。氨基酸的排列顺序不同，其功能也就各异。这样组成的蛋白质分子种类就可多达10³⁰⁰种。当然，蛋白质不是没有支链的，因此，其排列方式还要比10³⁰⁰大得多。请扳起指头算一算，这个10³⁰⁰（10后面加300个零），是一个多么大的数字？由此可见，A、T、U、G、C这几个简单的符号，虽然只控制了二十种氨基酸合成蛋白质时的排列顺序，但这种不同的排列顺序就可能合成出以天文数字计算的多种类的蛋白质（包括酶）。既然以这种方式编码的遗传信息系统的指令合成的蛋白质（包括酶）有如此多的种类，自然界出现千姿百态的生物类群、精巧万分的各种性状，就是不难理解的事了。

最后，我们还要探索一下有关遗传信息的另一个问题。遗传信息是不是只储存在生殖细胞里呢？从病毒、动植物到人，遗传信息以密码形式编排在核酸上的规律是一样的吗？

实验证明，不仅仅是生殖细胞里含有一整套遗传信息，而且绝大多数的体细胞里也含有一整套遗传信息。只不过，不同部位里的体细胞内的遗传信息，在一般情况下，只使用其中的一小部分。其余的遗传信息被封闭起来，不起作用。但是，只要我们找到了方法使这些细胞里的遗传信息启动，每一个细胞（不必一定是生殖细胞，生殖细胞也不必经过精卵结合）就能发育成一个完整的个体，并经历生长、发育、衰老、死亡的全过程。前边讲的无性繁殖、孤雌生殖、单倍体育种的许多成功的实验就是证据。

此外，实验还证实，从最低等的生物——病毒，到最高等的生物——人，其组成遗传密码体系的密码子，从编码方式、转录翻译方式及代表的生物结构和功能特征都基本上是一样的。前面，我们讲了体细胞杂交。人的细胞同蚊子的细胞，人的细胞同老鼠的细胞，甚至同植物的细胞，为什么能进行杂交呢？这难道不是因为它们的密码体系是一样的，可以进行遗传信息的交流吗？我们的分子遗传工程得以进行，也是一个证据。后面，将谈到核酸分子的杂交技术，证实人、动物、植物、细菌、病毒之间均可以进行分子水平的杂交和遗传信息的交流。如果各种生物的遗传信息以密码形式编排在DNA分子上的规律不一样，很难设想，这些生物之间可以进行分子水平的杂交、遗传信息的交流。