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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�