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和遗传密码

时间:2023-10-19 百科知识 版权反馈
【摘要】:孟德尔发现了生物的遗传规律,摩尔根证明了控制生物遗传和变异的基因是存在于染色体上的,遗传学到这里是不是发展到顶点了呢?当然不是,随着人类科学技术的进步和研究手段的改进,科学家们又有了新的发现。
和遗传密码_生机百态的植物世

DNA和遗传密码

孟德尔发现了生物的遗传规律,摩尔根证明了控制生物遗传和变异的基因是存在于染色体上的,遗传学到这里是不是发展到顶点了呢?当然不是,随着人类科学技术的进步和研究手段的改进,科学家们又有了新的发现。

科学家们发现,染色体是由蛋白质和核酸(主要是被称为“DNA"的脱氧核糖核酸)组成的,那么,究竟是在蛋白质上携带着遗传信息呢,还是在DNA上携带着遗传信息呢?这个问题难倒了不少科学家。最终,还是一位名叫艾沃瑞的科学家把这个问题解决了。

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DNA双螺旋结构的发现对进一步研究生命科学具有划时代意义

为了解决这个问题,艾沃瑞设计了一个巧妙的实验,叫做肺炎球菌转化实验,肺炎球菌能够引起人的肺炎和小鼠的败血病。肺炎球菌有很多种菌株,但是只有光滑型的菌株可以致病,这是因为它们外面包有一层保护性荚膜,可以防止它们被宿主的自身保护机构所破坏。艾沃瑞和他的同事们将能致病的光滑型菌株的DNA、蛋白质、荚膜分别分离出来,然后再分别同不能致病的粗糙型菌株一起注射到小鼠体内:他们发现,在这三组实验中,只有注射了含有DNA组分的菌株才会使小鼠得病死亡,而其他两组均不能使小鼠得病,注射以后的小鼠仍然能够正常存活,体内也监测不到有光滑型的致病菌株的存在。这个实验说明,只有DNA才能将粗糙型菌株变为能致病的光滑型菌株,从而使小鼠得病死亡。为了更进一步验证这个结论,他们还把光滑型菌的DNA用特殊的酶处理,将DNA破坏掉,再同粗糙型不能致病的菌一同注射到小鼠体内,小鼠也能正常生活,这两个实验充分说明,DNA才是真正的遗传物质,遗传信息也携带在DNA上。

DNA是一种特别长的高分子化合物。它的立体结构一直是科学家争相研究的项目之一。美国的两位科学家沃森(Waterson)和克里克(Crick)在1953年提出了DNA的双螺旋立体结构模型,并因此而获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖。DNA的双螺旋结构模型为分子遗传学和遗传工程的发展奠定了理论基础,其影响非常深远。

通常所见的DNA,从立体空间结构上来看,很像一架绕着中轴线向右盘旋伸展的长梯子,梯子两侧为两条核苷酸长链构成的扶手,扶手由磷酸分子和脱氧核糖分子交替连接而成,并向中间伸出碱基,两两相连,构成长梯的一个个横档。

DNA分子中的碱基共有四种,即腺嘌吟(A)、鸟嘌呤(C)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)。这四种碱基以不同的顺序排列,就控制了地球上几乎所有生物的各种各样的性状。想不到,这么纷繁复杂、色彩斑斓的生物世界,竟然只是由这四种碱基决定的!这四种碱基中的两个碱基彼此相连,构成了DNA长梯的横档,这两个碱基就称为碱基对。所有DNA的碱基对的结合都是有一定规律的,即A只能与T互配成一对,C只能与C互配成一对。因此,在DNA中,碱基对都是A—T在一起,C—C在一起,很少出现例外的情况。

DNA分子在生物体内具有什么样的功能呢?首先,DNA分子能够进行自我复制,使得亲代个体能将自己的DNA复制一份传给子代,这样就可以保持DNA在一代代个体中的稳定性。其次,我们通常所说的基因,实际上就是DNA分子长链中的一个个片断,每个DNA分子上具有很多个基因,一个基因就可以控制生物体的一种性状。基因可以控制生命物质——蛋白质的合成,使得亲代性状在后代的蛋白质结构上反映出来,并使后代表现出与亲代相似的特征。正是由于DNA的这两个重要的生理功能,才会出现“种瓜得瓜,种豆得豆”的现象。

DNA分子的自我复制过程是非常复杂的,其中牵涉到许多酶的活动,其复制的过程大体如下:一个DNA分子复制时,是一边解螺旋,一边复制的,即DNA分子两条相互缠绕的长链,就像一条拉链一样,从每个碱基对的中间分开,形成两条单链,我们称之为母链;然后每条母链按照A—T、C—C的碱基配对规则,以每条母链作为合成子链的模板,从周围环境中选择合适的碱基和其他成分,形成了与两条母链分别相互对应的子链;与此同时,每条母链同与自己相对应的子链结合,形成了与原来DNA分子一模一样的子代DNA分子。

DNA分子控制蛋白质的合成这个过程也是极其复杂的,其中还需要另外一种核酸作为“中间人”才能完成,这种核酸叫做核糖核酸,一般称为“RNA”。RNA分子是一条单链,形状很像一条拆开的单链DNA分子:遗传信息的传递就是从DNA经由RNA,再按照遗传密码的规则,将氨基酸有顺序地排列、连接在一起,合成蛋白质,并将遗传信息表现在这种蛋白质的氨基酸排列顺序上。

什么是遗传密码?这是一个大家都非常感兴趣的问题。

科学家们早已揭示,在生物体内蛋白质的合成过程中,RNA上的三个碱基能够决定一个氨基酸,这就是遗传密码,决定一个氨基酸的三个碱基就称为一个密码子。就这样,经过了许多科学家的努力,大自然终于向人类展示了由RNA合成蛋白质过程中的最大的机密。经过多个实验室的科学家的共同测定,我们已经明确了很多遗传密码的确切含义。例如UCU代表丝氨酸,CUU代表亮氨酸,GGU代表甘氨酸,CCA代表脯氨酸等等。现在我们已经将决定20种氨基酸的所有密码子都测定出来了,科学家们将这些密码子编成了一本十分独特的字典——遗传密码字典。在这本字典中有64个密码子,在这64个密码子中,AUG密码子不仅是蛋氨酸的密码子,而且也代表着蛋白质合成的起始信号,没有它,蛋白质的合成就不能开始;UAA、UAG和UGA三个密码子是蛋白质合成的终止密码,是终止蛋白质合成的红色信号灯,它们三个不代表任何氨基酸。

虽然遗传密码词典不是很大,但是,它却几乎控制着生物界中所有生物的蛋白质合成,我们所得到的这本词典,在整个生物界都是通用的,不管是植物、动物还是微生物,它们几乎都使用同样的遗传密码,来合成自身的蛋白质。

生物体生长发育的过程中,细胞核中的遗传物质DNA经过复制,将遗传信息传递给了子代,这样就使得子代能够保持亲本的性状。但是,由于许多外部或者内部的原因,使得DNA在复制的过程中,碱基对的排列顺序发生了改变,这样就会使子代在某些性状上发生了改变,这就是基因突变。

造成生物遗传性状发生改变的还有一个原因,那就是染色体发生了变异。染色体变异包括细胞中染色体成倍的增加或减少,以及细胞中某条染色体增加或减少。在高等植物体内,一半以上的植物是含有两组染色体的,称为二倍体。但是也有许多植物细胞中含有两对或两对以上的染色体,这样的植物就叫做多倍体植物。多倍体植株一般叶片、果实和籽粒都比较大,但是结实率较低,发育延迟,我们可以通过人工诱导多倍体植物的产生,并再运用其他手段对多倍体植物进行改造,来培育新的植物品种。

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