DNA的atgc

有时我为自己对现代科学知之甚少而感到难过。

我完全理解科学的过程，但新发现似乎总是遥不可及。我没有能力真正理解138亿年前的大爆炸，黑洞对时空的扭曲，或者像希格斯玻色子这样的力粒子。我并不孤单，这并不是一种新的人类状况。科学总是在超越常识的前沿工作。尽管有古希腊人的学问，但两千年前的一些人可能还在为地球是圆的这个想法而挣扎。两百年前的人可能还不知道电和磁之间的联系。今天，这些概念都是微不足道的。也许广义相对论将成为后代的第二天性。这会让我感觉好点吗?是的，我想是的，有一点。

我承认，我不可能完全详细地理解现代科学的所有奇妙发现。然而，对于一些更有影响力的想法，我希望至少了解其基础。几年前，我强迫自己去探究量子物理的本质。然后我研究了爱因斯坦的引力。我发现了一种对我很有效的学习方法(稍后会详细介绍)。现在，我正努力把我的思想集中在这个古老的问题上:什么是生命，它是如何运作的?或者更具体地说:什么是DNA，它是如何工作的?

沃森和克里克

1953年，詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)建立了球棍模型，帮助发现脱氧核糖核酸(DNA)的结构。在这种模型中，球是原子，棒子是原子之间的键。我觉得没有比自己做一个球棍模型更好的方法来理解DNA了。然后我将使用另一个模型来模拟DNA如何自我复制以及DNA代码如何用于产生蛋白质。

2018年1月的一个星期六，我坐在客房的地毯上，房间里有空间摆放我从分子模型公司网上购买的所有内容。我感到很兴奋，就像我小时候在地板上打开一个新的乐高盒子，预览施工步骤一样。原子是小的塑料球，上面有键的存根(你可能还记得，原子有一个由正质子和中性中子组成的原子核，周围是负电子的壳层，而且外层的电子有时可以在原子之间共享以形成键)。氢原子是白色的。碳原子是黑色的。氧原子是红色的。氮原子是蓝色的。磷原子是紫色的。DNA中只有这五种元素。

模型说明书长达九页，包括插图，第一步是组装底座。碱是一种倾向于接受一个质子或提供一个电子对的分子(酸，我们稍后会在DNA中的A中遇到，是一种倾向于接受一个电子对或提供一个质子的分子)。我将构建20个碱基分子:5个叫胸腺嘧啶，5个叫腺嘌呤，5个叫胞嘧啶，5个叫鸟嘌呤。这些碱基通常被称为T、A、C和g。它们的主要结构是由碳原子和氮原子构成的平环——氮原子使它们成为碱基，因为氮原子可以提供一对电子。T和C看起来很像。它们都有一个六边形的环，四角上有四个碳和两个氮。我用20毫米长的灰色管子把每个原子和相邻的两个原子连接起来，管子穿过原子的存根。这些灰色的电子管代表由电子共享形成的强共价键。我通过将单个原子或简单分子(不超过四个原子)连接到大多数角落来装饰外部的环。附属物由氢、氧、碳和氮原子组成。

嘌呤和锥体

T和C碱基被称为嘧啶，较大的A和G碱基被称为嘌呤。每个嘌呤都有一个类似嘧啶的六边形和一个五边形环，通过共享两个相邻的角碳原子连接在一起。

下一步是用氢键将碱基连接成对。氢键是部分带正电的氢原子和部分带负电的原子(如氧或氮)之间的一种弱静电吸引。氢键在模型中由30毫米长的透明管表示。键越弱，键长越长——回想一下，20毫米长的管子代表了更强的共价键。DNA中的碱基对需要大致相同的长度，以适应我稍后会做的双螺旋结构。四种碱基的大小和六角形环上原子的精确附属物使得T和A成对，C和G成对。T和C不配对因为它们都是小嘧啶。同样，A和G也不会配对因为它们都是大嘌呤。如果碱基对需要相同的长度，每对就需要一个嘧啶和一个嘌呤。为什么T不能和G配对，C不能和A配对? The appendages of atoms on the hexagonal rings don't favor these combinations. It turns out T pairs with A via two hydrogen bonds and C pairs with G via three hydrogen bonds. I let this sink in overnight.

第二天我又这样做了。说明书告诉我要组装18个磷酸分子和20个脱氧核糖分子。我用灰色的管子(共价键)把四个红色的氧原子连接到中间紫色的磷原子上，从而制造出磷酸盐。然后我通过构建由四个碳原子和一个氧组成的共价键的五边形环来制造脱氧核糖糖，周长上的附着物由氢、氧和碳原子组成。脱氧核糖中的"d"就是DNA中的"d"

这是一项轻松的工作。这是一个周日的下午，虽然外面很冷，但从南窗射进来的阳光让我感到很温暖。卧室安静、祥和、舒适。构建磷酸盐和糖是一个重复的练习。我的手一遍又一遍地把塑料存根塞进管子里，而我的思绪却在游荡。我想知道为什么DNA是酸，而昨天我做了那么多碱基。做完所有的分子后，我休息一下去查一下这个。我制造的磷酸盐是没有氢原子核的磷酸。在磷酸中，与中心磷原子相连的三个氧原子也与单个氢原子相连，氢原子的带正电的原子核(即质子)可以被捐赠。因为嘧啶和嘌呤碱基——正如我即将看到的——在DNA的内部，而磷酸在外部，所以磷酸占主导地位，DNA整体呈酸性。

成堆的基地……

我现在有了一堆整齐的碱基对，磷酸盐和糖，我准备把它们放在一起形成大分子DNA。我应该说，模型说明中指定的施工顺序(为人类双手精心设计)并不是现实中的施工顺序。在生物体中，DNA的组成部分是核苷酸:一种磷酸，与糖相连，与四种碱基中的一种相连。人体从肝脏中生成核苷酸，或者从降解的RNA(稍后介绍)和DNA中回收核苷酸。

将支持DNA的模型支架是一个23英寸高的杆在一个直径15英寸的木基座上。杆子穿透10个垂直间隔2英寸的丙烯酸玻璃架子。模型说明书规定了从下到上放置在每个架子上的碱基对的顺序。我照着做，不想犯错误。扁平的碱基对很容易放在架子上。我一度质疑我为什么要担心遵循顺序;碱基对的长度大致相同，可以与左边的四个碱基中的任何一个放在一起，也可以与右边的任何一个放在一起。事实上，序列对模型来说并不重要，但对真正的DNA来说，我们将在下一个模型中看到，序列是生命的密码。

有了10个碱基对，我开始连接糖分子。每个糖上的碳原子与每个碱基末端的氮原子形成共价键。最后一步是在糖之间插入并连接磷酸，以产生两个糖-磷酸骨架。在我这样做之前，所有的架子都朝向同一个方向。为了让磷酸盐能进入糖之间，我必须旋转架子。我开始只在一边插入磷酸盐，从下往上。我知道DNA的每个主链都是螺旋状的，但我很惊讶地发现，为了容纳磷酸盐，我不得不扭曲架子的程度。我觉得我有点过于咄咄逼人了。我继续相信到目前为止没有让我失望的指示，当然，结果证明它是正确的。完成的主干大约做一个螺旋旋转。 I insert the phosphates on the other side to complete the second backbone, and I'm done. I spend some time comparing the model to diagrams of DNA in a textbook. Yes, it's correct!

在我进入下一个模型之前，让我描述一下我最近的学习模式。几年前，我在努力理解量子力学这个现代科学奇迹的时候陷入了这个困境。物理学家谈论波粒二象性。工程师们用它来设计计算机。量子力学确实是一件奇怪而重要的事情，但它到底是什么?我想知道。

我读科普书。有很多好的。从这些书中，我获得了一些线索。但我想要的不仅仅是一个线索，所以我寻找其他的学习方法。我决定把我的注意力集中在双缝实验上，它体现了量子力学的主要概念。我读技术教科书，强迫自己继续读下去，即使我不太懂。我在网上看讲座。万不得已，我查阅了维基百科(不要告诉我妻子;我告诉她任何人都可以在上面写任何东西)。

所有这些被动学习都有帮助。然而，当我决定尝试自己进行双缝实验时，我的理解出现了转机。我在家里用激光笔做的。现在事情开始变得有意义了。我画了光的干涉图案。我玩起了波浪的数学。我大脑里的神经元兴奋不已。我鼓起勇气，联系了几所大学，想找一个有双缝实验装置的实验室。我从俄勒冈州波特兰市的家飞到罗德岛州的普罗维登斯去观察布朗大学一次一个光子的实验。通过主动学习，我达到了我的理解水平目标。

把它变成一个项目——这是关键。

为了了解广义相对论，我在2017年8月21日的日食期间见证了科学家们重现阿瑟·爱丁顿爵士1919年著名的日食实验。通过发现来自遥远恒星的光在经过巨大的太阳时是如何弯曲的，我开始欣赏爱因斯坦引力理论的原理。

现在我要讲DNA了:它是什么，它是如何工作的。我从科普书籍(如:DNA詹姆斯·沃森(James Watson)所著)、教科书(如《基因分子生物学由沃森、霍普金斯、罗伯茨、斯泰茨和韦纳撰写)，以及一系列视频讲座(理解遗传学:DNA、基因及其在现实世界中的应用大卫·萨达瓦著)。然后我开始了我的项目:模型制作。首先，我建立了球棍模型，如您所见。现在我正在研究一个模型来展示DNA是如何自我复制以及蛋白质是如何产生的。

我在网上购买的Lab-Aids DNA-RNA蛋白质合成模型试剂盒是供学生在老师的指导下在课堂上使用的。当我在客房的地毯上打开工具包的塑料块时，我感觉自己就像一位老师在指导学生们之前，先检查一下模型，确保我知道自己在做什么。我有《教师指南》!

第一步是构建DNA分子，这将比我之前构建的球棒模型简单得多。在这个模型中，每个碱基、磷酸盐和糖都是一块塑料。每个基分子是一个25毫米长的软管。T是绿色的，A是橙色的，C是蓝色的，G是黄色的。每个磷酸盐分子是一个25毫米长的白色软管。每个糖分子都是一个带有残根的黑色小五边形。

说明书上说要合成18个核苷酸。我从之前的模型中知道核苷酸是什么:一个磷酸连接到一个糖上，再连接到四个碱基中的一个上。我把一个磷酸管和一个碱基管滑动到糖五边形的残根上来制造每个核苷酸。5个核苷酸由T组成，5个与A组成，4个与C组成，4个与G组成。我从之前的模型中知道，T与A配对，C与G配对，所以T碱基的数量等于A碱基的数量，C碱基的数量等于G碱基的数量(这是Chargaff的碱基配对规则)。

我做了两个“半阶梯”，每个有9个核苷酸。然后我把它们并排放置，用小棒连接碱基对——代表氢键——插入基管。结果是一个11.5英寸长的DNA分子，呈阶梯状，有9个碱基对梯级。它是平的。在这一点上，《学生指南》并没有提到DNA分子的形状。在查阅了教师指南后，我认为这是一个向学生询问形状的机会。因为这个模型是用柔性塑料管构造的，所以它可以扭曲成双螺旋的形状。我做了一遍又一遍;它永远不会过时。

DNA包含在染色体中核的细胞。这就是DNA中的N。人类细胞有23对染色体，一组23对来自母亲，另一组23对来自父亲。一个细胞要分裂成两个细胞，每个细胞都有23对相同的染色体(这一过程被称为有丝分裂)，DNA必须复制。

DNA复制

在我模拟DNA复制之前，我先假装自己是一个肝脏，再合成18个核苷酸。然后，为了开始复制，我沿着碱基对之间的弱氢键解压缩DNA分子。当双螺旋分裂成两条独立的链时，我将新核苷酸的碱基连接到每条链上未配对的碱基上。像往常一样，T和A配对，C和g配对。我开始在“顶部”拉开拉链。在这个过程中，模型看起来像字母“Y”:原来的双螺旋在底部，两个新的双螺旋在顶部分叉。当我完成时，我有两个相同的原始DNA副本。

向你自己证明这些拷贝是相同的:假设原始DNA的前三个碱基对是T-A, C-G, A-T。松开拉链的两条线是T-_， C-_， A-_和-A, g, T。知道T和A配对，C和G配对，把新的碱基写进去。

至关重要的是，当细胞分裂时，每个新细胞都保留了与原细胞完全相同的DNA版本，因为DNA是制造蛋白质的代码，这些蛋白质完成了我们认为是生命的事情。蛋白质提供细胞的结构，因此提供骨骼、肌肉、皮肤和头发的结构。其他蛋白质，称为酶，提供促进化学反应的形状。DNA密码通过转录和翻译的过程来制造蛋白质。

蛋白质不是在DNA所在的细胞核中产生的。它们在细胞质中的核糖体中产生。细胞需要某种方式将密码从细胞核传递到核糖体。这是我们第一次遇到核糖核酸(RNA)的地方。RNA与DNA在两个方面不同。RNA中的糖分子是核糖，它与脱氧核糖非常相似，但又不完全相同。RNA使用嘧啶尿嘧啶(U)而不是胸腺嘧啶(T)。RNA有不同的口味。信使RNA，或信使RNA，从细胞核中转录DNA的代码并将其传递给核糖体。

转录

我从构建9个核苷酸开始转录练习。它们最终会形成mRNA，所以我用紫色的五角形表示核糖，用淡紫色的管表示U，而不是黑色的五角形表示脱氧核糖，用绿色的管表示t，然后从复制活动中解压缩一个DNA分子。当双螺旋分裂成两条独立的链时(就像它在复制过程中所做的那样)，我将mRNA核苷酸的碱基连接到其中一条链上新未配对的碱基上(称为AGTCTAGCT)。U与A配对，A与T配对，C与G配对，G与C配对。mRNA核苷酸现在并排在一起，相邻的糖分子和磷酸分子之间形成共价键。当新的mRNA链形成时，我将其从DNA链上解压缩，并将两条DNA链重新压缩在一起。瞧，我现在有了一条单链mRNA, DNA分子也恢复了。在真正的细胞中，此时mRNA会通过膜上的孔离开细胞核，进入细胞质中的核糖体。

我的mRNA链只包含9个碱基(UCAGAUCGA)。真正的mRNA链要长得多。每个人类染色体中的DNA包含数百万个碱基对，这些碱基对组成数百到数千个基因。基因包含数百到数千个碱基对，是一个重要的编码单位。过去人们认为每个基因被翻译成一种蛋白质;现在我们知道平均大约有三种蛋白质。在转录练习中，我解开了整个DNA分子，这没什么大不了的，因为它只有9个碱基对。在现实生活中，转录并不涉及解开带有数百万碱基对的整个DNA分子;只有与特定基因相对应的片段解压缩并转录。mRNA携带着这个特定基因的密码，连同它的数千个碱基，向核糖体传递。

我把含有9个碱基的信使rna链放在一块紫色的塑料片上，我猜是核糖体的形状。核糖体是紫色的，就像核糖五边形一样，因为核糖体，从名字就能看出来，含有核糖。它的结构，我猜是复杂的，将不得不成为另一天的教训。

在细胞质的其他地方，另一种被称为转移RNA (tRNA)的RNA正在收集氨基酸。tRNA分子与mRNA分子不同。tRNA的一侧确实看起来像mRNA，但要短得多:它只包含三个碱基。另一边看起来像锁眼。锁眼上的钥匙是氨基酸的一部分。

翻译:从基因到蛋白质

氨基酸是蛋白质的基本成分。一共有20个。人体可以制造一些;其余的我们从食物中获取。所有氨基酸都有一个中心碳原子共价键连到四个字符上:氢原子、氨基、羧基和侧链。侧链是20种氨基酸中唯一不同的特征。它是氨基酸的关键。模型中的三种氨基酸每一种都有不同的键:矩形、三角形和半圆。

三个tRNA模型的每一个都有，在一侧有一个长方形、三角形或半圆的锁孔槽。另一边有三个垒桩。这三种碱基合在一起形成一个称为三联体的单位。碱基三联体、tRNA及其锁孔和氨基酸与其键之间存在特定的关系。请原谅我;这太棒了。

三个tRNA分子上的碱基必须与mRNA上的碱基配对，后者耐心地等待在核糖体上。mRNA上的前三个碱基是U, C和A，所以第一个tRNA上的碱基必须是A, G和U，我把这些碱基放在第一个tRNA上。这个tRNA的另一侧有一个矩形锁孔，锁孔上有一个带矩形钥匙的氨基酸。mRNA上接下来的三个碱基是G, A和U，所以第二个tRNA上的碱基必须是C, U和A。第二个tRNA上有三角形的锁孔，用三角形的锁孔固定氨基酸。mRNA上的最后三个碱基是C, G和A，所以最后一个tRNA上的碱基必须是G, C和u。最后一个tRNA有一个圆形钥匙孔，用圆形钥匙孔固定氨基酸。我查阅了一本教科书，发现tRNA分子的碱基三联体AGU、CUA和GCU总是在它们的另一侧分别有丝氨酸(矩形键)、天冬氨酸(三角形键)和精氨酸(圆形键)。

现在我用氢键把三个tRNA分子的碱基连接到mRNA分子的碱基上。在这种排列中，三种氨基酸并排排列，其中一种氨基酸的氨基紧挨着另一种氨基酸的羧基。我用灰色的管子在相邻的氨基酸之间形成共价键。最后，我从tRNA分子上分离出三个结合的氨基酸。我现在有了一个非常短的蛋白质分子的表示。在现实生活中，由数百个氨基酸组成的长串会折叠成一种特定的蛋白质，这取决于氨基酸的确切类型和序列。

遗传密码

让我们静下心来总结一下所发生的事情。当我们打开DNA分子进行转录时，这些碱基暴露出来:AGT, CTA和GCT。相应的mRNA分子有以下碱基:UCA、GAU和CGA。在翻译过程中，相应的tRNA分子具有以下碱基/氨基酸:AGU/丝氨酸，CUA/天冬氨酸和GCU/精氨酸。下面是相同信息的表格:

DNA碱基AGT CTA GCT

mRNA碱基UCA GAU CGA

tRNA碱基AGU CUA GCU

氨基酸丝氨酸，天冬氨酸，精氨酸

丝氨酸、天冬氨酸和精氨酸结合形成特定蛋白质分子的一部分。这些是DNA密码如何被用来产生蛋白质的大致轮廓。我很敬畏我们知道这是如何运作的。

又一个星期天结束了。由于在地毯上坐得太久，我的腿疼。我拉开窗帘;外面几乎黑了。明天我得去上班。

这两种型号我都用完了，这很遗憾，因为我真的很喜欢它们。我还是有很多问题要问。我所了解的所有过程都需要不同种类的酶。我对酶的工作原理只有模糊的了解。核糖体和tRNA分子的组成对我来说仍然是一个谜。这超出了Lab-Aids模型套件的范围。我不知道mRNA和tRNA是如何到达核糖体的。尽管我很累——记录所有这些碱基和它们的字母是一项艰苦的工作——我还是在《基因分子生物学》中寻找答案。尽管我刚刚有了惊人的学习经历，但离开客房时，我还是对一些我仍然不知道的细节感到有点沮丧。

睡个好觉后，我醒来后会有一个正确的视角。我记得我的目标是:对DNA是什么以及它的代码是如何用来制造蛋白质有一个基本的了解。任务完成分子生物学家说生命服从化学，现在我明白了其中的道理。如果我想学得更多，我有这样做的基础。