蛋白质是生命体中一种重要物质。但是,生命体中特有的蛋白质无法直接传递给后代。就像父母并不能直接把自己的眼睛、鼻子、嘴唇传给子女一样。只有DNA才在这一传递过程中,起关键作用。DNA可以把遗传信息表现为细胞的结构和功能,它可以“指示”细胞合成自身所需要的一切蛋白质。蛋白质再显示生物体的遗传性状。
那么,DNA是怎样“指示”细胞合成蛋白质的呢?在人们没有破译出生命遗传密码之前,这一过程的复杂程度是很难想象的。
蛋白质的合成要接收来自DNA的遗传信息。但DNA存在于细胞核内,而蛋白质存在于细胞核外的细胞质中。像DNA这样的生物大分子是不可随意穿越细胞核的核膜进入细胞质的。那么,细胞核内的遗传密码是怎样被带入到细胞质中的呢?1957年,克里克首次提出了蛋白质合成的“中心法则”,即遗传信息的走向是由DNA传递给RNA,再由RNA传递给蛋白质。1958年,克里克又提出:RNA在把氨基酸携带到肽链进行生物合成的过程中,可能存在一种“受体”。科学家们根据这一设想,很快在实验中发现这种“受体”是一种转运RNA。
蛋白质生物合成
1961年,法国分子生物学家莫诺与生物化学家雅格布合作,提出了“信使核糖核酸”的概念。他们认为mRNA的作用是从DNA长链上转录所需要的遗传密码片段。mRNA成为合成蛋白质的模板。不久,他们的设想得到了证实。1965年,莫诺与雅格布为此获得诺贝尔生理学和医学奖。
为什么遗传信息不直接把氨基酸运送到细胞中的DNA那里去合成蛋白质呢?科学家们认为,传宗接代的根本是细胞中的DNA。DNA只不过是在执行指挥生产蛋白质。它首先将双链拆开,其中一条链为模板合成mRNA。整个合成的过程都按照碱基互补原则进行。转录后的mRNA带有合成蛋白质的全部信息。然后它离开细胞核,与细胞质中的核糖体结合在一起的。细胞里的蛋白质都是在核糖体里合成的,因此也可以说,核糖体就是细胞中合成蛋白质的“车间”。
把mRNA转录成蛋白质,还需要一个媒介。这个媒介必须认识mRNA上的遗传密码以及蛋白质的氨基酸。这个媒介就是转运RNA,它负责领着氨基酸到核糖体那里与mRNA“对号入座”。就这样,氨基酸被不断地增长,直到整条肽链的合成完成。RNA合成蛋白质的效率非常高,它甚至可以每分钟连接1500个氨基酸。
DNA上的遗传信息先转录成mRNA,然后通过rRNA和tRNA再翻译成蛋白质。这就是遗传学中的“中心法则”。
蛋白质分子结构示意图
在提出“中心法则”时克里克指出,信息是沿着DNA—RNA—蛋白质的方向传递的。
后来,科学家们发现信息在从DNA到RNA的传递过程中也能够被逆转。这一现象发生在病毒中,被称为逆转录病毒。与艾滋病相关的人体免疫缺陷病毒就是一种逆转录病毒。病毒是不能独立生存的,它必须侵入宿主细胞才能生存。当它在宿主细胞中其细胞机器,才能表达自己的基因。逆转录病毒的遗传物质只不过是一条单链RNA。在宿主细胞中,它先把以自己的RNA为微模板复制成一条DNA链。在这一先形成了一条RNA—RNA双链,然后RNA链分解,DNA再形成双链。
逆转录酶是用于催化上述从RNA到DNA的三个步骤的酶。1970年美国病毒学家特明和巴尔的摩各自独立发现了这一具有催化作用的逆转录酶。这一发现揭示巴尔的摩
了生物遗传中由RNA如何形成DNA的过程,进一步发展和完善了“中心法则”。
DNA双螺旋结构模型与中心法则共同揭示了生物是怎样传递遗传信息与合成生命物质的。
DNA双螺旋结构模型的建立,使遗传学由“细胞”水平转变到“分子”水平。分子生物学由此真正诞生了,生命科学的历史开始了一个新的时代。