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精氨酸才能生长；第二株无论得到精氨酸还是瓜氨酸（一种和精氨
酸非常类似的化合物）就能生长；第三株靠精氨酸、瓜氨酸或鸟氨
酸（另一种类似的化合物）都能生长。
阿西莫夫最新科学指南
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你能据此得出什么结论呢？我们可以猜出这三种物质是连续
的三个步骤，最终产物是精氨酸。每一步骤需要一种酶。首先，在
一种酶的帮助下，由某种更简单的化合物形成鸟氨酸；然后，另一
种酶把鸟氨酸变为瓜氨酸；最后，第三种酶把瓜氨酸变为精氨酸。
一株缺少制造鸟氨酸的酶但具有其他酶的脉抱菌突变种，如果供
给它鸟氨酸，它仍能活下去，因为它的孢子能够利用鸟氨酸制造瓜
氨酸，然后再制造必需的精氨酸，当然靠精氨酸本身也能生长。由
于同样原因，我们可以推断出，第二株突变种缺少把鸟氮酸变为瓜
氨酸所需要的酶，因此必须给这个菌株提供瓜氨酸（它能够利用瓜
氨酸制造精氨酸）或精氨酸本身。最后，我们可以得出这样的结
论：只靠精氨酸生长的突变种已经失去了负责把瓜氨酸变为精氨
酸的酶（和基因）。
通过分析他们能够分离的各种突变菌株的行为，比德尔和他
的同事们创立了化学遗传学这门科学。他们研究出生物体合成许
多重要化合物的过程。比德尔提出了著名的一个基因一种酶学
说
①，就是说每个基因都控制着一种酶的形成，这个学说现在为遗
传学家所普遍接受。由于他们的开创性工作，比德尔和塔特姆分
享了
1958年的诺贝尔医学与生理学奖。
异常血红蛋白
比德尔的发现使生物化学家们对蛋白质中（当然，特别是人的
各种突变中）由基因控制的变化的迹象警觉起来了。一个与一种
叫做镰形细胞贫血症的疾病有关的病例意外地出现了，这种疾病
①后来发现，一个基因只能控制合成一条肽链，而一种酶或蛋白质要有几种相同
或不相同的肽链结合成一定的空间结构（构型），才具有正常的生理功能，所以，一个基
因一种酶的公式被一个基因一条肽链所代替。——译注
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
是人类
1 600多种遗传性疾病之一。
这种疾病是美国芝加哥医生赫里克
1910年首先报道的。在
用显微镜观察一个
10多岁的黑人患者的血液样本时，赫里克发现
在正常情况下应为圆形的红血球呈现出各种奇怪而弯曲的形状，
其中许多看起来就像新月形的镰刀。其他医生也开始注意这种奇
特的现象，患者几乎都是黑人。最后，研究者确认镰形细胞贫血症
是一种遗传性疾病，这种疾病遵循孟德尔的遗传定律：显然有一种
镰形细胞基因，如果从父母那里得到两个这样的基因，就会产生这
些畸形的红血球。这种红血球不能很好地携带氧气，而且寿命特
别短，所以血液中缺少红血球。得到两个这种基因的人通常在童
年时期就会死去。但是，如果一个人从他父母的一方只得到一个
镰形细胞基因，不出现这种病。当一个人严重缺氧时（如在高海拔
时），他的红血球才会出现镰形。这种人被认为有镰形细胞性状，
而不是有这种病。
已经发现，大约
9％的美国黑人有这种性状，0。25％的人患有
这种疾病。在中非的一些地区，表现出这种性状的多达黑人人口
的
1/4。很明显，镰形细胞基因起源于非洲的一种突变，此后便由
非洲血统的人遗传下来。既然这种病能够致死，那么，为什么这种
有缺陷的基因一直没有消失呢？20世纪
50年代在非洲的研究找
到了这个问题的答案：有镰形细胞性状的人似乎比正常人对疟疾
具有更强的免疫力。镰形细胞不知为什么不适合于疟原虫寄生。
据估计，在疟疾猖撅的地区，有镰形细胞性状的儿童比没有这种性
状的儿童活到生育年龄的机会大
25％。因此，有一个镰形细胞基
因（但不是引起贫血的两个基因）反而有利。单个基因的保护作用
促使这种有缺陷的基因发展，两个基因的致命作用促使这种基因
消灭，这两种相反的倾向往往产生一种平衡，使这种基因在人口中
维持在一定的水平上。
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在疟疾不严重的地区，这个基因确实在倾向于消失。在美国，
开始时黑人中镰形细胞基因的发生率高达
25％。即使由于黑人
与非黑人的结合，把这个数字降低到估计的
15％，目前只有
9％的
发生率也表明，这个基因在减少。它很可能继续减少下去。如果
非洲消灭了疟疾，这个基因在非洲大概也会减少。
1949年，加利福尼亚理工学院（比德尔也在那里工作）的泡令
和他的同事们证明，这个基因影响红血球里的血红蛋白：有两个镰
形细胞基因的人不能制造正常的血红蛋白。于是，镰形细胞基因
的生物化学意义突然显得重要起来。泡令是用一种叫做电泳的技
术证明这一点的。电泳是利用电流分离蛋白质的一种方法，因为
各种蛋白质分子上的净电荷不同。（电泳技术是瑞典化学家蒂塞
利乌斯研制出来的，他由于这项有用的贡献获得
1948年的诺贝尔
化学奖。）利用电泳分析，泡令发现患镰形细胞贫血症的病人具有
异常血红蛋白（命名为血红蛋白
S），这种血红蛋白可以从正常血
红蛋白中分离出来。正常血红蛋白被命名为血红蛋白
A（A表示
“成人”），以便和胎儿的血红蛋白（命名为血红蛋白
F，F表示“胎
儿”）区别开来。
自
1949年以来，除了血红蛋白
S以外，生物化学家们又发现
了其他一些异常血红蛋白，并按英文字母的顺序由血红蛋白
C命
名到血红蛋白
M。很明显，负责制造血红蛋白的那个基因已经突
变为多个有缺陷的等位基因。每个等位基因都会产生一种血红蛋
白，这些血红蛋白在正常的情况下执行分子的功能比较差，但是在
某种特殊的条件下也许有用处。因此，正像只有一个基因产生的血
红蛋白
S能够增强对疟疾的抵抗力那样，只有一个基因产生的血
红蛋白
C也能增强人体忍受最低含铁量的能力。
既然各种异常血红蛋白的电荷不同，它们肽链上的氨基酸的
排列也必定有所差别，因为氨基酸的成分决定着分子的电荷分布
第十三章 细 胞
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图。这些差别一定非常小，因为各种异常血红蛋白都能勉强执行
血红蛋白的功能。要想在一个有
600个氨基酸的大分子上找出这
种差别，希望同样是很小的。然而，德国血统的美国生物化学家英
格拉姆和他的同事们解决了异常血红蛋白的这个化学问题。
他们用一种蛋白质分解酶把血红蛋白
A、血红蛋白
S和血红
蛋白
C消化，先把它们分解成大小不同的肽。然后用纸电泳把各
种血红蛋白的片段分开——即用电流（而不是通过溶液）使分子沿
着一张湿的滤纸移动。（我们可以认为这是一种带电的纸色谱
法。）当研究者把这三种血红蛋白逐一这样处理后，他们发现三者
之间惟一的差别是，一个单肽在每种血红蛋白中出现的位置不同。
他们继续分解和分析这个肽。最后他们了解到，这个肽是由
9个氨基酸组成的，而且这
9个氨基酸除在一个位置上不同外，在
这三种血红蛋白中的排列完全相同。它们的排列分别是：
血红蛋白
A：组—缬—亮—亮—苏—脯—谷—谷—赖
血红蛋白
S：组—缬—亮—亮—苏—脯—缬—谷—赖
血红蛋白
C：组—缬—亮—亮—苏—脯—赖—谷—赖
由此可知，这三种血红蛋白之间惟一的差别在肽的第七位的
那个氨基酸上：血红蛋白
A是谷氨酸，血红蛋白
S是缬氨酸，血红
蛋白
C是赖氨酸。因为谷氨酸产生负电荷，赖氨酸产生正电荷，
缬氨酸不产生电荷，所以这三个血红蛋白在电泳中表现不同就没
有什么奇怪的了。它们的电荷分布图不同。
但是，分子上这么微小的变化为什么会造成红血球如此重大
的改变呢？原来，正常的红血球里有
1/3是血红蛋白
A。血红蛋
白
A分子在细胞里挤得很紧，几乎没有自由移动的余地。简言
之，它们处在要从溶液里沉淀出来的程度。一个蛋白能否沉淀出
来，部分影响是它所带电荷的性质。如果所有的蛋白都带有相同
的净电荷，它们就会相互排斥无法沉淀。电荷越大（即排斥力越
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大），蛋白越不容易沉淀。血红蛋白
S分子间的排斥力比血红蛋白
A的略微小一点，所以血红蛋白
S相应地不易溶解而更容易沉淀。
当一个镰形细胞基因和一个正常基因配成对时，正常基因可以形
成足够的血红蛋白
A，使血红蛋白
S保留在溶液内，可是这时生命
就岌岌可危了。但是当两个基因都是镰形细胞突变种时，它们就
会只产生血红蛋白
S。这种分子不能保留在溶液内，它会沉淀成
晶体，使红血球扭曲和变弱。
这个学说可以说明，为什么在一个差不多由
600个氨基酸组
成的分子的每一半上，只改变一个氨基酸，就足以产生一种严重的
疾病，而且患者几乎必定夭折。
代谢异常
由于缺少一种酶或由于一个基因的突变而引起的人类缺陷，
已经查出的不止是白化病和镰形细胞贫血症。苯酮尿症也是一种
遗传性代谢缺陷，常常引起智力低下。患者是由于缺少把苯丙氨
酸转变成酪氨酸所需要的一种酶。还有一种半乳糖血症，能引起
白内障并损害脑和肝。已经查明，这种病是由于患者缺少把磷酸
半乳糖转变为磷酸葡萄糖所需要的一种酶。还有一种疾病与缺少
某种�