（三）核酸與遺傳信息

酶在生命活動中有如此巨大的作用！可以說，沒有酶，就沒有生命。但酶又是從哪里來的呢？研究證明，酶是在遺傳信息的指令下合成的。這種遺傳信息以密碼形式編排在核酸分子上。

遺傳信息是同生命活動密切相關的一種特殊的信息系統(tǒng)。每一種生物儲存在核酸中的遺傳信息，好似這種生物的施工藍圖。生物按照這個施工藍圖，完成生長、發(fā)育、生殖、衰老、死亡的全過程。人類從一個受精卵細胞，發(fā)育成由約100萬億個細胞構(gòu)成的具有執(zhí)行各種功能的器官的人，并經(jīng)歷兒童、少年、青年、壯年、老年各個時期。這個復雜萬分的過程，就是在受精卵里的核酸分子（其大小只有頭發(fā)絲的四萬分之一）的遺傳信息的指令下進行的。那么復雜的過程，在那么小的“司令部”的指揮下，有條不紊地工作，使你不能不為生物界精巧的結(jié)構(gòu)驚嘆不已！

核酸分子有什么巧妙之處，使它能夠擔負起如此浩繁的任務呢？

圖1 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)

前面講過，核酸分為兩大類：一類叫去氧核糖核酸，英文縮寫是DNA；一類叫核糖核酸，英文縮寫是RNA。其中DNA研究得比較詳細，是遺傳的主要物質(zhì)基礎。DNA是什么東西？為什么能夠儲存那么復雜的遺傳信息呢？DNA分子是由兩股長長的、互相盤繞的鏈組成的一種雙螺旋結(jié)構(gòu)（見圖1）。它的每一股都由四種核苷酸一個接一個地排列組合而成，其首尾相連，形狀有些像火車車廂。同時，這兩股長鏈又是互補的。何謂互補呢？就是說，兩條核苷酸鏈中的每一對核苷酸之間，有一種一定的對應關系。四種不同類型的核苷酸，可以用四種符號來代表：A、T、G、C。這條核苷酸鏈上的核苷酸單體如果是A，另一條核苷酸單體一定是T。也就是說，A同T有對應關系。同時，G和C也有對應關系。組成DNA的核苷酸雖然只有四種，但這四種核苷酸單體在核苷酸鏈上，通過不同的排列組合，卻可容納極大的信息量。DNA的分子量是很大的。大腸桿菌的DNA分子由800萬個核苷酸單體組成。人的一個細胞里23對染色體的全部DNA分子中，包含了約58億個核苷酸單體（29億對）。

由四種核苷酸、數(shù)十萬到數(shù)千萬個核苷酸單體組成的DNA分子，是怎樣儲存遺傳信息的呢？我們怎樣識別每一種生物畫在DNA分子上的施工藍圖呢？

現(xiàn)代分子遺傳學的研究，已經(jīng)初步揭開了DNA分子儲存遺傳信息之謎。原來，每一種生物的施工藍圖，每一種生物的遺傳信息，都是以密碼的形式編排在DNA分子長長的核苷酸鏈上的。這種遺傳密碼，是由四種核苷酸的不同排列次序構(gòu)成的。DNA分子上的兩條鏈，就像兩條長長的電報紙一樣，以核苷酸的不同排列組合“書寫”著奇妙的密電碼。生物遺傳密碼體系的密碼符號，是由代表四種核苷酸單體的符號A、T、G、C組成的，猶如電報的密碼符號是由長聲和短聲兩種訊號組成的一樣。A、T、G、C通過不同的排列組合，形成密碼子。遺傳密碼是由三聯(lián)體組成的，三個密碼符號組成一個密碼子，代表著一種氨基酸。這正如電報的長、短聲組成一個四聯(lián)體，由長長短短、長短長短等構(gòu)成密碼子，每一個密碼子代表一個阿拉伯字一樣。由于遺傳密碼的密碼訊號有四個，由這四個密碼訊號可以構(gòu)成4³=64個三聯(lián)體，即64個密碼子?？茖W家已經(jīng)通過實驗搞清楚了這64個密碼子的意義（每一種密碼子代表的氨基酸）。表1是科學家們編制的遺傳密碼字典。

表1 遺傳密碼字典

續(xù)表1

這本密碼字典，是科學家們通過耐心細致的工作，從各方面找到了證據(jù)，于1966年在20世紀60年代初期的密碼字典基礎上修訂而成的。

怎么讀這本別致的字典呢？你不用擔心難以讀懂，它比世界上任何一種字典都好讀。其讀法是，左邊為第一個字母，上邊為第二個字母，右邊為第三個字母。你看，照這個順序讀去，你就能隨意讀出UUU代表苯丙氨酸，CUU代表亮氨酸，AUU代表異亮氨酸，GUU代表纈氨酸。

組成天然蛋白質(zhì)的20種氨基酸，均可這樣從密碼字典中找出對應的密碼子。也許你會問，既然只需代表20種氨基酸的20個密碼子，就可完成編制遺傳密碼的任務，為什么會有64個密碼子呢？看一看密碼字典你就會知道，有幾個密碼子同時代表一種氨基酸。如UUU、UUC，翻譯成氨基酸，都是苯丙氨酸。UUA、UUG、CUU、CUC、CUA、CUG都代表亮氨酸。

就這樣，通過DNA上不同的核苷酸排列次序，決定了合成具有不同的氨基酸排列次序的各種蛋白質(zhì)。如果我們仔細想一想，就會發(fā)現(xiàn)，這其中還有一些矛盾。DNA分子由幾十萬、幾百萬甚至幾千萬個核苷酸組成，而蛋白質(zhì)分子一般只由幾十到幾百個氨基酸單位組成。如果DNA分子上的核苷酸符號組成的遺傳密碼一氣翻譯下去，合成出來的蛋白質(zhì)分子就大得可怕了。因此，這本密碼字典上，還有一個翻譯成蛋白質(zhì)的起讀符號，三個蛋白質(zhì)合成的終止符號——句號。AUG這個密碼子既代表甲硫氨酸和甲酰甲硫氨酸，又是起讀符號。UAA、UAG、UGA則是蛋白質(zhì)合成的終止符號——句號。

當核酸分子上的遺傳信息發(fā)出合成蛋白質(zhì)的指令時，遇到起讀符號AUG，一個蛋白質(zhì)分子的合成就開始了。接著，按照AUG后面的三聯(lián)體密碼子的指令，一個又一個氨基酸排列到模板上去。一遇句號（蛋白質(zhì)合成的終止訊號）UAA、UAG、UGA，這個蛋白質(zhì)分子的合成就終止了。

也許你還會提出一個疑問。前面講過，DNA分子是由A、T、G、C四種核苷酸組成的，而在這里講的密碼字典不見T這個符號，鉆出來的卻是一個從不認識的U。這是為什么呢？原來，蛋白質(zhì)的合成實際上不是直接用DNA為模板合成的，而是在DNA的副本——一種叫做信使RNA的核糖核酸的指令下合成的。組成RNA的核苷酸單體也是四種，分別用A、U、G、C來代表。RNA沒有T，卻有U。DNA和RNA上的核苷酸，由于其化學結(jié)構(gòu)的特點，A總是與T起化學反應。以DNA為模板，通過這種配對反應，DNA上的一定的核苷酸次序，就變成了信使RNA上的核苷酸順序。DNA的遺傳信息，通過這種轉(zhuǎn)錄過程，流到了RNA。在RNA上的遺傳信息指令下，合成蛋白質(zhì)。特殊蛋白質(zhì)——酶，催化各種生化反應，形成不同的性狀。這就是DNA上的遺傳信息變成性狀的簡要過程。當然，實際上，這個過程還要復雜得多，其中還有各種有關的物質(zhì)參與。對這些問題，這里就不詳述了。

科學家們正在努力編制各種生物排列在DNA分子上的遺傳密碼圖。他們首先搞清了一個最簡單的生物——極小病毒φ×174噬菌體的遺傳密碼圖。借助遺傳密碼字典，就能翻譯出遺傳密碼圖的起碼含意：合成氨基酸、多肽、蛋白質(zhì)，包括酶的信息。生物的遺傳密碼圖，既簡單又復雜。說它簡單，是指不管這張圖有多么復雜的一片密密麻麻的符號，但這種符號只有四種，它只不過具有巧妙的編碼方式罷了。說它復雜，是指每一個DNA分子上具有極多的密碼符號，少則上萬，多則幾千萬。φ×174DNA算是極小的了，但也有5375個密碼符號。如果要展示典型的單細胞細菌的染色體DNA的密碼排列次序，得像φ×174DNA的核苷酸排列次序一樣，寫上2 000頁左右。如果要展示一個哺乳動物細胞的DNA分子的核苷酸排列次序，大概要寫100萬頁。

此外，也許你還會提這樣一個問題：A、T、U、G、C，這么簡單的幾個符號，怎么可能奏出如此絢麗多彩的生命進行曲呢？如果你想一想七個音符可以構(gòu)成復雜動聽的樂曲，長短二聲可以拍發(fā)含義復雜的電報，二十幾個字母可以組成一國文字的話，你就不會驚訝了。不過，我們還是來做一下數(shù)學運算吧！數(shù)學是最有說服力的工具。

我們已經(jīng)知道，性狀的多樣性是由生化反應的多樣性決定的。生化反應的多樣性又是由酶的多樣性決定的。那么，由A、T、U、G、C這幾個符號構(gòu)成的遺傳密碼體系，可能儲存多少種酶的信息呢？酶是一個蛋白質(zhì)，它是由成百上千個氨基酸單位組成的。雖然組成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，但由于組成蛋白質(zhì)的氨基酸個數(shù)很多，因而可以形成極多的不同種類的蛋白質(zhì)。假設有一個含290個氨基酸單位、包含12種氨基酸、分子量為35000的蛋白質(zhì)分子，再假定這個蛋白質(zhì)分子沒有支鏈，只有一個長的肽鏈，可以算出，這樣組成的蛋白質(zhì)分子可能有10³⁰⁰個同分異構(gòu)體。氨基酸的排列順序不同，其功能也就各異。這樣組成的蛋白質(zhì)分子種類就可多達10³⁰⁰種。當然，蛋白質(zhì)不是沒有支鏈的，因此，其排列方式還要比10³⁰⁰大得多。請扳起指頭算一算，這個10³⁰⁰（10后面加300個零），是一個多么大的數(shù)字？由此可見，A、T、U、G、C這幾個簡單的符號，雖然只控制了二十種氨基酸合成蛋白質(zhì)時的排列順序，但這種不同的排列順序就可能合成出以天文數(shù)字計算的多種類的蛋白質(zhì)（包括酶）。既然以這種方式編碼的遺傳信息系統(tǒng)的指令合成的蛋白質(zhì)（包括酶）有如此多的種類，自然界出現(xiàn)千姿百態(tài)的生物類群、精巧萬分的各種性狀，就是不難理解的事了。

最后，我們還要探索一下有關遺傳信息的另一個問題。遺傳信息是不是只儲存在生殖細胞里呢？從病毒、動植物到人，遺傳信息以密碼形式編排在核酸上的規(guī)律是一樣的嗎？

實驗證明，不僅僅是生殖細胞里含有一整套遺傳信息，而且絕大多數(shù)的體細胞里也含有一整套遺傳信息。只不過，不同部位里的體細胞內(nèi)的遺傳信息，在一般情況下，只使用其中的一小部分。其余的遺傳信息被封閉起來，不起作用。但是，只要我們找到了方法使這些細胞里的遺傳信息啟動，每一個細胞（不必一定是生殖細胞，生殖細胞也不必經(jīng)過精卵結(jié)合）就能發(fā)育成一個完整的個體，并經(jīng)歷生長、發(fā)育、衰老、死亡的全過程。前邊講的無性繁殖、孤雌生殖、單倍體育種的許多成功的實驗就是證據(jù)。

此外，實驗還證實，從最低等的生物——病毒，到最高等的生物——人，其組成遺傳密碼體系的密碼子，從編碼方式、轉(zhuǎn)錄翻譯方式及代表的生物結(jié)構(gòu)和功能特征都基本上是一樣的。前面，我們講了體細胞雜交。人的細胞同蚊子的細胞，人的細胞同老鼠的細胞，甚至同植物的細胞，為什么能進行雜交呢？這難道不是因為它們的密碼體系是一樣的，可以進行遺傳信息的交流嗎？我們的分子遺傳工程得以進行，也是一個證據(jù)。后面，將談到核酸分子的雜交技術(shù)，證實人、動物、植物、細菌、病毒之間均可以進行分子水平的雜交和遺傳信息的交流。如果各種生物的遺傳信息以密碼形式編排在DNA分子上的規(guī)律不一樣，很難設想，這些生物之間可以進行分子水平的雜交、遺傳信息的交流。