四，揭开生命本质认识的里程碑－分子生物学之建立　

　　20世纪生命科学的巨大进展，表现在它已基本完成了对生命现象的外观形貌和分类的描述，并作不转日到在分子层次上对生命现象的本质认识的阶段。这一转变是人类认识自然以及认识自我的一次大飞跃。同时这一转变也是数理基础学科，高科技学科广泛的渗透生物学的结果。其中最重要的标志是在20世纪50年代由克里克和沃森将晶体学理论的Ｘ射线技术，应用于探明生命遗传物质脱氧核糖核酸（DNA）分子的空间架构上所取得的惊人成就。DNA双螺旋结构的发现阐明了遗传的本质，揭示了生物体世代相传现象的分子基础，从而开创了分子层次上认识生命现象的新科学－分子生物学。分子生物学的建立是将生命过程，即生长发育，繁殖，遗产变异以及生物与环境间的相互作用等过程与分子结构的分析紧密结合在一起的成功典范。完全可以说分子生物学的建立对人类的影响和贡献绝不亚于进化论，量子理论和相对论对人类产生的影响和贡献。

（一） 生物体的内在统一性

　　和人类将万物的存在归结为组成它的分子原子一样，分子生物学则将千差万别的生物种属归结为对组成生物体的最基本的物质结构的认识上。尽管地球上数以百万计的物种，其外观形态，宏观组织以及生理活动和性状表现，不仅对不同种属有天壤之别，即使对孪生兄弟也不会完全一样。但是分子生物学已经判明：所有生物体内在本质是高度统一的。无论是高等动，植物，包括人类，直到最简单的细胞生物，其最基本最重要的组成物质都有两个基本“元素”组成。这两个基本“元素”就是核酸和蛋白质。其中核酸是生物的遗传物质和遗传信息的携带者。核酸由两种生物大分子组成，一是实现遗传信息，并储存遗传信息的承担者－DNA分子；另一个是作为遗传信息的信使－RNA分子，它将遗传信息从DNA转录并传递给蛋白质分子。生物体的遗传功能就是靠这两种生物大分子来完成的。其中核酸中的DNA分子通过组成它的四种核苷酸来确定的有序排列（编码）形式来实现遗传信息，并储存遗传信息。必须指出，ＤＮＡ所实现和储存的信息都只在细胞核中进行。而蛋白质的合成则是在核外的细胞质中进行的。为此就需一种遗传信息的信使分子－RNA。RNA分子可以由细胞核进入到细胞质中，而且RNA有两个基本功能，即“转录”和“翻译”。“转录”是RNA分子在细胞核中以DNA分子中的一条链为模板，按碱基配对规则来合成ＲＮＡ的过程。“翻译”是经转录后的RNA分子进入细胞质中，又以RNA为模板，合成与亲代一样的具有确定氨基酸序列的蛋白质。因此生物体中第一个基本“元素”——核酸具有两方面的特殊功能：一是自我复制，即由亲代复制一份　　ＤＮＡ分子传给子代；二是通过信使分子RNA控制分子生物物质——第二个基本“元素”——蛋白质的合成，使亲代的性状在子代蛋白质结构中反映出来。蛋白质则是生物的呼吸、运动、消化、生殖、感知、反应等生命活动的承担者。虽然各种生物存在形式千差万别，但它们都是由相同的20种氨基酸以相同的连接方式——肽键连接，并按确定的列顺序组成的。

　　如上所述，所有生物体的组成物质都的本质上是统一的，所不同的只是组成其核酸中核苷酸排序，以及组成蛋白质中氨基酸的排序不同而已。由于这种排序几乎是“无穷无尽”的，因此才会产生数以百万计，甚至千万计的生物物种。图4.5和图4.6分别给出了组成核酸的五种碱基和组成蛋白质的20种氨基酸的化学结构。其中核酸中ＤＮＡ分子由A、G、T、C四种核苷酸按一定的配对规则，并由相同的磷脂键连接的确定的核苷酸序列构成；RNA分子由A、G、T、P四种核苷酸依确定的配对规则，由相同的磷脂键连接的确定的核苷酸排列组成。蛋白质分子则由图中20种氨基酸以相同的肽键连接的确定氨基酸序列。总之组成复杂生命物质之统一在于核酸和蛋白质。

（二）蛋白质的空间结构和ＤＮＡ的双螺旋结构
　　1957年，英国科学家桑格首次测定了含51个氨基酸的胰岛素分子的氨基酸排序列顺序（又称化学结构，或一级结构），开创了人类测定蛋白质分子的氨基酸排列顺序的时代。这项伟大贡献使他获得1958年诺贝尔化学奖。1965年，我国科学家用化学方法人工合了成胰岛素。胰岛素的人工合成不仅打破了生命物质与非生命物质的界限，而且宣告了人工可以合成生命物质。蛋白质除有特定的氨基酸排列外，还必须具有特定的空间构造，只有具有特定空间构造的蛋白质才能表现其生物功能。1959年英国科学家佩鲁兹和肯特鲁首次阐明了中蛋白质的全部空间结构（血红蛋白和肌红蛋白），因此他们获得1962年诺贝尔化学奖。图4.7是一种简单的蛋白质在的——胰岛素的空间结构。可以看出以确定的氨基酸顺序排列的肽键，在空间必将以一定方式卷曲折叠以获得最优生命状态的空间结构，这种结构对蛋白质发挥生物功能是一种最佳选择。

　　　
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　　 1953年，英国的科学家克里克和美国的沃森博士（实验室科学家） ＤＮＡ的双螺旋结构，便令人信服的用X—射线试验证实了 ＤＮＡ的双螺旋结构。这人类认识生物结构，认识生物本质的一次重大的飞跃。克里克和沃森证实了ＤＮＡ双螺旋结构的稳定　性，依赖于两股平行螺旋的核苷酸链上的碱基必须按一定方式配对才能稳定的，否则是不稳定的。稳定的碱基对必须是鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）配对，腺嘌呤(A)和胸腺嘧啶（T）配对，并由此构成右手双螺旋的ＤＮＡ结构，显示出生物本质的不对称性。组成双螺旋的ＤＮＡ分子在遗传中，从螺旋结构被拆开成为单股核苷酸链，然后各以一条母链为模板合成另一条核苷酸链，在按碱基配对规则形成两条新的以母链为模板的ＤＮＡ双螺旋结构。由于其中碱基必须以一定方式配对才是稳定的，因此新合成的两条双螺旋ＤＮＡ链必然和母链的ＤＮＡ结构完全相同（参看图4.8），这就从分子层次上阐明了遗传信息世代相传的本质过程。克里克和沃森由于创立的ＤＮＡ双螺旋分子结构，他们共同获得了1962年度诺贝尔医学生物学奖。

　　　
图4.8 　DNA的双螺旋结构

（三）膜——生物体生命活动的基本结构

　　膜结构是生物体基本结构之一。它不仅是组成生物外周的生命功能组织，而且在细胞内部对各种不同功能的区域——细胞器也靠膜作为它的周界。膜主要由磷脂和蛋白质组成。不同的细胞因不同的功能而具有不同组成的结构的膜。如承担细胞呼吸功能的线粒体膜，是以蛋白质为膜的主要成分。而神经细胞的外周膜则以磷脂为膜的主要成分。磷酯是由甘油、脂肪酸酯和磷酸酯组成，因为磷酸既有酯溶性部分，又有水溶性部分。因此他们在水溶液中的稳定结构是双层结构，其脂溶性物质指向层内，水溶性部分指向层外伸入水溶液中，膜的蛋白质则镶嵌于磷脂双层结构中。根据功能不同，蛋白质镶嵌的部位和分量也不相同，有道镶在磷脂膜的表面，有的嵌入其中。此外，膜结构上还有少量糖和RNA分子。

　　许多极为重要的生命活动都与膜结构紧密相关。如动物从食物的氧化过程中，通过氧化磷酸化作用已获取能量；植物从光合作用中的光合磷酸化作用获取能量，这些过程都是通过膜来完成的。

　　为了完成一个完整细胞的各种功能，细胞内部还必须被膜所围成的小区域，称为细胞器。细胞中每一种细胞器都有特定的功能。例如，细胞核含有承担遗传功能的染色体，这种染色体必须由膜包围，使之与细胞质分开，保持染色体的相对独立性和稳定性。又如溶酶体含有各种水解酶，这种酶仅允许在特定情况下发挥其作用，如果不为膜包围，它将直接破坏蛋白质的正常功能，从而导致细胞死亡。膜除作周界外，还有一个很主要功能，即膜具有能选择性地吸收外界营养物质，排斥外界有害物质，以及代谢细胞中的废物。膜实现有选择地吸收营养，代谢废物，排斥有害物的功能，主要是由膜的组成结构具有内层疏水、外层亲水的性质决定的。正由于膜层具有这一特性，一般物质不能自由通过细胞膜，这样就能在不断变化的外部环境中，仍然保持细胞内部的稳定性。总之，由膜和细胞质、细胞核组成的细胞就是一个开放的，具有智能化运行的自组织的耗散结构。当今非线性、非平衡耗散结构理论、控制论、协同论的兴起和发展，必将进一步推动人类对生命本质过程的更深刻认识。