• 何谓生命?
• 基因和遗传信息
• 传递遗传信息至子代
• 从基因到蛋白质
• 蛋白质合成
• 聚合酶链反应(PCR, Polymerase Chain Reaction)
• 定位突变和DNA改组技术
• 细胞凋亡和坏死
• 细胞周期 
• 离子浓度
• 细胞亚显微结构
• 病毒

::::何谓生命?:::: 

　　给生命体下个定义并非易事. 普遍认同的生命的特征是可以自我繁殖, 有能量新陈代谢, 可与周围环境间进行物质交换. 除此以外, 与热力学第二定律截然相反, 生命体纷繁的结构下掩藏着秩序与协调, 因而生命必须消耗能量以抵消不断增加的熵(entropy), 从而维持热力学平衡. 一旦生命终结, 生命体的补偿作用就会结束, 于是尸体按照自发臻于最大混乱度的自然定律重新回到大自然之中. 从这个意义上说, 能量和熵之间的界限成了判断是否具有生命的判据.

　　然而特例不可避免. 由母马和公驴杂交产生的骡子和雄狮和雌虎杂交所生的狮虎都没有繁殖能力, 难道我们就漠视它们的存在, 或者说它们虽然看上去像活体, 其实不是生物体? 另外, 一些病毒或植物种子可以在坚固的表皮中存活几百甚至千年而没有新陈代谢. 从狭隘的生命观很难判定它们是否具有生命. 二十世纪70年代英国科学家Lovelock 在其Gaia理论中提出岩石, 溪流, 山峦甚至泥土都应当被看作生命. 事实上许多人支持该理论. 这个理论认为地球有自我再生能力, 因而乐观地认为地球可以自己解决所有人类产生的污染问题. 如果地球认为人类对其生存构成极大威胁, 大地女神就很可能通过诸如厄尔尼诺, 拉莉娜等气候异常变化和地震来根除这些麻烦制造者以维持地球健康.

　　在我们现有的观测范围内我们可以发现一些看似生命却无生命的晶体违背熵原理, 自身繁殖其特有构型. 它们通过将周围物质转变为其自身以繁殖. 这些晶体绝大多数是金属氧化物, 但是也有一些含碳的有机物自生长. 尽管不是先决条件, 我们可以看到的生物都具有碳架结构的含碳有机物. 之所以是碳而不是地球上含量较丰的硅是因为碳原子之间的键较硅原子间牢固, 更易形成稳定结构. 

　　与含碳的生物体相类似, 计算机病毒被称作“硅生物体”. 它们最初是由程序员编制并传染给计算机的一些程序, 通过磁盘或网络传播, 自我复制, 甚至可以通过变异来抵抗杀毒软件. 这与<<圣经>>中"主造万物, 置地上而后观之. 其自复以繁衍."何其相似. 因而有人戏谑说“拂晓骇客造病毒, 上传至网络而观之. 其自复以繁衍." 当然这会引起众多非议. 计算机病毒仅能在计算机上生存, 一旦关机或下网, 复制和传播就不可能实现. 那么生物体呢? 它们一旦脱离了地球还能生存么?

　　从70年代Vikings到现在Pathfinder号宇宙飞船在探索火星生命, 以及最近关于从火星陨石中发现生命痕迹的争论都很容易证明对生命的定义是如何困难.  关于生命的定义在科学和哲学上都有重要意义, 但我之关于生命定义困难的讨论仅是为了辨析生命特征. 生命的基本单位是细胞, 细胞的基本成分是酯类, 蛋白和烃, 它们是由核心元素碳与氧氢氮等元素组成的. 细菌仅有一个细胞, 随着物种等级的提高细胞数逐渐增多. 人类有1000亿细胞. 如此复杂的有机体是怎样完全相同的自我复制的呢?

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::::基因和遗传信息::::

　　让我们考虑一下子代的繁殖, 这是生命特征之一. 无论生命形式复杂或简单, 从细菌到多细胞生物, 所有的生物体都在基因中包含了他们自己全部的信息. DNA分子表达了遗传信息. 正如计算机采用0和1的二进制作为存储单位, DNA采用A, T, G, C的四进制. 神奇之处在于几乎地球上所有的生物体都将DNA作为遗传载体, 其余的采用改性DNA. 这也就是所我们和植物和病毒在本质上并没有显著差异.

　　DNA分子是一种线形大分子, 由脱氧核糖与作为信息的四种碱基(腺嘌呤, 鸟嘌呤, 胸腺嘧啶, 胞嘧啶)联结. 每个含有碳水化合物和碱基的单位与磷酸基相连. 计算机存储器可有二维或三维结构, 但是物种的遗传信息仅选择了一维结构. 通过 A-T, G-C配对, DNA以双链形式存在. 绝大多数情况下一条链即可储存遗传信息, 另一条链仅是作为互补链用来对遗传信息进行维护和修补. 下一个问题就是遗传信息如何传递. 自Watson和Crick第一次报道DNA结构以来, 尽管我们不完全了解每个细节, 但是关于遗传信息用于指导蛋白质的合成已成定论. 换句话说, 生物系统内合成的蛋白质的种类和数量决定了生物体的所有特性, 从我们皮肤的颜色到甚至无意中流露的习惯. 

DNA

<SGI, U.S. Department of Energy Human Genome Program>

　　
蛋白质包含20种氨基酸, 能够催化多种生化反应的酶和细胞骨架都是蛋白. 我们的体内可以合成诸如碳水化合物和酯等非蛋白物质, 但那只是酶催化作用的次级产物. 蛋白质基本上是氨基酸一维联结构成的线形大分子, 当然还可以有一些修饰. 用来合成一个蛋白质的DNA单位称为基因, 包含一个物种所有遗传信息的集合称作基因组. 每个基因的两端都包含有蛋白质首端和尾端合成的遗传信息. 

氨基酸

非极性 侧链
极性非质子化 侧链
极性质子化 侧链

　　身高和肤色等显性基本是不同遗传组合表达的结果. 问题是遗传的蓝图, DNA, 采用四进制而蛋白质采用20进制. 为了解决这个问题大自然采用三个DNA密码表达一个蛋白质. 因为三位的密码可以容纳4´4´4 = 64 条遗传信息, 大大超过容纳20个氨基酸所需要的量因而一些氨基酸可以重复对应. 因此如果可以破解一个物种的全DNA序列, 就可以知道其所有合成的蛋白质并从理论上预言其所有特性. 正因此现今通过测定完整DNA序列来破译人类所有遗传信息的工作很活跃, 这被称作“基因组计划”. 人类DNA序列估计约有30亿碱基对, 也就是300,000基因. 除了红细胞等, 所有细胞细胞核中都含有遗传信息. 由于细胞种类不同, 用于合成蛋白质的基因估计约占所有基因的十分之一. 换句话说, 人类细胞能合成30,000种蛋白质, 蛋白质种类的不同决定了不同细胞的特性, 如神经, 肌肉, 骨细胞等. 由于DNA双链的碱基长度约有3埃, 人类细胞整条DNA长度约有1米.

遗传密码子

<http://www.discoverbiology.com>

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::::从基因到蛋白质::::

　　单细胞生物如细菌通过自身分裂或用芽孢来产生后代, 在这个过程中染色体复制并传递一个给子代细胞.所以母体和子代的遗传信息完全相同. 多细胞生物的体细胞增殖通过有丝分裂, 遗传信息同样备份并一分为二. 因此, 就遗传信息传递范畴来说, 体细胞的有丝分裂和细菌的增殖在概念上是相同的.

由于DNA是高度盘旋的双螺旋结构, 复制DNA需要解链, 解螺旋酶以ATP为能量做此工作. 然后每条解开的链作为模板在DNA聚合酶和复制酶的帮助下合成互补链. 这两种酶的不同在于DNA聚合酶即参与了DNA的修补也参与了复制.

DNA 复制

<U.S. Department of Energy Human Genome Program>

　　另一方面来说, DNA并不是完全暴露, 而是紧密折叠为螺旋结构. 为形成这种结构, 有些DNA被绞接, 参与这个过程的是结构变异酶(topoisomerase). 仅有一条链临时切断的为I型酶, 有两条链切断的为II型酶(II型酶称作DNA促旋酶). 正是由于这些结构变异酶, 相同的DNA序列才可以有不同的异构体. 因此, 在DNA的特定区域被复制和表达的时候, 这些酶解开超螺旋结构. 在重组(ecombination)过程中这些酶也有重要作用.

　　多细胞生物的体内繁殖根本上来说与细菌的增殖是相同的. 但是有性生殖的生物繁殖机制更为复杂. 首先, 亲代产生生殖细胞(gamete)如精子和卵子. 一个卵子和精子细胞相遇而形成受精细胞, 其内含有父系和母系的单拷贝遗传信息, 一个新的生命就这样诞生了. 鸵鸟有西瓜般大的卵子而人类的卵子非常小, 但是两种卵子中都仅含有一套遗传信息. 受精卵如癌细胞一般迅速分裂, 一段时间后, 开始分化出器官. 鸵鸟卵含有很多养料, 人类卵细胞从母体子宫获得养分, 但是根本上说它们都是从DNA单拷贝开始发育的. 也就是说, 1米长的链含有了我们整个生命的信息. 很神奇吧? 

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::::从基因到蛋白质:::: 

　　DNA上的遗传信息是通过怎样的过程被翻译用以合成蛋白质的? 为了表达DNA上的一个基因, mRNA读取DNA的遗传信息; 这个过程称作转录, 转录酶能够催化这个反应. DNA上的遗传信息有内含子和外显子, 所以最初转录的RNA分裂以除去内含子. 成熟的mRNA是真正的合成蛋白质的真正模板. RNA与DNA非常类似, 但是在RNA的4种碱基中使用U代替DNA中的T. RNA中的糖链 (核糖)较DNA (脱氧核糖)在2位有多余的羟基. 正因这个多余的羟基使RNA较DNA活泼, 可被用作亲核试剂或酸碱. 这样, 相对较稳定的DNA用于信息永久存储, 较不稳定的RNA更多用于合成蛋白质的临时信息存储, 合成后立即被破坏.

转录

<www.accessexcellence.org/ AE/AEPC/NIH/gene03.html>

　　
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::::蛋白质合成:::: 

　　核糖体能识别mRNA的信息, 这就是蛋白合成的工具. 核糖体由2个大rRNA (核糖RNA)和许多小蛋白质构成. 有趣的是核糖体是蛋白质合成的酶, 但其主要组成却不是蛋白质而是RNA. 蛋白质合成需要另一种重要的RNA, 即tRNA (转运RNA). tRNA与氨基酸通过酯键形成芳氨基-tRNA, 这就可以向增长的肽链上运输氨基酸. 每个不同氨基酸有其自己的配对tRNA, 但有时一个氨基酸对应多个tRNA. tRNA与氨基酸的键合受 芳氨基-tRNA的催化. 核糖体在mRNA上滑动产生了多肽链, 每个核糖体有两个与芳氨基-tRNA的配合位; 一个用以延长肽链一个用以新氨基酸的导入. 核糖体对芳氨基-tRNA的序列识别并不依赖氨基酸结构, 而是mRNA上密码子和tRNA上反密码子间的互补作用. 这意味着如果采用非自然的氨基酸来化学修饰芳氨基-tRNA将会产生化学突变.

蛋白质合成

<http://fairmanstudios.com/als.htm>

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:::: 聚合酶链反应(PCR, Polymerase Chain Reaction):::: 

　　由Michael Smith 和 Kary Mullis 在80年代中期发明的PCR技术给生物学和医学带来了一场革命, 荣获了1993年的诺贝尔化学奖. PCR可以在短时间内倍增极微量DNA (理论上说, 仅有一个足够了) 至百万或十亿倍, 而共作原理却惊人简单. 这是步骤:

1) 混合模板DNA, 四种核糖的三磷酸盐作建筑材料, 和DNA聚合酶. 加入过量2种DNA引物, 与模板中需要序列的起始和结束区域键合.

2) 加热反应混合液至90 °C以使模板DNA的双螺旋分离(变性). 

3) 冷却至50 °C, 引物与模板DNA的单链键合.(退火)

4) 升温至72 °C, DNA聚合酶催化DNA复制以产生全双螺旋(增长). 在这一步, 目标DNA数量加倍. 

　　5) 重复步骤2-4至满意为止.

　　 PCR <www.flmnh.ufl.edu/cowries/ amplify.html>
　

　　这一序列含有高温步骤, 可能会使酶变性. 所以, 自温泉中嗜热细菌体内提取的耐高温的DNA聚合酶是PCR的重要部分.  每一个操作循环可以倍增DNA数量, 如果有足够的引物和建筑材料, DNA将成几何级数增长(2^#循环数). 仅需几个小时就可足够产生几十亿倍增量. 由于灵敏度极高, 有时会因极少量杂质DNA的倍增而产生错误结果, 因而必须高度精确操作样品. 一些普通方法耗时且难于分析的细菌, 可以通过PCR技术短时间内鉴别. 一滴血液或体液甚至一根头发足以被用来鉴别个体, 因而PCR技术在法医学上广泛应用. 在后文中提到的RNA催化剂以及分子进化研究都在关键部分采用了PCR技术.

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::::定位突变和DNA改组技术:::: 

　　DNA序列的改变称为突变, 这将导致相关蛋白质的序列变化. DNA上特定核苷的取代技术称作基因定位突变法(site directed mutagenesis). 通过病酶动物将突变的基因导入微生物体内即可产生非天然蛋白. 这种方法在研究蛋白质中特定氨基酸的功能上极为有价值.

基因定位突变法

<Nobel e-Museum>

与定位突变不同, 在PCR中增加Mg²⁺离子可产生随机点突变; 高盐度降低了DNA聚合酶的再现精度. 突变频率可由离子浓度控制. 这种方法称作"易错PCR".

将突变基因重组在加速产生多样性方面较定位突变效率更高. 这种方法称作DNA改组技术(shuffling).

DNA改组技术

<The Magazine of the Penn State College Engineering>

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::::细胞凋亡和坏死:::: 

死亡有两种方式. 一种是预定的细胞死亡即凋亡(apoptosis), 另一种是突发细胞死亡称作坏死(necrosis). 凋亡是自发的生物学过程, 死亡细胞遵循一系列预定过程: 细胞体积收缩, 染色质浓缩, 核塌陷. 不必要的结构被分解, 有用的养料被转至相邻细胞. 非正常的抑制凋亡过程可能导致多种疾病, 细胞可能转变位癌细胞.

相比较而言坏死可能因温度突变, 渗透压变化或者毒素等引起, 细胞突发死亡. 如果把凋亡比作寿终正寝, 坏死就是交通事故.

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::::细胞周期:::: 

如果拥有充足养料和适宜环境, 细菌将分裂生殖. 在包括人类在内的多细胞生物中, 细胞增殖被高度控制以保持总体平衡. 当高度调控不起作用时, 细胞将变成无限分裂的癌细胞.

在细胞增殖过程中DNA复制和细胞分裂有固定规则可循; 例如遗传信息均分到两个子代细胞时, DNA合成必须早于染色体分裂, 等等. 细胞增殖的整个过程称作细胞周期, 分成4步: G1, S, G2, M.

细胞周期

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::::离子浓度:::: 

　　从拓扑学角度说, 我们的身体可以分为体内和体表空间. 例如皮肤和消化道表皮都是体表; 正如炸面包圈一样. 穿透皮肤或胃粘膜就到达体内. 每个细胞个体都是独立的封闭系统. 所以细胞也被细胞膜分成截然不同的内外环境. 通常细胞内K⁺浓度高, 细胞外Na⁺和Cl^-浓度高. 相对高浓度的单价离子对保持渗透压和膜两侧势能有很重要的作用. 二价离子如Ca²⁺和Mg²⁺在细胞外大量存在, 可以调节酶的活性.  尤其是被称作第二信使的Ca²⁺, 特定信号可以引起其从细胞外, 或细胞内贮Ca²⁺细胞器, 到细胞质的转移. 典型离子浓度总结于下表.

::::细胞亚显微结构:::: 

　　在真核细胞中, 细胞核周围有很多不同的袋子. 让我们看看下图.

图的下部是细胞核, 上部是细胞膜. 细胞核外接着就是自我连接的内质网(ER), 然后是高尔基体. 粗糙的ER表面带有很多核糖体, 参与蛋白质的合成. 光滑的ER表面与胆固醇代谢, 细胞膜合成, 解毒, 贮钙有关. 在粗糙ER表面合成的蛋白质穿过光滑的ER和高尔基体到达目的地. 在传递过程中, 蛋白质经历了磷酸化和糖基化.

　　溶酶体含有多种水解酶, 利用ATP的吸H⁺能力维持pH值在5左右. 溶酶体中的酸性水解酶在pH为5时有最高活性.

　　过氧物酶体含有解离脂肪酸和氨基酸的酶. 在酶反应中, 产生过氧化氢, 过氧毒素在催化下被分解为氧气和水. 电影"Lorenzo oil"中的主人公患有髓鞘合成不足引起的肾上腺脑白质营养不良(ALD). 过氧物酶体就是合成胆固醇和髓鞘的地方.

过氧物酶体 <http://www.peroxisome.org/>

　　线粒体是我们体内产生ATP的主要细胞器. 线粒体数量超过了其他任何细胞器的数量, 在肝和心等主要耗能器官中每个细胞含有上千个线粒体. 线粒体含有自己的基因组和独特的膜结构, 据信线粒体很久以前是独立的生物, 与现今的生命共生. 除了产生能量, 线粒体的很多新功能如多种调节作用正在被揭示.

　　线粒体以氧化养料产生的活性电子, 在F₀F₁-ATP合成酶帮助下穿越膜结构形成质子梯度, 合成ATP. 我们体内主要在线粒体中耗氧. 最近发现, 细胞的死亡过程, 无论凋亡还是坏死都与线粒体有关. 在坏死过程, ATP水平急剧降低引发细胞死亡. 在凋亡过程, 细胞色素C自线粒体中分泌出来, 活化一系列胱天蛋白酶(caspases). 线粒体中的氧化反应似乎与衰老过程相关, 低养份饮食下生命延长似乎是由于线粒体中的低氧化水平导致的. 线粒体氧化产生的自由基由超氧化歧化酶转变为过氧化氢, 过氧化物如上所述在过氧物酶体中分解. 线粒体基因组的突变引起了高度关注, 是由于这可能引发多种疾病如早衰, 癌症, 糖尿病, 老年痴呆症等, 所以线粒体将是新药的一个主要靶体.

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　　病毒是生命和非生命的分界线, 非常非常微小. 在寄主细胞之外休眠的病毒没有任何生命迹象, 但是一旦到达寄主细胞内, 病毒急剧增殖并表现出强生物活性. 一些病毒小到足以生活在细菌体内, 它们被称作抗菌素(Bacteriophage). 

抗菌素网: http://www.phage.org/

如同其他生物一样, 病毒使用DNA或者RNA作为遗传信息. 但是它们缺少很多生理功能所必需的酶, 这让人们很难决定是否将其划为生物. 它们所具有的基本工具就是进入寄主细胞, 转换寄主细胞的功能让它们为该病毒工作. 通常病毒基因组被蛋白质芽孢所包围, 但是当他们进入了寄主细胞之后, 它们脱掉芽孢裸露出来. 当没有寄主细胞, 它们甚至可以晶体化如无机物一般.