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静态的问题解决了,接下来是动态的:细胞是如何让遗传信息沿着中心法则的那些箭头,在这三种物质里流动的呢?是酶,细胞靠的是酶。
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图2—44 这就是标准遗传密码,中间是第1位,向外读第2、3位,对应着它们编码了哪一种氨基酸。另外,5’表示密码的开头,3’表示密码的结尾。(作者绘)
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图2—42的每一个箭头都有专门的酶来催化,但这些酶个顶个地复杂。如果要挨个儿介绍它们,这本书就会变成一部分子生物学简明教程了。所以,我们将略过这些具体的酶,等到在本书随后的章节中遇到的时候再随缘介绍,在本章剩下的部分里,我们只简述一些大概的原理。
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首先,再次观察图2—43中DNA的双螺旋,我们会发现它不光有两条旋转的骨架,在这骨架之间,还有许多平行的短棍,好似梯子的踏脚——因为这四个碱基中的A和T、G和C刚好能以平行的氢键配对结合起来,而双螺旋两条链上位置相对的两个碱基,一定刚好是这样的一对碱基。如图2—45所示,这被称为“碱基互补配对”。
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图2—45 DNA的碱基互补配对。RNA的碱基互补配对与此一样,只是T换成了U,而且A与U同样可以配对。(作者绘)
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图2—46 双链DNA的复制示意图,为了表现清晰没有把“螺旋”画出来,用平行代替了。(作者绘)
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所以,只要知道一条链上的碱基,就同时知道了另一条链上对应的碱基——这不但给DNA的碱基序列赋予了更高的稳定性[10],可以在世代延续中稳定传递遗传信息,还给遗传信息的复制带来了巨大的便利。
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如图2—46,在DNA复制的时候,一系列的酶会将双链拆解成两条单链,同时根据碱基互补配对原则,用只有一个碱基的DNA单体与这条单链结合,再连缀成新的链条——事儿就这么成了,一条双链DNA就变成了两条一模一样的双链DNA。不过,好奇的读者可能会注意到,两条子链的生长方向刚好相反,这的确是个大问题,这在第四幕里有重大的意义,但同样要到第五幕才能具体讨论它的细节。
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图2—47 转录过程的示意图。注意,通常来说,在每段双链DNA中,只有一条链上的碱基序列有意义。(作者绘)
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同理,在转录的过程中,DNA的双链也会被酶解开,但这次拿来互补配对的就不是DNA的单体,而是RNA的单体[11]了,由此形成的当然也不再是DNA双链,而是一条转录了遗传信息的RNA单链。
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上面这两种动作通常发生在细胞核里,但在某些特殊情况下,比如细胞被病毒感染了,也会大量发生在细胞质里——病毒还能强迫细胞用RNA复制RNA,原理和转录是一样的,只是把模板链换成了RNA而已;另外一些病毒要从RNA逆转录出DNA,虽然原理也一样,但细节变得有些复杂——这些特殊情况都在图2—42中用蓝色箭头表示了,我们暂且不考虑它们。
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·三种工具·
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中心法则的最后一步是从RNA到蛋白质的“翻译”。这件事几乎只发生在细胞质里,而且要比上述过程都复杂一些,它是三件工具——核糖体、信使RNA和转运RNA——密切配合的动态过程。
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对于图2—48,首先要知道,这三种工具都是由RNA构成的,或者至少是由RNA构成了最关键的部位。这些RNA也当然是从DNA上转录下来的链条,我们会在第四幕里看到RNA的链条也能像肽链一样折叠出复杂的三维形态,变成精巧的分子机器,不过我们现在只需弄明白它们的功能,所以这幅图并没有像上一节的图示一样画出RNA链条的细节,而只表现了它们最后的三维轮廓——就好比毛衣虽然是一根细线盘成的,但我们看到的是一件可以套在身上的衣服。
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图2—48 实现翻译过程的三种主要结构:核糖体(包含大小亚基)、转运RNA、信使RNA。图中的5’表示RNA的开头或上游,3’表示RNA的结尾或下游。(作者绘)
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那么,正如我们在高中生物课上学习过的,信使RNA是一条非常长的链条,链条上的密码子依次对应着蛋白质中的氨基酸,是将来合成蛋白质的模板[12]。
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而核糖体就是那个专门负责合成蛋白质的酶,它由RNA和蛋白质互相缠绕而成,个头巨大,以至于通常会被视为一种细胞器。从结构上看,它就像一颗张大了嘴的脑袋:那个大而复杂,好像上半张脸的部分,就叫“大亚基”,个头比较小,好似下巴的部分就叫“小亚基”。它们本来互不连接,分散在细胞内,但只要下巴“尝”到了信使RNA上的某段特殊序列,就会与大亚基组合起来,把信使RNA叼在嘴里。
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