雙螺旋結構中心法則,他們解密了基因密碼,我們的科技才高速發展

2020-10-03 河農碼麥猿

從宇宙大爆炸,到元素生成,再到物質合成,以至於隨後的生命誕生。整個宇宙像是一個反應爐,裡面發生著不可思議的反應。這些反應就像按照提前設好的程序一樣,在某個時間,某個循環,執行某行代碼,某條邏輯。仔細琢磨,我們在孩童時候,都是在大概年齡段開始換牙。這便是基因表達具有時間和空間的特性。生命存在意義一直是人類思考的問題,而要了解生命存在的意義又必須要了解生命的本質。而生命的本質如何去探究,這必然要藉助科技的發展。

宇宙與生命

1869年,瑞士醫生弗雷德裡希·米歇爾用顯微鏡好奇地研究廢棄繃帶裡所殘留的膿液。這一看不得了,在細胞核中存在一些物質,當時雖不清楚究竟是什麼,但起個名字還是很輕鬆。於是「核素」(nuclein)便誕生了。在這之後幾十年間,人類的科研同步發展。關於遺傳物質的本質的發現時間線並不統一。

弗雷德裡希·米歇爾與核素

五十年後,也就是1919年,菲巴斯·利文進一步辨識出組成脫氧核糖核酸的鹼基、糖類以及磷酸核苷酸單元,在他看來脫氧核糖核酸可能是許多核苷酸經由磷酸基團的聯結,而串聯在一起。不過他所提出概念中,脫氧核糖核酸長鏈較短,且其中的鹼基是以固定順序重複排列。而到了1937年,一張X光衍射圖闡明了脫氧核糖核酸結構的規律性,那人便是威廉·阿斯特伯裡。

其實在1928年,我們中學時代生物書裡最經典的實驗就已經實現。弗雷德裡克·格裡菲斯從格裡菲斯實驗中發現,將已死的平滑型與粗糙型活體混合在一起,平滑型的肺炎球菌能轉變成為粗糙型的同種細菌,這種現象稱為「轉型」。但直到1943年, 奧斯瓦爾德·埃弗裡等人才明白脫氧核糖核酸才是造成「轉型」現象的因子。


肺炎雙球菌實驗

1953年,核酸分子結構精確模型誕生了。這可以稱得上是現代分子生物學的裡程碑研究進展。當時在卡文迪許實驗室的詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克裡克,依據倫敦國王學院的羅莎琳·富蘭克林所拍攝的X光衍射圖及相關數據模擬出來。隨後富蘭克林與葛斯林提出了A型與B型脫氧核糖核酸雙螺旋結構之間的差異。1962 諾貝爾生理學或醫學獎便授予他們。

詹姆斯·沃森與佛朗西斯·克裡克

1957年的中心法則,預測了脫氧核糖核酸、RNA以及蛋白質之間的關係,並闡述了「轉接子假說」(即後來的tRNA)。次年,馬修·梅塞爾森與富蘭克林·斯塔爾在梅塞爾森-斯塔爾實驗中,確認了脫氧核糖核酸的複製機制。後來克裡克團隊的研究顯示,遺傳密碼是由三個鹼基以不重複的方式所組成,稱為密碼子。這些密碼子所構成的遺傳密碼,最後是由哈爾·葛賓·科拉納、羅伯特·W·霍利以及馬歇爾·沃倫·尼倫伯格解出,一共有64種組合。這些發現代表了分子生物學的誕生。

中心法則

其實關於遺傳密碼的組合方式早在我國傳統文化《周易》中得到過論述。從天地的自然現象來講,太極生兩儀,兩儀生四象,四象生八卦,八卦生六十四卦。在自然事物方面來說,六十四卦便是六十四種物象。在生命科學領域裡,無論物種有多少類別,其遺傳密碼組合也是六十四種。生物體內遺傳物質分為脫氧核糖酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。DNA和RNA中的磷酸是沒有區別的,但糖卻分為核糖和脫氧核糖。DNA和RNA分別具有四種鹼基,兩種糖可得八種,三個鹼基決定一個密碼子,八種鹼基取三個排列組合得到64種。

古人和現代人對宇宙以及生命的思考方式不同。雖說一個是文化,一個是科技,但是現代科技文明的發展離不開古代文化的積累。生命誕生的秘密終究會被人類所解開。

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  • DNA雙螺旋結構發現前前後後(圖)
    今天,當我們翻開群星璀璨的生物學史冊時,不能不對J.沃森(JinWatson)、F.克裡克(FrancisCrick)的傑出貢獻,予以格外關注。50年前,正是這兩位科學巨匠提出了DNA雙螺旋結構模型的驚世發現,揭開了分子生物學的新篇章。如果說十九世紀達爾文進化論在揭示生物進化發展規律、推動生物學發展方面,具有裡程碑意義的話,那麼,DNA雙螺旋結構模型的提出,則是開啟生命科學新階段的又一座裡程碑。
  • 雙螺旋背後的幽靈
    我們會說:因為他們遺傳了父母的不同基因。然而,真要科學家指著一樣東西說:「這就是基因」,是件困難事。直接呈現在科學家眼前的,是一段以雙螺旋結構纏繞起來的DNA長鏈。基因,科學家傳統的理解是:把DNA長鏈分割成無數個片段,每一小段就是一個基因。那麼分割的依據是什麼呢?不同階段有不同看法。現代生命科學發展至今,基因像隱藏在DNA雙螺旋背後的幽靈,始終沒有揭下其神秘的面紗。
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  • DNA雙螺旋結構的發現
    當然,現在我們知道核酸就像一本書,所有的書看起來外形都差不多,但裡面的內容可是截然不同。直到1950年,美國生化學家查蓋夫(Erwin Chargaff)採用紙層析、分光光度法等精確測定了多種生物的鹼基組成,才徹底推翻「四核苷酸假說」,並提出「查蓋夫規則」,即在任何DNA中,A=T,G=C,所以有A+G=T+C。這成為雙螺旋模型中鹼基互補配對原則的基礎。
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    原標題:RNA也有雙螺旋結構 poly(rA)雙螺旋結構  本報駐加拿大記者 馮衛東  今日視點  1953年,弗朗西斯·克裡克和詹姆斯·沃森發現了脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結構。雖然其在通常情況下是單鏈的,但是某些RNA序列也能像DNA一樣形成雙螺旋結構。  1961年,亞歷山大·裡奇、大衛·戴維斯、沃森以及克裡克提出假說,被稱為poly(rA)的RNA可形成一種平行鏈的雙螺旋結構。
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    DNA雙螺旋結構是初中生都知道的生物知識,但科學界這次發現了全新的結構,並發表在《自然化學》雜誌上。DNA雙螺旋結構的發現證實了我們的遺傳密碼是以更複雜的對稱性製造的,這些分子變體的形式影響我們的生物學功能。「大多數人想到DNA時,首先想到的是雙螺旋,這項新研究提醒我們,存在完全不同的DNA結構,對我們的細胞很重要。」
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