DNA和遺傳密碼

孟德爾發(fā)現(xiàn)了生物的遺傳規(guī)律，摩爾根證明了控制生物遺傳和變異的基因是存在于染色體上的，遺傳學(xué)到這里是不是發(fā)展到頂點了呢?當(dāng)然不是，隨著人類科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和研究手段的改進(jìn)，科學(xué)家們又有了新的發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，染色體是由蛋白質(zhì)和核酸(主要是被稱為“DNA"的脫氧核糖核酸)組成的，那么，究竟是在蛋白質(zhì)上攜帶著遺傳信息呢，還是在DNA上攜帶著遺傳信息呢?這個問題難倒了不少科學(xué)家。最終，還是一位名叫艾沃瑞的科學(xué)家把這個問題解決了。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)對進(jìn)一步研究生命科學(xué)具有劃時代意義

為了解決這個問題，艾沃瑞設(shè)計了一個巧妙的實驗，叫做肺炎球菌轉(zhuǎn)化實驗，肺炎球菌能夠引起人的肺炎和小鼠的敗血病。肺炎球菌有很多種菌株，但是只有光滑型的菌株可以致病，這是因為它們外面包有一層保護(hù)性莢膜，可以防止它們被宿主的自身保護(hù)機(jī)構(gòu)所破壞。艾沃瑞和他的同事們將能致病的光滑型菌株的DNA、蛋白質(zhì)、莢膜分別分離出來，然后再分別同不能致病的粗糙型菌株一起注射到小鼠體內(nèi):他們發(fā)現(xiàn)，在這三組實驗中，只有注射了含有DNA組分的菌株才會使小鼠得病死亡，而其他兩組均不能使小鼠得病，注射以后的小鼠仍然能夠正常存活，體內(nèi)也監(jiān)測不到有光滑型的致病菌株的存在。這個實驗說明，只有DNA才能將粗糙型菌株變?yōu)槟苤虏〉墓饣途?，從而使小鼠得病死亡。為了更進(jìn)一步驗證這個結(jié)論，他們還把光滑型菌的DNA用特殊的酶處理，將DNA破壞掉，再同粗糙型不能致病的菌一同注射到小鼠體內(nèi)，小鼠也能正常生活，這兩個實驗充分說明，DNA才是真正的遺傳物質(zhì)，遺傳信息也攜帶在DNA上。

DNA是一種特別長的高分子化合物。它的立體結(jié)構(gòu)一直是科學(xué)家爭相研究的項目之一。美國的兩位科學(xué)家沃森(Waterson)和克里克(Crick)在1953年提出了DNA的雙螺旋立體結(jié)構(gòu)模型，并因此而獲得了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型為分子遺傳學(xué)和遺傳工程的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，其影響非常深遠(yuǎn)。

通常所見的DNA，從立體空間結(jié)構(gòu)上來看，很像一架繞著中軸線向右盤旋伸展的長梯子，梯子兩側(cè)為兩條核苷酸長鏈構(gòu)成的扶手，扶手由磷酸分子和脫氧核糖分子交替連接而成，并向中間伸出堿基，兩兩相連，構(gòu)成長梯的一個個橫檔。

DNA分子中的堿基共有四種，即腺嘌吟(A)、鳥嘌呤(C)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。這四種堿基以不同的順序排列，就控制了地球上幾乎所有生物的各種各樣的性狀。想不到，這么紛繁復(fù)雜、色彩斑斕的生物世界，竟然只是由這四種堿基決定的!這四種堿基中的兩個堿基彼此相連，構(gòu)成了DNA長梯的橫檔，這兩個堿基就稱為堿基對。所有DNA的堿基對的結(jié)合都是有一定規(guī)律的，即A只能與T互配成一對，C只能與C互配成一對。因此，在DNA中，堿基對都是A—T在一起，C—C在一起，很少出現(xiàn)例外的情況。

DNA分子在生物體內(nèi)具有什么樣的功能呢?首先，DNA分子能夠進(jìn)行自我復(fù)制，使得親代個體能將自己的DNA復(fù)制一份傳給子代，這樣就可以保持DNA在一代代個體中的穩(wěn)定性。其次，我們通常所說的基因，實際上就是DNA分子長鏈中的一個個片斷，每個DNA分子上具有很多個基因，一個基因就可以控制生物體的一種性狀?；蚩梢钥刂粕镔|(zhì)——蛋白質(zhì)的合成，使得親代性狀在后代的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上反映出來，并使后代表現(xiàn)出與親代相似的特征。正是由于DNA的這兩個重要的生理功能，才會出現(xiàn)“種瓜得瓜，種豆得豆”的現(xiàn)象。

DNA分子的自我復(fù)制過程是非常復(fù)雜的，其中牽涉到許多酶的活動，其復(fù)制的過程大體如下:一個DNA分子復(fù)制時，是一邊解螺旋，一邊復(fù)制的，即DNA分子兩條相互纏繞的長鏈，就像一條拉鏈一樣，從每個堿基對的中間分開，形成兩條單鏈，我們稱之為母鏈;然后每條母鏈按照A—T、C—C的堿基配對規(guī)則，以每條母鏈作為合成子鏈的模板，從周圍環(huán)境中選擇合適的堿基和其他成分，形成了與兩條母鏈分別相互對應(yīng)的子鏈;與此同時，每條母鏈同與自己相對應(yīng)的子鏈結(jié)合，形成了與原來DNA分子一模一樣的子代DNA分子。

DNA分子控制蛋白質(zhì)的合成這個過程也是極其復(fù)雜的，其中還需要另外一種核酸作為“中間人”才能完成，這種核酸叫做核糖核酸，一般稱為“RNA”。RNA分子是一條單鏈，形狀很像一條拆開的單鏈DNA分子:遺傳信息的傳遞就是從DNA經(jīng)由RNA，再按照遺傳密碼的規(guī)則，將氨基酸有順序地排列、連接在一起，合成蛋白質(zhì)，并將遺傳信息表現(xiàn)在這種蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序上。

什么是遺傳密碼?這是一個大家都非常感興趣的問題。

科學(xué)家們早已揭示，在生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成過程中，RNA上的三個堿基能夠決定一個氨基酸，這就是遺傳密碼，決定一個氨基酸的三個堿基就稱為一個密碼子。就這樣，經(jīng)過了許多科學(xué)家的努力，大自然終于向人類展示了由RNA合成蛋白質(zhì)過程中的最大的機(jī)密。經(jīng)過多個實驗室的科學(xué)家的共同測定，我們已經(jīng)明確了很多遺傳密碼的確切含義。例如UCU代表絲氨酸，CUU代表亮氨酸，GGU代表甘氨酸，CCA代表脯氨酸等等。現(xiàn)在我們已經(jīng)將決定20種氨基酸的所有密碼子都測定出來了，科學(xué)家們將這些密碼子編成了一本十分獨特的字典——遺傳密碼字典。在這本字典中有64個密碼子，在這64個密碼子中，AUG密碼子不僅是蛋氨酸的密碼子，而且也代表著蛋白質(zhì)合成的起始信號，沒有它，蛋白質(zhì)的合成就不能開始;UAA、UAG和UGA三個密碼子是蛋白質(zhì)合成的終止密碼，是終止蛋白質(zhì)合成的紅色信號燈，它們?nèi)齻€不代表任何氨基酸。

雖然遺傳密碼詞典不是很大，但是，它卻幾乎控制著生物界中所有生物的蛋白質(zhì)合成，我們所得到的這本詞典，在整個生物界都是通用的，不管是植物、動物還是微生物，它們幾乎都使用同樣的遺傳密碼，來合成自身的蛋白質(zhì)。

生物體生長發(fā)育的過程中，細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)DNA經(jīng)過復(fù)制，將遺傳信息傳遞給了子代，這樣就使得子代能夠保持親本的性狀。但是，由于許多外部或者內(nèi)部的原因，使得DNA在復(fù)制的過程中，堿基對的排列順序發(fā)生了改變，這樣就會使子代在某些性狀上發(fā)生了改變，這就是基因突變。

造成生物遺傳性狀發(fā)生改變的還有一個原因，那就是染色體發(fā)生了變異。染色體變異包括細(xì)胞中染色體成倍的增加或減少，以及細(xì)胞中某條染色體增加或減少。在高等植物體內(nèi)，一半以上的植物是含有兩組染色體的，稱為二倍體。但是也有許多植物細(xì)胞中含有兩對或兩對以上的染色體，這樣的植物就叫做多倍體植物。多倍體植株一般葉片、果實和籽粒都比較大，但是結(jié)實率較低，發(fā)育延遲，我們可以通過人工誘導(dǎo)多倍體植物的產(chǎn)生，并再運用其他手段對多倍體植物進(jìn)行改造，來培育新的植物品種。