《生命科学50讲》课程笔记3--生命的延续:自我复制

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生命为什么要繁殖?

对于生命来说,为什么不发展出坚固的个体,使自己永不衰老,这样就不用繁殖后代了?

对于生命来说,自我复制(也就是繁殖)比永生更为重要。

原始地球出现生命并不困难,但是这样的生命抵抗意外的能力非常弱,地球的环境不是永恒不变的,一旦环境改变,单一的生命想要存货下来并不简单。

诞生于远古地球的祖先们能一直活到今天,靠的就是不精确的自我复制。

生命有很多繁殖体,即便其中一些个体因为意外死去,还有足够的个体存活。

生命个体的后代或多或少都和父母有些差别,面对改变的环境,谁能适应,谁就能活下来。

如何进行自我复制--DNA

对于蛋白质来说,比如ATP合成酶,其结构十分精巧复杂,想要精确复制十分困难。

生命简化了记录和复制的难度,把立体的、三维空间的蛋白质信息,记录在了线性的、一维的DNA分子上面。

DNA分子只需记录构成蛋白质的氨基酸就可以了,按照3个相邻的碱基对应一个氨基酸的方式来记录蛋白质分子里面的氨基酸顺序。

在生命完成自我复制后,子孙后代就可以按照DNA分子记录的信息重新制造蛋白质分子。

DNA复制的时候精度是非常高的,10亿次才会出错一次。而偶然的错误恰好能够给生物的变异和适应环境提供可能性。

DNA的双螺旋结构

DNA双螺旋结构的发现是现代科学发展的重要里程碑,很多时候都被当做现代科学的标志。

20世纪50年代,英国人罗莎琳.富兰克林通过x射线衍射的方法,揭示了DNA分子的三维结构,沃森和克里克在此基础上提出了双螺旋模型。

DNA双螺旋结构一揭晓,科学家们马上就推测出DNA分子是怎样完成自我复制的。

双螺旋结构和半保留复制

DNA上的四种碱基分子会彼此配对,A和T,C和G配对。

DNA的两条长链可以平行的结合在一起。

DNA结构图下图所示:


其实在三四十年代的时候,已经有足够的科学证据证明DNA分子就是真正的遗传物质了,但是那时科学家无法想象一个由ATCG这4种碱基分子串起来的长链到底是如何执行存储遗传信息完成复制功能的。

直到双螺旋结构的发现。

由于DNA的两条链是根据固定规则配对的,当DNA要复制时,只需要两条链从中间分开,每一条链就可以继续根据碱基配对规则,结合上一堆新的碱基分子,重新形成两条完全一样的DNA双螺旋。

这个过程叫半保留复制。

DNA复制的两大难题

先有DNA还是蛋白质

DNA是一种很稳定的分子,光靠自我是不可能完成复制的,在复制过程中。DNA需要多种蛋白质的帮助。

比如解旋酶帮助解开双螺旋,引物酶在DNA链条上设置一个自我复制的起点。DNA聚合酶把单个碱基搬运过来,装配上新的DNA链条。

先有DNA的话,DNA不能自我复制,只能在环境里慢慢降解。

先有蛋白质的话,没有DNA的复制,蛋白质无法繁殖。

如果是同时存在,这就要求DNA和蛋白质精确的配合,也就是DNA分子的碱基序列需要和蛋白质分子的氨基酸序列存在三对一的精确对应,这种巧合可能性太小

为什么要有RNA

DNA在指导蛋白质生产的时候,DNA上的信息会先抄写到RNA分子上,然后RNA再去指导蛋白质装配。

对于每一个被生产出来的蛋白质,都有一个独特的RNA中介。

为什么要多一个RNA?中间多了一道复制流程,更复杂也更容易出错。

RNA

为了回答第二个问题,美国生物学家汤姆.切赫也顺手解决了第一个问题。

他关注的是RNA剪接。

RNA很多时候并不能直接上流水线指导蛋白质生产,而需要经历一系列化学修饰。

其中一项重要的修饰就是RNA分子长链中有些多余的。无用的部分会被剪掉,只留下那些能够直接对应指导氨基酸组装的部分。这个过程被很形象地叫做RNA剪接。

切赫研究发现,剪接RNA的不是蛋白质,而是RNA自己。

RNA分子除了能从DNA那里抄写遗传信息,还能像蛋白质一样推动生物化学反应!

切赫给这个新物质命名为“核酶”。

科学家猜测,在地球生命起源的早期,就只有RNA这种分子,独立承担了今天分别属于DNA和蛋白质的功能,,后来随着生物演化,生命越来越精巧复杂,RNA的两个职责分别被转移出去给了DNA和蛋白质。而RNA就退居二线,只作为二者的桥梁存在。换句话说,RNA就是生物演化的产物。

RNA的余晖--病毒

当今生命世界,大多数生物都是使用DNA作为遗传物质的存储,而只有一些病毒还在用RNA作为遗传物质的存储介质。

病毒外壳是一层蛋白质,里面是RNA,并不能直接利用环境中的能量,也没有能力自我复制。

但是当病毒进入到活细胞后,立刻就会利用环境中的蛋白质产生新的蛋白质,实现遗传物质的自我复制。

因为DNA的结构比较稳定,复制的时候不容易出错,这样可以保证父母和孩子之间有很高的相似度。

但是RNA病毒的复制错误率是很高的,比DNA高4、5个数量级。这就导致极高的突变率。

因为极高的突变率,病毒总是在变化,所以人体很难完全产生出抑制这种病毒的抗体。

病毒因为极高的突变率,生存繁殖到了现在。

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