2022年遗传密码破译过程的启示 .pdf
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1、第- 1 -页共 8 页遗传密码破译过程的启示【摘要】 遗传密码的破译是现代遗传学发展中的又一个重大事件。从1954 年具体提出遗传密码子最初设想到1965 年破译所有遗传密码。短短十余年,生命科学的飞跃发展却将我们带入了分子生物学的神秘世界之中,更带给了人类对自身更清楚的认识。本文意在尽量全面地展现历史进程的真实概况,历数科学丰碑中的诸位大家,重现他们的思维过程,以及从中带给我们的启示。【关键字 】遗传密码子碱基破译方法前瞻性创新专注执着追求【正文】一遗传密码的提出1941 年, “一基因一酶”学说建立。此后,人们逐步地认识到基因和蛋白质的关系,但此时遗传物质的化学本质尚未确定。1944 年
2、艾弗里虽成功地完成了体外转化实验,但尚未改变人们认为蛋白质是遗传物质的传统观念。1944 年,奥地利物理学家薛定谔在生命是什么 大胆预言: 染色体是由一些同分异构的单体分子连续所组成。这种连续体的精确性组成了遗传密码。这是科学家第一次提出遗传密码的设想。薛定谔从研究物理学现象和本质,到走出物理学的圈子,以古希腊哲学为切入点,追溯现代科学的本源, 探讨科学研究的价值、人文主义精神, 以及现代科学对物质世界与精神世界的影响,这些科学历程为我们展现了一位丰富而深邃的科学大师的“庐山真面目”。生命是什么一书是在他57 岁时发表的。这是一位物理学家,从物理学的角度对生物学的思考。薛定谔的伟大在于他的前瞻
3、性,他自己都说:“这样的综合是有风险的,但在学科越来越专门化的今天,必须要有人冒着风险,来把已知的知识综合成为一个统一体。”而薛定谔深远的洞见与天才的预测,更吸引着无数富有创造力的头脑投身探索遗传机制和生命本质的奥秘中,两位DNA 之父对生物学最初的兴趣很大程度上是来自薛定谔的小册子。薛定谔无疑成为了分子生物学革命的先驱。而第一个提出遗传密码子具体设想的是前苏联-美国物理学家伽莫夫。1954 年月,伽莫夫根据沃森和克里克发表的DNA 双股螺旋结构,提出了DNA 的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶等四种碱基可能就是密码子的最初设想。1955-1956 年,伽莫夫陆续发表文章,从排列组合推断只有三
4、种碱基组成64 种组合对应 20 种氨基酸较合适。同样出于效率的考虑,伽莫夫认为一个碱基可能被重复读多次,也就是说遗传密码的阅读是完全重叠的,因此氨基酸数目和核苷酸数目存在着一对一的关名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 8 页 - - - - - - - - - 第- 2 -页共 8 页系。1957 年布雷内通过蛋白质的氨基酸序列分析,发现不存在氨基酸的邻位限制作用,从而否定了遗传密码重迭阅读的可能性。同时人们也发现在镰刀形细胞贫血的例子中,血红蛋白中仅有一个
5、氨基酸发生改变。说明伽莫夫的后一推论是错误的。伽莫夫的最大贡献在于通过数学的排列组合的计算来推测密码子是由三个碱基组成的。虽然他的另一推论被证明是错误的,但智者千虑必有一失,很多著名的科学家也有过类似的失误,我们不能因为这个错误而小看了这个具有划时代意义的科学理论的提出。在资料较少的情况下, 对未知的真理作出推断,难免会发生偏差,但加莫夫对数学方法的巧妙运用,和他的敏锐、大胆、睿智和创新的精神,巧妙的构思仍然让我们佩服不已,他是一位伟大的科学家,在理论物理学,天体物理学 ,核物理学 ,生物遗传学等诸多领域都取得了令人瞩目的成就。在他获得成功的过程中,我们也可以看到伟大的科学家所共有的精神品质。
6、首先。他的成功根源于他出色的想象力与创造力。伽莫夫同样是一位有名的科幻作家,他以著有奇异王国的汤姆金斯等优秀的科学幻想作品而著称,具有丰富的想象力,当他充分地将这些想象力和创造力运用在科学上时,展现在我们面前的就是将要影响整个人类,整个世界的伟大假设的提出。同时我们也能看到, 即使是在严谨的科学世界,想象力仍然是孕育伟大发现的神奇土壤。科学与生活的密不可分,不仅仅在于伟大的科学发现催生出的产品可以极大改善生活,生活中的浅易道理同样可以成为高深莫测的科学成果的功臣。正如伽莫夫把 “效率论” 运用于科学而成功的推测出64 个密码子一样。研究者有时也不妨放下沉重的理论,把目光从实验室的高级仪器移向门
7、外广阔的人文领域,允许自己有那么一会儿天马行空的想象,而不必愧疚于违背自己科学工作者的名义。看看伽莫夫,想象着,快乐着,发现着。当然了,想象毕竟与现实有差距,伽莫夫对“效率论”的举一反三,也导致了一个错误的结论, 告诉我们人文与自然科学仅仅是交汇,而不可能是完全融合。科学工作者在放松后仍然需要回到实验室,继续自己的研究,而不是彻底转型成一个空想家。其次伽莫夫能够连续多年致力于某些难题,进行反复研究, 并注重多学科交叉联系。创造性的将不同的物理、生物理论联系在一起,洞悉了物理学理论各种模型之间的类似关系,以及运用与历史比较或甚至与艺术比较的方法。而最重要的是他对自然始终充满好奇,将创新一直是定位
8、在主流的、前沿的科学论题上。由于好奇, 不可抑制的好奇心引导着他在核物理学、宇宙学与生命科学领域不断里探索。他也从来不允许自己偏离问题的主流而去追逐不重要的细节。无论原子的放射性衰变规律,著名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 8 页 - - - - - - - - - 第- 3 -页共 8 页名的宇宙大爆炸理论还是三联体假说,都是当时时代的前沿。而他的这些直接推动成功的品质,对于我们又何尝不是这样呢?要想在某一领域上获得一定的成就, 或是某门学科上有所突破,就
9、必须始终保持对它的热情和好奇,细心观察每一个过程,不断发现其中的问题,大胆地提出假设,并用严谨的实验证明你的假设,“大胆假设,小心求证” 这是每一个做过科学实验的人都应该耳熟能详的经典说法,但这的的确确是真理,科学家们用他们的实际行动告诉我们,要想成功,必须要这么一步步踏实地做下去。二一系列实质性探索的开展1959 年,克里克提出“中心法则”,更为明确地指出了遗传信息传递的方向。1961 年,布雷内和克里克根据DNA 链与蛋白质链的共线性,通过研究某个基因的碱基的增加或减少对编码的蛋白质的影响验证了密码子的三联性。通过一定的技术手段,发现加入或减少一个和二个碱基都会引起移码突变,而加入或减少3
10、 个碱基时反而可以恢复正确的读框,表明每个密码的确是由3 个碱基组成。这个实验还同时表明:遗传密码从一个固定的起点开始 ,以非重叠的方式阅读,编码之间没有分隔符。通过巧妙地设计实验,克里克证明了伽莫夫的三联体密码子的推测,由理论走向实验,为密码子的破译迈出重要的一步。从这里,我们也可以窥见科学的严谨,正是科学家们孜孜不倦地研究和严谨的科学态度,使得遗传密码子的破译迈出了重要的一步。也给我们这样的警诫,理论必须经过实践的检验然不具有很强的说服力。所以在任何时候, 我们都要有这样一种严谨的态度,不能随意地妄下论断。之后,科学家经过一系列创新性的实验开始慢慢揭开密码子的神秘面纱。破译密码的实验研究先
11、后由三个实验逐步发展了四种破译方法,于1965 年完成。(一)在体外无细胞蛋白质合成体系中加入人工合成poly1961 年,美国NIH 的尼伦伯格和马太设想:既然 mRNA 有刺激无细胞系统中的蛋白质合成作用,加入人工合成的多聚核苷酸亦将会有这种促进作用。按此设想, 他们合成了polyU作为模板, 以观察无细胞系统中蛋白质合成速率。当把翻译产物分离、 纯化和做序列分析后,结果出乎意料,合成的肽链中的氨基酸残基全部是苯丙氨酸,即polyPhe。于是第一次确认了 UUU 是 Phe 的密码子。这样,就在一个偶然的机会开创了破译密码的工作。随后,他们又以 polyA 和 polyC 为模板, 证明了
12、分别可指导合成polyLys 和 polyPro ,即确定了AAA 是Lys 的密码子, CCC 是 pro 的密码子。但是类似的实验不能证明GGG 是何种氨基酸的密码子,因为polyG 产生牢固的氢键结合,形成三股螺旋,而不与核糖体结合。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 8 页 - - - - - - - - - 第- 4 -页共 8 页(2)混合共聚物实验对密码子中碱基组成的测定1963 年,Speyer 和 Ochoa 等发展了用两个碱基的共聚物破译密
13、码的方法。在无细胞体系中加入不同比例的两种碱基,形成不同碱基序列的共聚物,根据共聚物成份不同的比例和翻译产物中氨基酸比例亦不同的关系,就可以确定氨基酸所对应密码子的碱基组成,但上述方法只能显示密码子中碱基组成及组成比例,而不能确定碱基排列方式,此外,通过反复改变共聚物成份比例的方法亦十分麻烦和费时。(3)三联体结合实验为了加快实验的进程并获得更准确的密码子碱基排列顺序,尼伦伯格小组经过长时间的思索创新和改良,于1964 年又采用三联体结合实验,并最终一举破译了所有密码。这个方法的思路是建立在两项基础上的:tRNA 和氨基酸及三联体的结合是特异的;上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜(N
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