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[2]这对于现代的细胞膜来说非常困难,因为核苷酸和氨基酸的极性都很强,很难自由渗透穿过磷脂双分子层,但是对于原始细胞膜,事情就会非常不同,但我们要到第五幕里才具体讨论一些实验成果。实际上,这里只是简略地“预支”了一些第五幕的内容,如果你对这些原始细胞膜的讲述还有更多困惑,那么都可以带到第五幕去。
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[3]不必担心不同的基因会头尾相连而混在一起,因为病毒的基因组会在不同的基因之间插入一些分隔性的序列,让每个基因都能被单独复制下来。另外,也有某些病毒,比如乙肝病毒和HIV,就非常节省碱基,不同的基因可以有重叠的序列。
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[4]这在分子生物学上被称为双螺旋的“构想”。就目前而言,自然界的核酸至少有A、B、Z三种构想,其中A构想和B构想都是右旋的,对应图4—23中的左边和右边,Z构想是左旋的。另外,任何两种构想都没有绝对的界限,可以在不同的条件下互相转化,图中的两种构想都是理想化的极端情形,真实的双螺旋都介于二者之间。
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[5]稍具体地说,“尿嘧啶-DNA糖苷酶”(uracil-DNA glycosylase)会沿着DNA巡逻,一旦发现碱基U,就把碱基与脱氧核糖之间的糖苷键切断,让这个错误的碱基脱落。然后,另一个沿着DNA巡逻的“无嘌呤且无嘧啶内切酶”(AP endonucleases)会发现这里缺个碱基,于是把这一处的磷酸脱氧核糖骨架也切出一个豁口。接着,DNA聚合酶会跟过来,把一个“磷酸脱氧核糖胸腺苷”,也就是带有碱基C的DNA单体,补进这个豁口,恢复正常的碱基配对。最后,沿着DNA巡逻的“DNA连接酶”会把这个豁口两端的磷酸脱氧核糖骨架连接起来。终于一切正常了。
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[6]我们在第六章的第二篇“延伸阅读”里提到过这种机制。
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[7]这里说“绝少”,是因为某些RNA确实会被修饰出一个T碱基来。比如转运RNA,仔细观察图4—9,你会发现那上面就有一个特立独行的T,我们会在之后的章节里遇到它们。
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[8]时至今日,仍然有一些专门感染细菌的病毒在使用含碱基U的DNA,比如谷草杆菌噬菌体φ29,它们会专门合成一种蛋白质,破坏枯草杆菌那种针对C-U突变的修复系统,然后用U碱基的DNA编码自己的基因组。
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[9]这个酪氨酸并不是独立的氨基酸,而是核糖核苷酸还原酶的多肽链上的一个酪氨酸残基,下面的几个氨基酸也都是这样的氨基酸残基,这里只是为表述清晰而去掉了“残基”二字。
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生命的起源:所有生命的共同祖先在40亿年前是怎样诞生的? 第十六章遗传密码的秘密
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遗传密码是哪里来的?
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在整个中心法则当中,遗传密码,也就是核酸上的64种碱基序列与20种标准氨基酸的对应规则,无疑是最复杂的那一部分。那么,遗传密码源自何处,就成了一个重要且困扰人的问题。
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但随着分子生物学研究的不断推进,我们渐渐地在遗传密码中发现了一些值得重视的规律,不同的研究者从不同的角度解读这些规律,得出了不同的遗传密码起源假说。特别应该重视的是,一些新兴的假说更加重视碱基序列与氨基酸在化学层面的直接联系,提出各种氨基酸很可能就是这些碱基催化羧酸的产物,这给解释转运RNA的起源提供了新的思路。
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在第六章里,我们很认真地讨论了“生命的信息”与“遗传信息”。如今一切生命的一切性状都由蛋白质的形态和功能决定,蛋白质的形态和功能由氨基酸的序列决定,至于蛋白质拥有怎样的氨基酸序列,则又由核酸中的碱基序列决定,世代相传。
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碱基序列与氨基酸的对应方式,就被我们称为“遗传密码”。在很大程度上,遗传信息与遗传密码的关系就像语言和书写系统的关系——遗传信息已经在地球上绵延了40亿年,遗传密码也已经被生命沿用了40亿年。
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而这也正是所有生命起源假说都不得不面对的最艰巨的难题:40亿年前,碱基序列是如何与氨基酸建立起严格的对应关系,形成遗传密码的?RNA根据遗传密码催化合成蛋白质的复杂系统,又是如何建立起来的?
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·冻结的偶然?·
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遗传密码是碱基序列与氨基酸的对应方式。具体来说,就是碱基每3个一组,构成一个“密码子”,对应1种氨基酸。碱基一共有4种,可以形成64个密码子,而细胞直接用于合成蛋白质的标准氨基酸却只有20种,所以遗传密码必然有所冗余,大部分的氨基酸都对应了多个密码子——这些内容已在第六章里详细讲述过。
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图2—44就是标准密码子的图示,所有已知的细胞和病毒,都是根据它建立碱基序列和氨基酸的对应关系的。这显然是一份来自末祖的遗产,也是我们追溯遗传密码起源的最重要的第一手资料。
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面对这样一份标准遗传密码,我们萌生的第一个疑问当然就是“密码子与氨基酸为什么会有这样的对应关系”,比如说,“GGU”为什么对应甘氨酸,“CUU”为什么对应亮氨酸,“GAG”为什么对应谷氨酸?
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对此,第一个重要的意见来自弗朗西斯·克里克,他是遗传学奠基时代的灯塔人物。1953年,他与富兰克林等人共同发现了DNA的双螺旋和碱基互补配对原则。1957年,他提出了中心法则的标准流程[1]。1961年,他又确定了密码子是3个碱基一组,连续且不重叠。在此基础上,1966年,人类破解了全部遗传密码,才得到了上面那份标准遗传密码。
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1968年,面对这份标准遗传密码,弗朗西斯·克里克提出,它的起源只是个偶然。碱基序列与氨基酸反正得有个对应关系,不是这样也得是那样,在生命诞生的极早期,不同的元祖完全可以有各不相同的遗传密码。但只有极少数幸运的元祖留下了存活至今的后代,如今所有的生命越发可能只来自同一个最幸运的末祖,当然就都偶然继承了其中的某一套遗传密码。而遗传密码又是遗传的根本,任何微小的变动都可能把所有遗传信息变成乱码。所以,这个偶然就被后世的每一个细胞严格固定下来,墨守成规,历经40亿年的进化也绝难改变。反过来,如果当年是别的元祖发展成了延续至今的生命,标准密码子就会是另一副模样了。
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原本只是一个偶然,但偶然在至关重要的地方,一旦发生就无法改变——这被克里克形象地称为“冻结偶然假说”I。
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