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图2—50 正在翻译中的核糖体,一个装载了氨基酸的转运RNA匹配后进入核糖体。为了表现清晰,大亚基展现的是内部结构。(作者绘)
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图2—51 核糖体内部的“肽基转移”。肽链原本结合在P位点的转运RNA上,现在要与A位点的转运RNA上装载的氨基酸形成新的肽键,由此整个转移到A位点的转运RNA上。那些仔细观察的读者会注意到A位点上的转运RNA的图示有些与众不同,因为这里试图表现的是这个转运RNA的“背面”:与所有酶促反应一样,这个图示里的一切发生在三维空间中,A位点和P位点的两个转运RNA的位置关系,就好像我们坐在凳子上把彼此的脚抵在一起。那么,此时低头俯视双脚,我们看到的就会是图示中的这个样子——只是我们的两条腿左右对称,所以低头看到的都是腿内侧,而转运RNA都是一顺子,所以一个看到正面,一个看到背面。另外,你还会注意到小亚基上的信使RNA不是平直的,而是在中间升起了一节,那就是专门给两个转运RNA预备的“凳子”。(作者绘)
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在核糖体的深处,有一条正在形成的肽链,连接在P位点的转运RNA上。那么如图2—51,每一个到达A位点的鸡大腿都会朝它“磕”一下,由此把大腿尖上的氨基酸连到那个肽链的末端,形成一个新的肽键,让肽链再延长一节。这也让那条正在形成的肽链转移到了A位点的转运RNA上,因此,这个A位点的转运RNA就会继续深入,顶替掉原本的P位点的转运RNA。当然,原本的P位点的转运RNA也会顺势退让到E位点上,然后从另一侧的转运RNA出口离开核糖体。
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这个过程循环往复,肽链就会不断延长,从上方的肽链出口钻出来,逐步折叠成细胞所需的一切蛋白质。
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相比中学生物教材,上面的介绍似乎要更加精致复杂一些,因为我们会在第四幕里追究一些更加深刻的问题。但即便如此,这样的描述仍然省去了太多的细节,略去了太多的辅助物质。然而,我们实在不必纠结那些细节和物质,因为我们只需记住,在这整个过程中,信使RNA、核糖体RNA以及转运RNA,它们的结构,它们发挥功能的机制,它们彼此配合的方式,在如今的每一个细胞内都是一样的。当然,这种一样不是说没有差异的绝对相同,进化当然会让不同类群的RNA产生一些自己的特征,但这些特征都是修饰性的,丝毫不能掩盖它们源自同一套原型的昭然事实,这就像不同的鸟有不同形状的喙和不同长度的腿,但其中的相似性也实在显著,毫无疑问是来自同一套原型。
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图2—52 翻译过程中一个循环结束的样子。仔细看,这其实与图2—50一模一样,只是整个核糖体向右前进了一个密码子,肽链也增加了一个氨基酸。(作者绘)
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我们发现,遗传密码、信使RNA、核糖体RNA以及转运RNA,乃至整个中心法则,都必然源自末祖,也就很可能源自第一个细胞——这毫无疑问就是我们在回溯之路上的又一条具体线索,恐怕也是最醒目的线索。
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所以我们已经看到,这条线索吸引了最广泛的注意,半个多世纪以来,任何一个科学的生命起源理论都倾注了大量的精力去寻找核酸与蛋白质的起源,构想它们二者是如何在40亿年前关联了起来,但是任何这样的构想都会不可避免地遇上一个恼人的难题。
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·先迈哪只脚?·
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这个恼人的难题就是分子生物学版的“先有鸡还是先有蛋”:
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最直接的问法是,核酸和蛋白质,到底谁先出现?
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乍看起来,蛋白质的氨基酸序列全都预存在核酸的碱基序列中,所以是先有核酸再有蛋白质。可再一看,中心法则的每一个箭头,又都是在各种蛋白质的催化之下才得以实现的,尤其是DNA的复制,竟然需要几十种蛋白质来协调,所以看来是先有蛋白质,再有核酸。
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更进一步,遗传和代谢,到底是谁先出现?
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在这一章的前半部分,我们用生命的信息描述了一切生命活动,当然也包括一切代谢活动,而生命的信息归根结底全都来自遗传,所以看来是先有遗传,后有代谢。但是简述了中心法则之后,我们又发现,只有代谢活动已经完善并确立,能维持物质和能量的恰当供应,整套遗传活动才能周而复始地循环起来。所以,是先有代谢,后有遗传。
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就这样,在探索生命起源的道路上,遗传和代谢究竟应该先迈哪只脚,似乎成了一个尴尬的死循环。
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但事实毕竟是事实,无论人类觉得多么困惑,总会有一个正确的答案。当我们对物种的进化有了充分的认识,“先有鸡还是先有蛋”就根本不再是个问题[13]。同样,我们会觉得“遗传先行还是代谢先行”是个死循环,也只是目光狭隘的结果。在20世纪60年代到70年代,人类沉浸在发现DNA双螺旋的喜悦中,顺理成章地把注意力全都集中在了DNA上,把DNA看作核酸的唯一代表。毕竟,在中心法则中,DNA存储了一切的遗传信息,而RNA只是在DNA和蛋白质之间“跑腿”的辅助角色而已。同时,我们也高估了蛋白质的复杂性,认为20种氨基酸的序列必定存在精密的模板。
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所以,当我们对细胞内部的世界有了越来越深刻的了解,有机大分子的奥秘越来越清晰地展现在我们面前,遗传与代谢的脚步也就渐渐有了章法,这让我们在探索和回溯的道路上接连不断地发现一条又一条宝贵的线索,循着它们越走越远。
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有关遗传先行的主张,我们已经在介绍白烟囱假说的章节的结尾处听闻了那个最热门的假说,“RNA世界假说”——DNA和蛋白质既然谁也离不开谁,那就一起都离开吧!
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这个假说之所以兴起,是因为我们观察到RNA具有一种可贵的“全能性”:它一方面能像DNA一样用碱基序列编码遗传信息,足以成为称职的遗传物质;另一方面能像蛋白质一样折叠出复杂的三维形态,并展现出丰富的催化活性。那么,在细胞诞生之前,或许就存在着一个奇妙的“RNA世界”,其中的RNA千变万化,既能互相催化复制,又能在此过程中遗传变异。后来时机渐渐成熟了,RNA才把遗传的任务交给了更加稳定的DNA,把催化的任务交给了更加多变的蛋白质,自己则功成身退,只负责中心法则的衔接任务了。
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毫无疑问,这是一个激动人心的假说,问世至今获得无数分子生物学上的事实的支持,在这本书中,我们将在第四幕中集中展示它的精彩表现。
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