Science 版 (精华区)
发信人: crazy (雪山), 信区: Science
标 题: 揭开生物遗传的奥秘(2)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 03:32:56 2000), 转信
和谐的双螺旋结构
1944年，量子力学家薛定锷写了一本研究生物学的书《生命是什么》，他指出：
遗传物质可能是由基本粒子连接起来的非周期结晶，就像电报中的电码，通过“·”、
“ -”组合成一种密码，这种生命的密码被复制，传给后代，这就是遗传。这本书出
版后，由于具有独特的见解而十分畅销。毕业于伦敦大学、曾专攻物理学的F.H.C.克
里克，也像德尔布吕克一样改攻生物学。他来到英国剑桥的卡文迪许实验室进行研究，
在这里，他遇到了从美国来这里搞研究的J.D.沃森。两人见解相同，都想大干一场，
于是，兵合一处，开始探求DNA的结构。
这个时期，世界上研究DNA结构的科学家一共有3组：
第一支人马是伦敦大学的威尔金斯所领导的小组，他们用物理办法，即用 X射线
作工具进行研究。他们认为：DNA 是生物高分子，普通光学显微镜根本看不到它的结
构，而X射线波长很短，穿过DNA分子时，射线打在分子的不同位置，造成在一些方向
上加强，在另一些方向上减弱，这种现象叫做衍射。分析这种衍射图样，就可以确定
原子间的距离和排列，这样，就可以弄清它的分子结构。威尔金斯就用这种办法拍到
了一张DNA晶体结构的照片，但并不是十分清楚，上面显现的是一片云状的圈圈点点。
他不敢妄下结论，只猜想DNA的结构大概是螺旋形的。
第二支人马是美国的结构化学权威波林所领导的小组，也是采用 X射线作为研究
工具。1951年夏天，波林用 X射线探测蛋白质的结构，顺利地得出阿尔法螺旋模型，
离探明DNA的结构只有一步之遥了。
第三支人马就是半路出家的沃森和克里克。
论实验条件，威尔金斯的实验室最好；论知识功底，波林最雄厚。但是，要论年
龄，却是沃森和克里克最年轻，因而，他们的思想也最少保守。
沃森和克里克初出茅庐，日夜苦干，决心摸清DNA结构，首先夺魁。
1951年 5月，沃森在一个科学会议上遇见了威尔金斯，威尔金斯身边正带着几张
DNA的X光衍射照片。沃森不耻下问，立即向威尔金斯虚心求教，并开口索要DNA的X光
衍射照片。威尔金斯也不保守，不仅满口答应，还诚恳地向这位年轻人谈了自己的猜
想。沃森惊喜异常，深受感动。
沃森回到卡文迪许实验室后，立即把收获告知了克里克，并同克里克一起进行研
究。他们对不太清楚的照片进行分析，认为DNA的结构肯定是螺旋形的。
沃森拿起一个放大镜，又仔细地扫视着图面，突然，他把目光停在一个十字状的
地方，对克里克说道：
“这地方有个交叉，我看这种螺旋很可能是双层的，就像一个扶梯，旋转而上，
两边各有一个扶手。”
克里克也感到很兴奋，他说：
“很有可能。威尔金斯小组的弗兰克林也认为它是双链同轴排列，现在看来这个
问题就只差一层窗户纸没有捅破了。在这个双螺旋体里，到底 T、C、A、G这4种物质
怎样组合排列的，弄清这个也就弄清了DNA的模型。”
“看来，我们现在的主攻方向应该是制出一个 DNA模型，有了这个模型才能说清
遗传机理。”
他们找来金属绞合线，又参考了弗兰克林测得的一些数据，在实验室的车间里开
始制作模型。他们反反复复，做成一个又拆掉，拆了一个又重作，但是，连续十几个
月，他们无论怎样摆弄，总是找不到一个理想的模型。
一天，他们正在实验室里累得满头大汗，寻找着理想的模型，突然，他们的助手
推门进来，紧张地对他们说：
“有最新消息了!”
“什么新消息?”
“波林已经宣布，他完成了DNA模型，是三股螺旋!”
这个消息非同小可，就是说在这场研究DNA结构的竞赛中，对手已经超过了他们，
冲到了终点，夺取了桂冠。刚才还是一种迷惘的烦恼，现在更是一种失败的沮丧。克
里克一屁股坐在椅子上，顺手将那些乱七八糟的木棒、线头推到一边，沃森也痴呆呆
地站在那里，半天才自言自语道：
“三螺旋，这不大可能吧?”
事实上，他们的确是虚惊了一场，其他实验室随后的试验都表明，波林的三螺旋
的模型并不能解释DNA的结构。
沃森和克里克经过这场虚惊之后，对他们自己的思路更加坚信，加紧了模型制作
工作。卡文迪许实验室的车间也为他们帮了大忙。
1953年元旦刚过，沃森和克里克就制出了一个新模型：在两股糖与磷酸的螺旋链
之间，夹着一一相同的碱基，A基与A基相对，T基与T基相对。这种模型倒是与已知的
资料情况相符，但是，构型却有点别扭，因为碱基分子大小不同，使两条外骨架发生
了扭曲，看上去令人不舒服。
沃森坐在桌旁，对着这个奇怪的模型陷入了沉思，他认为这样别扭的结构一般来
说是不可能的。因为自然界中的生物都常常以一种美的、合理的结构存在，他想神秘
的DNA也应该具有一种和谐的、美的结构，而绝不应该这样歪歪扭扭。
沃森这样想了一会儿，便把碱基拆了下来。重新换了个位置，大小搭配，让 A基
和 T基配对，G基和C基配对，这样一来，面前的模型宛如一条凌空翻舞的彩绸，那样
舒展自如，而且又符合前不久关于 DNA结构的另一项发现：A、T两基的数目与G、C两
基的数目都正好相等。
DNA结构之谜从此解开了!
沃森和克里克又惊又喜，顾不得疲劳，立即动手撰写论文。写完论文后，他们又
给编辑部写了一封信。信中说：
“这确是个奇特的模型，不过，既然 DNA是个不寻常的物质，我们也就敢作不寻
常之想了。”
1953年 4月，沃森和克里克的论文在英国的《自然》杂志上发表，虽然他们的论
文只不过是千把来字，但是它却可以与达尔文的《物种起源》相比美，它开创了分子
生物学的新时代。
在研究DNA结构的3支力量中，沃森和克里克资历最浅，却首先夺魁，正是得力于
他们敢于大胆想象，不循常规。为此，他们同威尔金斯一同获得了1962年度的诺贝尔
医学和生理学奖金。
曾经一度领先的波林最终没能取胜。当他看到沃森和克里克的研究成果后，十分
后悔他自己的疏忽，直到1974年，他还遗憾地说：
“我深知核酸内含有嘌呤和嘧啶，但为什么就没有想到给它们配对呢？我总在探
讨三螺旋，就是没有去试一下双螺旋。哎！那些极简单的概念，有时竟是这样难以捉
摸。”
按照沃森和克里克的模型，遗传信息是怎样传递的呢？在这条双螺旋中，两股糖
和磷酸组成梯子的两侧 A-T、C-G连成梯子的横杠，在一个人体细胞中，DNA梯子全长
约有 1米，所包含的横杠不下60亿条之多，一个人的基因，它可能是梯子的一段，约
有2000条横杠。当细胞繁殖的时候，这条双螺旋就从中间分开，犹如链一样从中间分
成两半儿，这时，每一个碱基对都拆开了，但是，这剩下的一半儿在浮游细胞核内的
分子中很快就找到了新的伴侣，A又与新的T结合，G又与新的C结合，这样，就形成两
个与原来的DNA一模一样的复制品，这就是生命的遗传，如果DNA在复制过程中出一点
儿意外，就会造成物种的突变。
破译遗传密码
1958年，克里克在 DNA双螺旋模型的基础上，提出了分子生物学的中心法则：通
过DNA复制，生物体的遣传信息传给子代；通过转录和翻译，遗传信息传给RNA和蛋白
质，从而决定细胞的表型。当时已经证明蛋白质是在核糖体上合成的。
蛋白质由20种氨基酸按不同的次序排列组成，DNA由4种核苷酸组成，这 4种核苷
酸的区别就在于它分子里的有机碱基不同：A、G、C、T。蛋白质的氨基酸顺序与核酸
的核苷酸顺序之间的联系被称为遗传密码。
不论是动物、植物，还是微生物，它们都把各自的遗传密码传给下一代，下一代
就按照这个密码生长发育。就拿“种瓜得瓜，种豆得豆”来说，瓜里有瓜的遗传密码，
豆里有豆的遗传密码，代代相传，互不干涉。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，核酸分子上则有他们的密码，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上怎样携带大量的遗传基因呢?这正是薛定锷假设的密电码。构成DNA的4种核
苷酸，每次取出 3个构成一组，这样排列组合，便有了足够多的遗传基因。60年代末
用电子显微镜摄到的放大了730万倍的DNA照片已经证明了这一点，而科学家的一个目
标就是要破译这些密码。
到1966年，经过克里克、霍拉纳、尼伦伯格等科学家的努力，已经把全部遗传密
码都破译了，并且把它们编成了密码表。这些遗传密码全都是三联密码，每 3个核苷
酸组成 1个“密码子”，由各种密码子组合排列，就能代表成千上万个遗传信息。遗
传信息在核酸中以3个核苷酸为一个密码，决定蛋白质中的一个氨基酸，一连串的3个
核苷酸密码排列成一个基因储存在DNA分子中，通过RNA聚合酶的作用，依照 DNA双链
中的一条链为模板，通过碱基配对，转录产生的RNA忠实地接受了来自DNA的信息，细
胞内合成蛋白质的机器——核糖体按照RNA的核苷酸序列，每3个核苷酸合成一个氨基
酸，最终合成出了相应的蛋白质。
遗传信息以核苷酸顺序的形式储存于 DNA中，这种信息的容量非常大，人类基因
组共约有30亿碱基对，估计有10万个基因，迄今已测定的人基因组核苷酸顺序约有1%，
大部分基因尚不清楚，迄今为止的研究证明，除了个别情况外，遗传信息流向的中心
法则在生物界是普遍适用的，遗传密码在从微生物到人的所有生物中也是通用的。
诱人的应用前景
DNA 双螺旋结构的发现，为生物学的发展开拓了广阔的前景。比如：“许多新的
生物技术的创立；限制性内切酶的发现；DNA重组技术的建立；DNA测序方法的创立；
基因突变技术的发明；DNA扩增技术等等。这些技术都是建立在DNA双螺旋基础上的，
它们已成为分子生物学基础研究的极有用的工具，同时，也为生物技术的应用带来了
革命性的变化，蛋白质工程、酶工程的发展都是应用这些技术的结果。
1965年，中国科学家在世界上第一次人工合成了胰岛素。这种胰岛素过去都是从
牛、猪、羊等牲畜胰腺中提取的，产量很低，100公斤原料中只能生产几克，1头牛的
胰腺中制出的胰岛素也只够7个病人治疗1天。1977年，美国科学家已经成功地把大白
鼠的胰岛素基因转移到大肠杆菌里，使大肠杆菌获得了生产胰岛素的基因，得到了初
步成果。1978年，美国科学家将人工合成的人胰岛素基因引入大肠杆菌，使大肠杆菌
成为生产人胰岛素的“活工厂”。这种“细菌工厂”生产的胰岛素，它的化学成分与
人胰岛素完全一样，它还可以避免用动物脏器生产胰岛素所产生的副作用，如过敏反
应、抗体反应等等。
1973年，美国科学家第一次实现了按人的意志来制造新的生物，他们将大肠杆菌
的一个抗四环素与一个带抗链霉素的遗传信息的基因重新组合，又放回大肠杆菌中复
制，结果，新的菌种就同时既抗四环素又抗链霉素。这预示着人类在生命领域也将要
大显身手了。比如，脑激素是治疗糖尿病的良药，但是，过去要从牲畜的脑浆中提取，
10万只羊脑才能提取1毫克。1977年，日本科学家已经能人工合成脑激素的遗传基因，
让那个繁殖很快的大肠杆菌按照这个基因去复制脑激素，它果然顺利地完成了任务。
提取1毫克脑激素，只需要2升大肠杆菌培养液，成本只有30美分。
用生物的方法固定空气中的氮，也是生物学的一大发展。1972年，美国科学家把
一种能固氮的细菌的固氮基因转移到大肠杆菌里，获得成功。1976年，英国科学家用
限制性核酸内切酶，把一种带有固氮基因的质粒切开，接到另一种质粒上，获得成功。
这样，就有可能把豆科植物根瘤菌的带有固氮基因的质粒用同样的方法接在某种植物
的质粒上，然后引入植物细胞，实现固氮基因由细菌到植物的转移，从而不再需要施
用化肥。
1974年，科学家进行了将动物细胞里的 DNA分子在细菌细胞里进行复制的试验，
获得了成功，科学家把限制性核酸内切酶切下来的南非蟾蜍的 DNA片段，在连接酶的
作用下，转接到大肠杆菌质粒的 DNA上，并且带到大肠杆菌细胞里去，结果，产生出
具有蟾蜍特性的DNA分子。
1995年 5月，又有新消息传来：美国科学家雷格·文特尔第一次破译了一种天然
生长有机物——流感嗜血杆菌的全部遗传密码，揭示了组成生命的1830121个DNA碱基
链。威斯康星大学的弗雷德里克·布拉特纳博士对此评论说：
“这的确是难以置信的历史性时刻，这项成果表明，科学家有能力以某种有机物
的整个遗传序列为对象，并且从序列分解至基因。这是遗传学家长期以来一直梦寐以
求的。”
“这项发明的意义在于，在获得有机物基因全套序列方面，遗传学整个模式发生
了翻天覆地的变化。”
人类认识世界是为了改造世界，科学家们还在不断地取得新的研究成果，随着人
类解开遗传之谜和生命科学的发展，在不远的将来，人类将可以按自己的意志来制造
新的生物，将可以通过修复和调节基因来治疗疾病，改造生命自身。例如：癌症是人
类的大敌，现在已经知道，导致细胞癌变的物理或化学的因素都直接或间接地作用在
脱氧核糖核酸上。细胞癌变是基因表面调节控制失灵引起的，表现在蛋白质、酶、细
胞表面性质等的紊乱，这就为利用生物工程控制与治疗癌症提供了可能。人类的遗传
病多种多样，其原因就是因为基因发生了突变，有时只要是其中一个碱基的变化，也
会合成异常结构的蛋白质。蛋白质结构异常，功能随着改变，于是出现相应的病理变
化，这就是遗传疾病。如果把健康的基因引入到患者的细胞中，取代或矫正有缺陷的
基因以根治疾病，这种方法就是所谓的“基因治疗”。
试想，当人类对大自然还不甚了解时，曾经是那样的盲目、被动地受着自然的嘲
弄，但是，随着自然之谜的揭开，一天天地，人类终于成了自然的主人。今天，随着
生命之谜的揭开，人类对自身的认识已出现了一个飞跃，其意义绝不亚于当初哥白尼
创立日心说。从此，人类已经不但能够改造世界，而且还能改造自己的生命。科学将
使人类在宇宙间获得最充分的自由。
--
===============CRAZY================
= =
= e_mail:hitclub@0451.com =
= =
= 文武之道 一张一弛 =
====================================
※ 来源:．紫 丁 香 bbs.hit.edu.cn．[FROM: 202.118.243.5]
Powered by KBS BBS 2.0 (http://dev.kcn.cn)
页面执行时间：3.777毫秒