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基因永生论》第四章 生命与基因运行的内在原理

2017-01-02  天高地圆


转载2016-12-30 22:57:06

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《基因永生论》第四章  生命与基因运行的内在原理

作者:陈少华

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生命科学里有一些必须要得到解释的难题。要想真正理解生命的奥秘,就必须明白以下问题的答案。

1、    ATP是公认的细胞能量。它倒底是什么东西?是怎么发挥作用的?

2、    导肽是怎么发挥作用的。为什么具有信号序列就能引导蛋白质分子的运动呢?

3、    内含子有什么用。内含子是基因里的非编码区,不编码蛋白质,可以被转录,之后会被加工切除。这些似乎毫无意义的内含子却占到基因长度的95% 。它们有什么作用呢?

4、    为什么是三个碱基决定一个氨基酸?

5、    基因的表达调控是怎样做到的。调控序列控制各个基因在什么时间、在生物体的什么部位以什么强度来表达。包括启动子、增强子、沉默子等。它们是怎么发挥作用的。

6、    受精卵是如何从一个细胞分裂成为一个复杂生命体的。细胞是如何随着生长发育而分化的呢?细胞是如何可以在适当的时候关闭某个基因,打开某个基因、增强或衰弱某个基因的表达的呢?

 

只有深入了解了这些问题背后所蕴含的真相,才算是对生命的内在运行有了一个大概的了解。本章将用浅显易懂的语言,带您一起了解生命的原理。

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◎1、ATP是公认的细胞能量。它倒底是什么东西?是怎么发挥作用的?

ATP即腺嘌呤核苷三磷酸(简称三磷酸腺苷),是一种不稳定的高能化合物,由1分子腺嘌呤,1分子核糖和3分子磷酸基团组成。又称腺苷三磷酸,简称ATP。细胞内各种代谢,产生的能量会生成ATP;当需要能量来促成反应或运动时,ATP就会被拿出来使用,供给能量。所以ATP是细胞内的能量货币。

ATP分子的化学键是一种高能化学键。这种键有一个特点,需要很多能量才能形成。一旦化学键断裂,就会释放很多能量。就象是石油需要很多太阳能量与化学能量的积累才能形成一样,石油蕴含着很高的化学能量。石油一旦燃烧,就会将能量释放,产生很高的热量。ATP与石油有类似之处。ATP的化学键断裂,相当于石油的燃烧,得到ADP与磷酸,会释放出能量。这种化学能会使周围的热能增加,热能使得分子运动速度加快,热能转化为动能。分子进行化学反应,运动速度越快,化学反应进行的速度就越大。如果分子运动速度很小,那化学反应就很难发生。所以,细胞内的生化反应很多时候如果有ATP分子的参与,反应速度就会大大加快。

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◎2、导肽是怎么发挥作用的。

蛋白质分子一端具有信号序列,名为“导肽”,可以指导分子的行为。蛋白分子因此知道自已被制造出来后的目的地是哪里,会老老实实地赶到导肽所指出的地点。

这确实让人费解。为什么具有信号序列就能引导蛋白质分子的运动呢?蛋白质分子难道有意识吗?

蛋白质并没有意识,这个信号序列要起作用,需要信号识别蛋白或受体的作用。信号识别蛋白或受体会与信号序列结合。每一种受体只能与一种信号序列结合,因为两者在结构上具有互补性。蛋白质分子并不需要有意识,它只需要不停地无规则运动,最终一定会找到跟它导肽信号序列结构互补的受体结合。这看起来就象是导肽在指引着蛋白分子到达前进目的地一样。

例如,在蛋白分子进入线粒体腔的过程里,蛋白质的导肽指导蛋白质的前进方向。导肽就象是火车头,拖动蛋白质前行。在蛋白质转运时,导肽链作布朗运动摇摆不定,一旦前体蛋白进入线粒体腔,立即有一分子mhsp70结合上去,这样就防止了前导肽退回细胞。接着肽链进一步伸入线粒体腔,肽链会结合更多的分子。Mhsp70附着在肽链和线粒体膜上,可拖动肽链。首先mhsp70以一种高能构象结合导肽,然后松弛为一种低能构象,促使导肽进入线粒体腔,并迫使后面的肽链解链以进入转运孔道。基因融合实验证明,导肽的不同片断含有不同的导向信息。不同的导肽所含的信息不同,可使不同的线粒体蛋白质运送至线粒体的基质中,或定位于内膜或膜间隙。如定位于线粒体基质中的蛋白,其导肽的N端带正电荷,含有导向基质的信息。在跨膜转运时,首先在细胞质hsp70的参与下解折叠为伸展状态,然后与膜受体结合并在接触点处通过修辞格粒体膜进入基质,其导肽即被基质中的蛋白水解酶水解,成为成熟的蛋白质。

毫无疑问,DNA会指导RNA生成一系列蛋白质分子,这种分子集成了DNA的指令,指导酶与蛋白质的具体行动。比如信号识别颗粒signalrecognition particle (SRP)在真核生物

细胞质中一种小分子RNA和六种蛋白的复合体,此复合体能识别核糖体

上新生肽末端的信号,顺序并与之结合,使肽合成停止,同时它又可和ER膜上的停泊蛋白

识别和结合,从而将mRNA上的核糖体,带到膜上。

蛋白质分子会有特定的分子排列来存储信号。DNA的指令也会通过不同的分子排列来存储在蛋白质分子上。具有这种信号指令存储的蛋白质就会按照指令的要求行事,这到底是一种什么机制呢?

DNA通过生产蛋白质分子来操纵细胞的功能行为,能将很多的信息集成到蛋白质分子中。这些信号序列之所以能发挥作用,是因为这些信号序列拥有特定的分子结构。每一种分子结构,都相当于是一把形状不同的钥匙。会有一个分子形状与其互补的锁在等待着与这把钥匙结合。一旦两者结合,蛋白分子就能完成相应的功能。

决定新合成的多肽转移到细胞的哪个部位的信息存在于多肽的本身,如信号肽决定细胞质基质中开始合成的蛋白质转移动内质网膜上。而缺少信号肽的多肽,只能在细胞质基质中完成蛋白质的合成,然后再根据自身的其它信号转移到细胞的其它部位。除此之外,新合成的多肽会遇到如何正确地折叠成为有功能蛋白质这一重要问题。同样,决定一条多肽如何正确折叠,何时折叠,甚至有的多肽还需要重新折叠等,这些信号也存在于蛋白质氨基酸的一级结构中。

细胞中的某些蛋白质分子可以识别正在合成的多肽或部分折叠的多肽,并与多肽的某些部位相结合,从而帮助这些多肽转运、折叠或装配,这一类分子并不能与最终产物的形成,因此称为分子伴侣。信号识别颗粒就是一种分子伴侣,它可与信事情肽结合,帮助多肽转运。

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◎3、内含子有什么用。

基因包含编码区与非编码区,编码区是编码蛋白质的,又称外显子,占整个基因数据中的3%。另外就是非编码区。包括内含子、简单重复序列、调控序列等。

一个基因,只有3%是编码蛋白质的代码,这种代码的意义已经被科学家了解了。每三个碱基对应于一个氨基酸,依照顺序来合成蛋白质。

对于内含子,这种代码会被转录到RNA上,但会在翻译为蛋白质之前被剪除。内含子是不能编码蛋白质的无意义的代码。

内含子一直被认为是无意义的垃圾代码。但自然从来不作无用之事。如果内含子真的只是垃圾,那《时空波动论》的基础——“最省力实用原理”,将被证明是错误的。

细胞在分裂前,都需要复制DNA。DNA高达30亿个碱基,要全部复制下来确实需要动用不小的资源与时间。而这30亿个碱基里,真正有用的碱基不到3% 。其它的碱基都是毫无意义的间隔序列。大自然为什么会进化出这么浪费的东西呢?如果只保留有用的碱基,那DNA将瞬间缩小数十倍,细胞的复制与分裂将非常轻松,消耗的资源将极大减少。人每顿饭再也不用吃那么多了,可能喝一杯牛奶就不会感到饥饿。饥饿将从此远离人类。

而现在由于每次细胞分裂都要将那些97%的没有意义的代码都复制进新细胞,所以人总是感到累,感到饿。

内含子就是这97%无意义碱基里占了挺大比重的一种代码。其余的无意义碱基还包括间隔序列,相当于文章里的标点符号。不过这里的间隔序列很多时候有几M的容量,比最大的基因都大。

内含子绝非毫无意义的代码。它们有着重要的作用:降低细胞复制时的突变率,使细胞得以顺利复制与增殖。

因为细胞的DNA在复制过程中,决不是毫无差错的。事实上,每回都会有万分之一的概率出错,这就是基因突变的来源。人类之所以能进化出来,就是靠这种出错而导致的突变。但突变大概只有亿分之一的概率会对生物体无害,十亿分之一的概率才对生物的进化有利。生物在发生基因突变后,绝大多数情况下都会死亡。

正是因为基因的复制风险如此巨大,稍有不慎,生物体就可能没命,所以大部分生物都因此死亡了。而生物体里有一些生物由于基因突变而拥有更大的生存优势,而存活下来。这些生物基因里有用的基因只占基因代码里极少的一部分。由于DNA复制中出错的概率是不变的,如果基因代码非常多,而里面真正有用的基因代码却非常少,那每次复制,最大的可能是那些没有用的代码出错,有用的代码却能保持正确。这种基因的特点就被保留了下来,地球上的生命其基因都会出现拥有大量垃圾代码,有用的代码隐藏在垃圾代码中间。

所以超长的内含子、巨长的间隔序列并不是没有用的。它们降低了有用基因发生突变的概率,使生命体可以稳定地生存下去。

 

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◎4、为什么是三个碱基决定一个氨基酸?三联密码子是如何决定的?

大家都知道DNA的密码原理:三个碱基决定一个氨基酸。当然这是最合理的情况。因为氨基酸只有20种,碱基有4种,那三个碱基不同的排列组合有43种,也就是64种。这比20种要多,但多得并不多,正好合适。仔细分析20种氨基酸的密码子表,就可以发现,同一种氨基酸可以由几个不同的密码子来决定,起始密码子为AUG(甲硫氨酸) , 另外还有UAA、UAG、UGA三个密码子不能决定任何氨基酸,是蛋白质合成的终止密码子。

其它的情况,如两个碱基决定一个氨基酸,或四个碱基决定一个氨基酸,都不会合适,要么太多,要么太少不够用。

现在要问的是,细胞在执行DNA指令时又是怎么知道是三个碱基决定一个氨基酸呢?细胞绝对是没有意识的。

其实这是可以解释的。

DNA首先会被RNA聚合酶结合,通过转录,将DNA碱基代码复制到信使RNA(MRNA)上。MRNA会通过热运动游出细胞核,同核糖体结合,形成复合体。以MRNA为模板,开始翻译。也就是往MRNA序列上插氨基酸。

这时候需要用到转运RNA(TRNA)。其实,三联子密码,就是由TRNA决定的。

TRNA有一段RNA序列代码,这段代码会被折叠。看上去像三叶草的叶形,其一端是携带氨基酸的部位,另一端有3个碱基。每个tRNA(transfer RNA即转运RNA)的这3个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对,因而叫反密码子。正是这里是3个碱基,所以决定了3个碱基代表一个氨基酸。

每一种TRNA由于其代码序列不同,会携带不同的氨基酸。由于有20种氨基酸,那TRNA也是20种。这又是什么原因呢?

TRNA能携带什么氨基酸,是由其代码序列决定的。有一种酶,叫氨基酰-tRNA合成酶,这种酶家族有20种,每一种氨基酸都有相对应的TRNA合成酶。比如亮氨酸TRNA合成酶,会寻找与其分子结构配对的TRNA。它就会找到亮氨酸TRNA。因为两者的结构是互补的,有很好的亲和性。于是两者会结合,酶的作用是催化反应,就会有亮氨酸被酶安装到TRNA的一端。

亮氨酸TRNA携带着亮氨酸,由于与核糖体的结构与亲和性,会进入核糖体。其反密码子端会同MRNA的序列进行配对尝试。如果刚好合适,亮氨酸TRNA就结合到MRNA上,亮氨酸加入蛋白质分子序列。后来TRNA又会由于亲和性降低而脱落,只留下亮氨酸。

我们会发现蛋白质的结构特点对生命活动非常重要。

蛋白质具有不同的长度、不同的氨基酸排列和不同的空间结构,实验分析表明蛋白质能够形成特定的结构。蛋白质中相邻的氨基酸通过肽键形成一条伸展的链,肽链上的氨基酸残基形成局部的二级结构,各种二级结构组合形成完整的折叠结构。蛋白质分子很大,其折叠的空间结构会将一些区域包裹在内部,而将其它的区域暴露在外。在蛋白质的空间结构中,序列上相距比较远的氨基酸可能彼此接近。在水溶液中,肽链折叠成为特定的三维结构。主要的驱动力来自于氨基酸残基的疏水性,氨基酸残基的疏水性要求将氨基酸疏水片段放置于分子的内部。

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◎5、基因的表达调控是怎样做到的。调控序列控制各个基因在什么时间、在生物体的什么部位以什么强度来表达。包括启动子、增强子、沉默子等。它们是怎么发挥作用的。

基因大多都会有一个调控区。调控序列控制各个基因在什么时间、在生物体的什么部位以什么强度来表达。包括启动子、增强子、沉默子等。

这是一种怎样的机制使这种调控代码来控制基因的表达强度与表达时间、地点的呢?无法不为此而迷惑。这种行为使得细胞与计算机高度相似。计算机需要中央处理器来处理软件代码,细胞并没有中央处理器,那细胞是如何完成这些代码所代表的功能的呢?

调控序列在细胞分化、人体发育生长过程中起到至关重要的作用。某个基因什么时候表达,表达的强度是多少,都是由这个基因的调控序列来决定的。

根本而言,调控序列就是来控制基因转录到RNA时的强度,使基因转化成相应蛋白时的强度产生变化。增强子加强基因转录为RNA时的强度,使基因被大量转录为RNA,产生相应蛋白质,相应功能也得到加强。

弱化子使基因在转录时强度降低。

沉默子则使基因在转录时遇时困难,无法顺利转录。这时基因就相当于关闭了,转录强度为0,基因开始变得沉默。

这些调控序列是怎么产生作用的呢?换句话说,仅凭几行代码,怎么能控制基因转录强度呢?

还是要通过蛋白分子的帮助。

细胞内有大量的蛋白分子在游荡。这些蛋白质分子当然是由基因产生的。它们具体特殊的作用——作为调控蛋白,参与基因表达水平的调控。细胞核会有这些蛋白分子的光顾。某个蛋白分子与调控序列代码有高度互补性,就会结合在一起,产生特异性分子结构,从而影响基因转录水平。

这些蛋白分子是怎么产生的呢?这需要细胞表面来搜集各种生物信号与刺激信号,来确定人体是处在什么发育阶段,细胞是处于人体什么位置。细胞膜表面含有大量不同种类的蛋白受体分子,这些信号会同受体分子结合,产生具有新分子结构的蛋白分子。这个蛋白分子就会在细胞内四处游荡,并来到细胞核基因处。这种结构的蛋白分子刚好可以同基因的调控序列相结合。如果细胞接受到一个信号,表明这个细胞需要成为肝细胞,于是这个信号就与受体分子结合,再在无目的布朗运动之后到达细胞核的基因处,同产生肝功能的基因调控序列结合,使这个基因被大量转录翻译。这个细胞就会慢慢变化肝细胞。

增强子是怎么起作用的呢?需要依靠蛋白质分子。在5′端转录起始点上游约100个核苷酸以远的位置,有些顺序可以起到增强转录活性的作用,它能使转录活性增强上百倍,因此被称为增强子。当这些顺序不存在时,可大大降低转录水平。研究表明,增强子通常有组织特异性,这是因为不同细胞核有不同的特异因子与增强子结合,从而对不同组织、器官的基因表达有不同的调控作用。例如,人类胰岛素基因 5′末端上游约250个核苷酸处有一组织特异性增强子,在胰岛素β细胞中有一种特异性蛋白因子,可以作用于这个区域以增强胰岛素基因的转录。在其他组织细胞中没有这种蛋白因子,所以也就没有此作用。这就是为什么胰岛素基因只有在胰岛素β细胞中才能很好表达的重要原因。

终止子是怎么起作用的呢?在3′端终止密码的下游有一个核苷酸顺序为AATAAA,这一顺序可能对mRNA的加尾(mRNA尾部添加多聚U)有重要作用。这个顺序的下游是一个反向重复顺序。这个顺序经转录后可形成一个发卡结构。发卡结构阻碍了RNA聚合酶的移动。发卡结构末尾的一串U与转录模板DNA中的一串A之间,因形成的氢键结合力较弱,使mRNA 与DNA杂交部分的结合不稳定,mRNA就会从模板上脱落下来,同时,RNA聚合酶也从DNA上解离下来,转录终止。AATAAA顺序和它下游的反向重复顺序合称为终止子,是转录终止的信号。

为什么增强子能够增加基因的表达呢?

生长信号与细胞表面的受体分子结合,形成转录因子蛋白分子。转录因子通过无规则热运动,到达细胞核基因处,与启动子结合,形成特异结构。这种结构可以激发RNA聚合酶的活性。RNA聚合酶正好通过热运动到达基因,与这个特异结构相结合,RNA聚合酶于是被成功激活,开始对基因进行转录。

转录因子如果遇上的是增强子,两者结合,形成另一种特异结构。这种结构的分子与RNA聚合酶具有亲和性,在一定程度上可以吸附RNA聚合酶分子,但由于这种吸附力非常弱,两者并不会结合。RNA聚合酶分子在进行无规则运动中,会因为这种吸附力而滞留,大量的RNA聚合酶因此被聚集到增强子附近。增强子离启动子很近,这些酶不久就会遇到不远处启动子代码。启动子可以同RNA聚合酶紧密结合,开始进行转录。基因的转录次数将因为附近酶的浓度增加而提高很多倍。

为什么转录因子能够影响基因的转录频率呢?因为RNA聚合酶同基因的结合并不是非常稳固的,由于结构上并非完全一互补,这种结合有成功的可能,也有不成功的可能。有些情况下,RNA聚合酶会从基因上脱落,使转录失败。而且,RNA聚合酶并没有眼睛去观看基因的情况,来决定是否上前结合。在随机的无目的的热运动过程中,RNA聚合酶同基因的接触只是很短一刹那,由于结构上并非结合得天衣无缝,很多情况下双方都会无法顺利结合。转录因子正好就是解决这一问题的,一旦转录因子这种蛋白分子同基因的启动子序列里的增强子结合,就会产生新结构的复合物,这种复合物将同RNA聚合酶完美地结合在一起,结合十分有力,无法分开,成功率接近百分之百。所以转录因子能够大大增加基因转录的频率。

有的基因在特定条件下会被诱导开始表达。在特定条件下,某些转录因子会被激活。一些转录因子并非时刻都是有活性的,如果被磷酸化,或温度、PH值不合要求,就会失活。如果外界条件变化,给予转录因子相应的刺激,转录因子就会被激活,而拥有可以同基因启动子序列结合的能力。有的基因平时由于阻遏蛋白结合在基因沉默子序列上,或其它原因,而无法同RNA聚合酶结合。转录因子将同启动子结合,改变基因构象,使阻遏蛋白无法继续同基因结合,脱落出去。RNA聚合酶就可以同基因结合,进行转录表达。有的基因原本就无法同RNA聚合酶结合,必须要有转录因子结合到启动子上,改变基因结构,才会被RNA聚合酶识别并结合。

通过以上分析,可以知道,基因的调控,首先基因上有调控序列,可以被蛋白质分子结合,来改变基因的结构。这些调控序列主要是启动子区,包括启动子、增强子、弱化子、沉默子等。

其次,需要有能与基因调控序列结合的蛋白质分子如转录因子、激素等。这些蛋白分子同基因调控序列结合,改变基因结构,使基因被RNA聚合酶结合或无法结合。

这样,就达到了调控基因表达的效果。

转录因子就是通过改变基因的结构,来改变基因对RNA聚合酶的亲和力。就象是胶水的粘度影响两张纸结合的牢固度一样。胶水粘度越大,两张纸结合得越紧密。转录因子就象是胶水,涂在基因上,RNA聚合酶经过时,如果胶水很粘,立刻就将酶粘住,两者紧密结合。如果不够粘,那酶只稍微停留一下,就脱落了。不同的转录因子能赋予基因不同的粘度,同RNA聚合酶结合的能力也不同。如果胶水很粘,那酶转录工作完成脱落后,下一个酶立刻就会被粘上开始新一轮转录,这样基因的转录频率就会变得很高。也就是说,基因同酶的结合能力越强,结合越紧密,那转录频率就越大。

有时,转录因子是通过调节RNA聚合酶的活性来改变基因的转录活性。转录因子同基因结合,其复合物一旦同RNA聚合酶结合,会影响酶的活性。有时增加其活性,使转录顺利完成,有时减少其活性,使转录无法完成。有时,转录因子直接同RNA聚合酶结合,来改变酶的活性。

还有一种调节方式,一些小分子阻遏剂分子是通过改变转录因子的分子结构,来影响基因的表达。转录因子因为结构改变,与基因的结合或更加紧密,或不再顺利,或结合后的复合物由于结构变化影响到与RNA聚合酶的结合度。

这是另一种调节方式:信号蛋白分子与受体结合,使受体被激活。复合物同基因增强子结合,使rna聚合酶活性增加,或使酶与基因结合更加紧密,基因表达增加,转录产物开始增多。

另一种调节方式:转录因子原本无活性。转胞内的某种成份增加,这种成份同转录因子结合,使转录因子激活,同基因调控序列结合,阻遏或加强基因的表达。这种方式可以根据细胞内化学成份的变化来改变基因的表达水平。

衰减子起作用是因为基因里有编码衰减蛋白的系列。这种蛋白分子易形成发夹结构,阻止转录的进一步进行。这种分子结合力弱,使RNA链容易从MRNA模板上脱落。要形成发夹结构,需要细胞某成份增加。如果这个成分不增加,那发夹结构无法形成,衰减子就会失效。所以,这个成份在控制衰减子是否起作用。

DNA分子与组蛋白结合,形成核小体,核小体是染色质的组成成份。组蛋白被磷酸化、甲基化、乙酰化,都会改变组蛋白电荷的性质,降低组蛋白与DNA的结合。从而有利于DNA的转录与复制。这一事实可以提醒我们,DNA上的增强子、弱化子序列是如何发挥作用的。

与增强子序列结合的蛋白质分子,如激素、转录因子、剌激性号与受体的结合物等,会将阿尔法螺旋插入到DNA的大沟中。这大沟在哪里呢?DNA双螺旋结构大家都见过,扭来扭去的。这个结构曲曲折折的,大沟就是这些凹凸不平的沟一样的东西。同核苷酸分子形成复合物。这将改变组蛋白的性质,降低组蛋白与DNA的结合,有利于DNA的转录与复制。这样基因的转录速度会加快,转录次数会提高。

复合物结构与RNA转录酶更加互补,同RNA转录酶将更加牢固地结合,从而更迅速地进行转录。RNA转录酶在进行无序热运动时,能更倾向于同此种复合物结构进行结合。使得这种复合物比其它基因拥有更多的与RNA转录酶结合的机会,从而转录次数大大增加。

弱化子序列刚好相反。蛋白分子同弱化子序列结合后生成的复合物结构,使RNA转录酶同基因的结合非常困难。转录速度变慢。由于结合困维,RNA转录酶同这种基因结合的可能大为下降,转录的频率减少。

总结:

基因表达调控可以用一个很好理解的比喻来解释。每一个基因上都有启动子、增强子、衰减子、终止子等调控元件,调节蛋白比如转录因子就是通过与这些调控元件进行结合,来调控基因的转录。调节蛋白就象是一种液体,抹到调控元件,有的可以让调控元件变得有粘性,有的让调控元件变得滑溜异常,有的让调控元件长出尖角。RNA聚合酶首先与启动子序列结合,然后必须通过基因调控区,如增强子,衰减子,终止子之后,才能对基因进行转录。调控区原本没有粘性,这种结合成功概率不高。与增强子结合的调节蛋白,使增强子序列变得有粘性,可以顺利结合RNA聚合酶完成转录。这会使基因转录频率大大提高。与衰减子结合的调节蛋白,使衰减子序列变得滑溜,RNA聚合酶通过时结合的难度加大,很容易就脱落下来,使转录频率下降。与终止子结合的调节蛋白,使终止子序列长出尖角,象是路障,阻挡RNA聚合酶的通过,从而使基因无法被转录。

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◎6、受精卵是如何从一个细胞分裂成为一个复杂生命体的。细胞是如何随着生长发育而分化的呢?细胞是如何可以在适当的时候关闭某个基因,打开某个基因、增强或衰弱某个基因的表达的呢?

细胞是如何随着生长发育而分化的呢?细胞是如何可以在适当的时候关闭某个基因,打开某个基因、增强或衰弱某个基因的表达的呢?

这个谜一直在困挠着我。但我相信,只要努力,就没有解不开的难题。终于,我理解了细胞分化的奥秘。

生命体在每个生长发育阶段,都会有一个标志性的蛋白质分子——生长因子出现。这与细胞分裂周期有类似之处。细胞分裂分G1、S、G2、M期等。每一个时期,细胞都会出现一种标志性的生长因子,表明细胞是处于这个阶段。这个生长因子出现后,会同其它酶相互作用,激活相应的酶,完成细胞在此阶段的活动。当该时期活动结束时,这个生长因子会水解消失。一直被这个生长因子抑制的另一个生长因子就会被解放出来,开始发挥作用,促进细胞进入下一个时期。

生长发育的原理跟这个是一样的。每一个发育阶段,都会有一个标志性的生长因子出现。它可能本来就存在,但一直没有活性,现在被解放出来,因为压制它使它失去活性的上一期生长因子已经水解消失了。也可能它是被新制造出来。这个制造过程可以是这样的:某个生长因子在完成使命时,细胞会制造出一种标志性的蛋白分子,这种蛋白分子的出现,标志着这一轮生命周期的结束,应该进入下一个生命阶段了。这种蛋白分子将会做两件事,首先是使完成使命的生长因子失活或水解消失,第二件事是同基因区结合,激活生长因子基因,使基因表达,制造出下一个生命阶段的生长因子。

这个生长因子会激活很多的酶,会同一些受体结合为复合体。这些酶与复合体又会去DNA区,同具有互补结构的DNA结合。由此一些DNA被关闭了,另一些DNA则被打开了,或加强了。这样细胞就会开始分化,成为具有特定功能的细胞。当需要进入到下一个发育阶段,需要启动新的基因表达时,这个生长因子就会被磷酸化,失去活性。或水解消失。一直被这个生长因子抑制的下一时期的生长因子才能开始具有活性,发挥作用,使新的基因开始启动并表达。

细胞开始启动某些基因,关闭一些基因时,分化就开始了。这时细胞内会出现标志性的蛋白质,这种蛋白质是启动的基因表达出来的。这种蛋白质分子就是这个细胞分化类型的标志。如血红蛋白之于红细胞,胰岛素之于胰岛素细胞。产生这种蛋白分子的基因就是分化主导基因。细胞能够被这种蛋白质分子的信息分泌出去,同时接受邻近细胞的信息,这些信息都必须是一致的,表明这个细胞团队都是一种类型,细胞才能继续活动下去。否则表明细胞是分化错误,会启动凋亡程序。

细胞究竟选择分化成什么类型的细胞,是由附近细胞发出的信息决定的。如果附近都是肝细胞,那这个细胞就会选择分化为肝细胞。如果附近细胞都还是未分化细胞,那又该如何决定呢?受精卵在开始分裂后不久,会形成三个区域。每个区域的细胞都分化成不同的器官。细胞虽然还没有分化,但对自身处于哪个区域,还是会了解的。不同的区域,细胞会收到不同的信号分子。信号分子同细胞膜上的受体结合后,将运动到DNA区来选择打开或关闭基因。如果附近细胞都没有分化,那这个细胞就会做第一个分化的决定者,选择成为一种类型的细胞。并把这个决定用蛋白质分子的形式分泌出去,送到周围的细胞邻居处。这样邻居们都会按照这个决定来成为同样的细胞。

这样,细胞的基因就从时间与空间上被决定了分化的去向。

受精卵发育的开始首先是分形成三个区域。最初的分裂期是随机性的分配细胞内的资源。结果有的细胞资源多,有的细胞资源少。资源多的细胞就准备形成这个区域比较复杂的器官,资源少的细胞就准备形成这个区域里比较简单的器官。

这时细胞里的基因还大多不能够被表达。基因要表达,需要有调节蛋白、转录因子等的帮助。细胞间也会有信号分子相互传递。某个细胞这时会收到信号分子,与受体结合后,进入细胞核,开启某个基因的转录,产生调节蛋白。这个蛋白会调节更多的基因开启与关闭,同时会分泌到细胞外面,进入邻居细胞,来控制它们的基因开启与表达。这样就会有更多的调节蛋白被生产出来,加入到控制细胞分化行列中。这个细胞开始分裂,将调节蛋白与已调节好的基因传递给下一代的两个细胞。每一代细胞都会比上一代细胞多出一些调节蛋白与被调控好的基因。不过这两个细胞并不会完全一样。调节蛋白会在两个细胞之间不对称不平均地分配。结果两个细胞会有并不相同的调节蛋白,而成为不同的细胞类型。随着多个调切蛋白被一个细胞综合起来处理后,其结果就是细胞成为一个特定类型的分化后的终末细胞。

细胞在分化时,会接受邻居细胞的提示信号来决定分化方向。在胚胎时期,邻居细胞都差不多,大家都没有分化。这时细胞主要是接受上一级细胞的分化指令信号。比如,中胚层的脊索诱导其表面覆盖的外胚层形成神经板。基本上都是先分化的细胞来指导后分化的细胞。

从受精卵形成三个外中内胚层开始,每个细胞都会产生一个标志性的蛋白,代表其所处的位置。随着细胞分化,每一个细胞标志性的位置蛋白会越来越多。上一个位置蛋白将激活基因,生产下一下最新的位置描述蛋白。当最新的位置蛋白产生并激活时,其余的位置蛋白便会水解或失活。通过这一机制,细胞始终都有一个明确的位置标志。这个位置蛋白将激活相应的基因,使细胞分化成与其位置相称的功能类型细胞。

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◎结语:

我们可以得出结论,细胞内这一整套精密的貌似有程序在控制的行为,都是由分子的结构特异性来决定和完成的。也唯有这一机制才是可行的。中央处理器在细胞里是不存在的。细胞唯有非常微小,这一机制才能起作用。原因在于,上万种的有机分子必须能在短时间内就可以周游遍整个细胞找到可以与其分子结构相配对互补的对象分子,使反应可以进行,完成生命活动。一个太大的细胞是不适合的。

既然细胞没有意识,蛋白质或DNA并无生命,故只能用分子结构、热运动、亲水与疏水、浓度、电势差等物理特性来解释生命,才是行得通的。生命得以产生,是在一团乱麻杂乱无章里,通过酶的分门别类,将不同的活动区分开,统一进行。这也说明了生命科学同物理学的内在关系。物理学家进行生命科学探索,所具有的独特的优势,就是可以自然而然地用物理学原理来解释生命现象,而不会觉得困惑。

亲水与疏水。这是两个能使蛋白分子产生特定运动的特性。在细胞多水的环境里,亲水的蛋白分子一般会在胞内水内运动,疏水的蛋白分子则会因为讨厌水而躲在不会接触到水的角落,如细胞膜内。细胞膜由脂双层组成。脂双层分为两头,疏水的一头与亲水的一头。

浓度不同,会驱使离子或分子从浓度高的地方运动到浓度低的地方。

电势差会驱使离子从电势高的地方运动到电势低的地方。

弄清楚了细胞内的各种原理,我们就可以人工制造出一个简单的细胞。

一个杯子里的溶液,放上各种不同结构的蛋白质分子。人体的蛋白分子有上万种,那就把这些蛋白质都放进这个杯里。那这些蛋白质分子几乎肯定会自动完成种种生命活动。它们会寻找与其结构互补的分子,进行各种新陈代谢。每一种分子的中心区域都会搜集一些特定的有机分子进行化学反应,完成特定功能。它们就是酶。

当然,光是我们添加还是太麻烦。如果能让溶液自已制造这些蛋白质就更方便了。我们就在溶液中心部位放上一个有各种小孔的核,作为细胞核。里面是一些核酸分子,这就是细胞的DNA。之所以选择核酸分子,是因为这种分子非常稳定。核酸分子由一个个碱基组成。这些碱基分为4种,A、T、C、G。每三个碱基组成一个密码,代表一种氨基酸。人体蛋白质虽然有几万种,但只由20种不同的氨基酸按不同的顺序组成。所以凭借这四个代码,可以组装成不同的蛋白质。这些代码通过酶的帮助,可以被复制下来,成为MRNA分子。再用一种TRNA分子来运载氨基酸分子。由于TRNA分子一端是三个代码的序号,来同MRNA代码序列进行对应,来组装蛋白质。所以决定了3个碱基代码代表一种氨基酸。

组装蛋白质的程序因此完成了。通过这些程序代码,上万种不同的酶被生产出来,去完成种种生命功能。至此,一个细胞就被完成得差不多了。

现在还要完成一个功能,就是细胞蛋白质生产的时间、生产的数量。这关系到细胞能否正常运行、分化。这需要在DNA上的蛋白质分子组装代码上增加一些控制序列。当需要大量生产某种酶蛋白时,相关的刺激信号、激素等会与细胞表面的受体结合,形成的结合物通过无序运动,来到细胞核DNA区。由于特定的分子结构相匹配,结合物将同DNA基因的控制序列相结合。这种结合物对合成RNA的酶有亲和力,促使大量的RNA酶聚集到基因周围,排队来完成这个基因的复制与翻译,这种蛋白质就会大量被生产出来。相反,如果不需要生产某些蛋白酶时,这种刺激信号与受体结合的产物由于与基因序列结构互补,会与基因控制序列结合,形成一种排斥RNA合成酶的环境。RNA酶将不再出现在这个基因的附近。这个基因将不再被表达生产出蛋白质。如果要彻底关闭一个基因,就用另一种方法。信号与受体结合物会与基因控制序列上的启动子结合,形成奇异结构。RNA合成酶将无法再也基因结合。这个基因也就是关闭了。

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生命的原理确实是非常非常的复杂。但如果真的深入其中,也会感到无穷的乐趣。就象是进入一个大宝藏,发现那么多妙不可言的奥秒。

我相信,不远的将来,会有一天,我们将能够飞越银河系,找到宜居的星球,用DNA技术创造出各种各样的生命,并制造出拥有智慧的人类。已经实现永生的地球人类,将会关注这个被我们创造出来的智慧生命。我们会成为这个星球智慧人类的上帝,掌控他们的命运,受到他们的崇拜与供奉。那时,我们地球人类将无所不能。

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