DNA、RNA 与遗传信息

你的身体由许多细胞组成。细胞是一个小的生命单位。细胞膜把内部与周围环境隔开，也调节物质进出，并不是任何东西都过不去的实心墙。细胞内部，分子参与制造新材料、释放可利用能量，也有分子帮助搬运物质。分子是一群连接在一起的原子；原子是构成物质的很小单位，原子重新组合就形成不同的化学物质。这一章先跟着三样东西走：细胞、细胞膜，以及细胞里做这些工作的分子。

完成这些工作的分子中，很多是蛋白质。蛋白质含有一条或多条氨基酸链；氨基酸是构成这些链的小分子单位。单位的排列顺序会影响链怎样折叠，以及蛋白质能做什么。因此，只有原料还不够：细胞还需要一种办法，确定这些原料应该怎样排列。

刚才说，细胞需要保留下来的是一种排列顺序，这就把我们带到了 DNA。它的中文名称是脱氧核糖核酸，是一种保存生物序列信息的化学物质。“信息”现在可能仍有些抽象，后面我们会沿着组成单位的顺序，看其他分子怎样利用它；眼下先找到这份材料。下面人体细胞模型中的大部分 DNA 位于细胞核，也就是有自己的膜包围的区域。线粒体也含少量 DNA；这个例子追踪的是细胞核里的那一份。

把很小的结构放大以后，细节变清楚了，却也容易冒出一个新疑问：“我现在看的，还是刚才那一段吗？”细胞与 DNA 分子的大小相差太多，我们需要分几次放大。因此，按“下一步”前，请找到橙色选区。视角会变，橙色却始终帮我们认住同一份选中的材料。如果新画面让你有些找不到位置，可以看一眼下方的小图，它替我们保留着原来的位置。

细胞核里面的紫色丝状物表示染色质。染色质指 DNA 与参与组织它的相关蛋白质。橙色部分就是从这批紫色丝状物中选出的一段。后面看清 DNA 与供它缠绕的蛋白质，是在揭示染色质本身的组成，不是在里面发现一种无关的第二种材料。

再回头看那个缠绕单位，它叫核小体：DNA 绕在由八个组蛋白组成的核心上。组蛋白是一类蛋白质，不是 DNA 的另一个名字。许多这样的单位帮助组织一条很长的 DNA 分子。模型把单位之间的距离拉开，是为了让连接看得清；细胞内的染色质并不总是一根均匀、规则盘绕的纤维。

DNA 和染色体也不能随意当作同一个词。染色体是这种 DNA—蛋白质材料经过组织形成的一个单位。复制前，一条人的核染色体包含一个很长的双链 DNA 分子及相关蛋白质。即使它伸展开、在显微镜下不容易分辨，它仍然是染色体，不必长成 X 形才算。

为了把数量讲清楚，我们选一个具有两套染色体的典型人体细胞：来自父母各一套，每套 23 条，合计 46 条。这是本课的例子，不是说所有人体细胞都一样。卵细胞和精子通常各有 23 条；成熟的人体红细胞没有细胞核。某些其他特化细胞也不符合这个例子。

在一次普通细胞分裂之前，每个 DNA 分子先被复制。两份副本分别位于两条姐妹染色单体中，并暂时保持相连。染色单体就是这样的 DNA 与蛋白质副本。姐妹染色单体在分开前保持结合；X 形图中央收窄、称为着丝粒的区域，是我们熟悉的连接区域。每条姐妹染色单体都含有一个完整的双链 DNA 分子。所以，X 的两半并不是一个 DNA 双螺旋的两条链。

姐妹染色单体还连接着时，着丝粒把它们连在一起，仍是一个整体，所以这一对算作一条已复制的染色体。DNA 的量已经加倍，染色体计数却还没有随之加倍。姐妹分开后，每一条才分别算作一条染色体。在普通的分裂中，两个子细胞各得到每条染色体的一份副本。

上面的示意图只跟踪一条染色体。要看到全部染色体，可以回到第 2 章的三维模型，按“比较细胞分裂时的染色体”：那个分裂视图展示 46 条已复制的染色体，共含 92 个 DNA 分子。它们被拉开、排放，便于观察数量；这不是它们在活细胞中的随机位置，也不是中期赤道板。这里的 X 形表示凝缩的、已复制的染色体，不表示它们全都是名叫 X 的性染色体。核膜解体和染色体凝缩也有过程，并不是一按开关就在同一瞬间全部完成。

现在回到 DNA 分子本身。物质由原子构成，化学键可以把原子连接成分子。核苷酸是 DNA 链的一个重复单位，包含三个相连的部分：磷酸基团、叫脱氧核糖的糖，以及一个碱基。这里的“碱基”只是核苷酸的一部分，不能用它代指整个核苷酸。

DNA 常见的四种碱基是腺嘌呤 A、胸腺嘧啶 T、鸟嘌呤 G 和胞嘧啶 C。我们使用字母，是因为追踪十二个字母比追踪十二个很长的化学名称容易。糖与磷酸反复连接，构成链的骨架；每个糖还连接着一个碱基。换一个字母，改变的是碱基，不是把整条骨架的基本连接方式都换掉。

在第一条链旁边放上第二条链。DNA 通常按 A 配 T、G 配 C 的规则配对。这样的互补配对有相容的形状与原子排列，可以形成氢键。氢键是特定原子基团之间的吸引作用，与维持每条链骨架连接的共价键不同。

A—T 通常形成两个氢键，G—C 形成三个。不过，如果说 DNA 的形状只靠氢键维持，就不完整了。相邻的碱基还在螺旋内部彼此堆叠，这些堆叠相互作用也对稳定结构有重要贡献。看模型时，既要横着看一对碱基，也要沿着螺旋看相邻碱基的堆叠。

分子的某些部分本来就近似平面，例如这些碱基的环状部分；另一些部分则向三维空间伸展。准确的模型应同时保留这两件事。拖动核苷酸，看看折起的糖环与立体的磷酸基团，再与碱基环比较。球和棍只是表示原子、化学键的绘图约定，不是它们表面的照片。

每个核苷酸的糖里面，碳原子有编号。$5'$ 和 $3'$ 指其中两个位置，分别读作“五撇”和“三撇”。相邻核苷酸通过磷酸连接：一个糖的 $3'$ 位置与下一个糖的 $5'$ 位置相连。因此，一条链的两个末端有不同的化学性质。撇号用来区分糖上的原子编号，不表示导数、时间或长度。

DNA 的两条链方向相反。如果上面一条从左侧的 $5'$ 通向右侧的 $3'$，下面的伙伴就从左侧的 $3'$ 通向右侧的 $5'$。这叫反向平行，说的是两条链的化学朝向，不是说它们正在往相反的方向移动。

现在使用结构模型中的同样十二个位置。在每个位置，选择应当放在已有碱基正下方的伙伴。从位置 1 开始：上方是 $A$，下方就应是 $T$。位置 2 上方是 $T$，下方就应是 $A$。我们是在从左到右记录相对的位置，还没有把下面那条链改写成它自身的 $5'$ 到 $3'$ 阅读顺序。

单独写一条 DNA 序列时，通常按 $5'$ 到 $3'$ 的方向写。找到互补链，就是在每个位置选出配对的碱基。这样确定了碱基，但图上显示的顺序可能是 $3'$ 到 $5'$。如果要按 $5'$ 到 $3'$ 书写，就需要把显示顺序反过来。以这十二个位置为例，下方伙伴从左到右是 3′–TACGCATGCGAT–5′；从第 12 位往回念，就是 5′–TAGCGTACGCAT–3′。改变的是书写方向，分子本身没有改变。

糖—磷酸的框架不断重复，但碱基顺序可以变化。ATG 和 AGT 含有相同的三个字母，排列却不同。与这些片段相互作用的分子能够区分这种顺序。因此，序列会影响细胞制造什么，以及在什么时候制造。这里的信息指一种能通过分子相互作用被复制、被利用的排列；不是说字母自己懂得含义。

基因是一段用于制造有功能的 RNA 的 DNA 序列。有些 RNA 携带制造蛋白质的指令，细胞读取其中相应的部分，确定要用哪些氨基酸。另一些 RNA 本身就在细胞里承担工作，并不用于制造蛋白质。稍后会遇到的 tRNA 和 rRNA 就是例子。所以，说“每个基因都制造蛋白质”会漏掉重要的一类基因。

也不是每一段 DNA 都编码蛋白质。有些区域帮助调节基因在什么时候被使用；有些承担结构或其他作用，还有一些区域的作用尚未完全了解。一个生物的全部 DNA 称为基因组。一条染色体是这个集合中经过组织的一部分，不是一个基因；沿着一条染色体可以分布许多基因和其他序列。

上面的十二碱基例子是为了练习结构和配对而设计的，不是一整个能工作的真实人体基因。仅仅含有 A、T、G、C，甚至含有某个熟悉的短序列，也不足以构成带有全部必要使用信号的完整基因。

回到最初的问题：两个子细胞怎样都得到 DNA 信息？如果只是把一个分子剪成两半，每个细胞就只得到其中一部分序列。因此，细胞在分裂前要制造副本。把 DNA 复制成 DNA 的过程，叫 DNA 复制。

互补配对提供了一个办法。把两条链分开，但不切断任何一条骨架。每个露出的旧碱基，就限定了旁边应当放什么新碱基：旧 A 对应新 T，旧 T 对应新 A，G 与 C 也互相对应。旧链充当模板，也就是用来决定新序列的已有序列。

模型用紫色骨架标记原来已有的材料，用蓝色骨架标记新制造的材料；碱基颜色仍然区分 A、T、G、C。请把两条旧链都追踪到最后。不要因为说“得到两个新的 DNA 分子”，就以为两个产物中的每个原子都必须是新的。

最后，每个双螺旋都包含一条旧链和一条新链。这就是半保留复制：每个产物的两条链中，有一条来自原来的分子。旧链提供顺序依据，游离的核苷酸提供新材料。旧碱基并没有分裂成两份，也没有变成新链。

真实细胞不能只靠一条配对规则工作。这一段和下一段是补充细节，第一次读可以先跳过。解旋酶是一种帮助局部打开双链的分子机器。DNA 聚合酶则是把合适的核苷酸添加到生长中 DNA 链上的酶。酶是帮助化学反应进行的分子，许多酶是蛋白质。DNA 聚合酶需要已有的起始末端，这由一小段引物提供；它把新单位接到新链的 $3'$ 端。因此，新 DNA 沿 $5'$ 到 $3'$ 方向增长。

旧 DNA 上打开的区域会继续推进，分叉的末端叫复制叉。旧链的朝向相反，两条新链不能朝同一个方向延长。一条沿着复制叉推进的方向延长；另一条分成短段，各段朝远离复制叉的方向生长。每个短段仍然都是 $5'$ 到 $3'$ 合成。引物被移除并用 DNA 补上后，DNA 连接酶封闭剩余的骨架断口，最后得到连续的链；不是第二条链倒着合成。

这个动画专门把配对与旧材料的去向讲清。展开成直梯、同时补上对应位置，都是展示选择，不是这些酶的完整时序图。模型还假定复制正确。细胞有校对和修复机制，但错误有时仍会留下；DNA 序列发生的改变称为突变。

现在可以分清两个看起来容易混淆的过程。复制把 DNA 复制成 DNA，使基因组能够在分裂时传下去。转录则以选定的一段 DNA 为模板，制造 RNA。对某一个 RNA 产物，转录读取两条 DNA 链中的一条，原来的 DNA 仍然保留。

RNA 叫核糖核酸。它也由核苷酸组成，不过糖是核糖，不是脱氧核糖；常见碱基是 A、U、G、C。U 叫尿嘧啶。转录时，DNA 模板上的 A 配来的是 RNA 的 U；如果在复制 DNA，同样的位置则配 T。RNA 通常是单链，但同一条链的不同部分可以互相配对，折成三维形状。

翻译又是第三个过程：利用 mRNA 的序列组装氨基酸链。mRNA 的名称是信使 RNA。信息链提供顺序，氨基酸提供新链的材料；不是 mRNA 自己变成了蛋白质。接下来，我们会分别观察 RNA 信息链、搬运氨基酸的 tRNA，以及组装链的核糖体内部所含的 rRNA。

进入下面的工作台时，我们特意换一个短例子。前面的 ATGCGTACGCTA 用于练习 DNA 配对；这里经过 RNA 加工后，信息是 AUG GCU UUU UAA。这样可以完整追踪三个氨基酸和一个终止信号，不必把步骤藏在很长的序列里。这是两个独立的教学例子，不是同一个分子变化前后的状态。

下面的讲解说明蛋白质与 RNA 是什么。带着这些对象，我们就能看懂 mRNA、tRNA、rRNA 和组装循环分别在做什么。每章都有稳定的视角；“播放”只演示当前一步，结束后停下来，由你按“下一步”决定何时继续。只有想检查结构时才需要旋转或缩放；找不到位置时，用“恢复视角”回到本章的观察位置。

现在可以具体检查：碱基顺序改变了什么？我们继续用 RNA 工作台的短信息 AUG GCU UUU UAA。这里列出对应的编码 DNA 链：$5'—ATG GCT TTT TAA—3'$。编码链与 RNA 的序列对应，只是 DNA 使用 $T$，RNA 的对应位置使用 $U$。转录时充当模板的是对面的另一条 DNA 链。

密码子是在确定阅读框内读取的三个 RNA 碱基。阅读框说明从哪里开始每三个分一组。这个虚构例子把第一个 AUG 固定为起点，然后连续分组，不跳过字母，也不让相邻组重叠。标准遗传密码把每组对应到一种氨基酸或终止信号；同一种氨基酸可以由不止一种密码子指定。

可以选择一个例子，也可以修改下面编码 DNA 的某个字母。碱基替换是把一个字母换成另一个，字母总数不变。相对的模板与产生的 RNA 会跟着更新。请沿着一列往下看：DNA 序列、RNA 密码子，然后是对应氨基酸。遇到第一个终止密码子后，后续分组仍在信息链上，但不会继续加到这条氨基酸链上。

同义改变表示在这个阅读框中，氨基酸序列没有改变。这不等于已经证明它在活细胞里完全没有影响：RNA 的加工、稳定性或翻译过程也可能受到影响。换了一个氨基酸同样不能直接证明会引起疾病。这个小模型只报告在指定起点与阅读框下的序列结果，不预测人的健康。

回到开头的细胞。紫色染色质是 DNA 与蛋白质共同组成的材料；DNA 的碱基排成序列，互补配对让这个序列能够被复制，复制的每个产物各保留一条旧链。选定的一段 DNA 也可以被转录成 RNA。有些 RNA 携带信息，另一些充当适配器，或构成利用信息的机器的一部分。

试着回答下面的问题，解释可以展开查看。回答时可以说清楚：有哪些材料，什么发生了变化，什么保留下来。过程的名称能帮助我们称呼它，但还没有说明它是怎样发生的。