19世紀，人類迎來了科學大爆發
物理學在電光熱各個領域都迎來了突破性進展
元素週期表的發現，
讓化學從一門毫無規律，極度考驗記憶力的學科
變得有規律可循
而生物學，同樣迎來了巨大的進步
細胞學說，進化論，遺傳學說讓生物學從一門分類學，
變成了獨立的科學
細胞學說之於生物
如同原子論對化學一般重要
因為細胞是構建生命體的基石
每一個生命都是由不同細胞組成的
知道的越多，恐懼的越少
大家好，我是頭髮永遠比你少的晨晨爸爸
今天我們來看看細胞的工作
細胞
上篇我們透過有機化學瞭解了生命的基礎物質
但並不是把這些物質湊一塊就能變成細胞了
一套最基本的細胞裝置需要擁有以下幾個部件：
一本說明書（DNA）
一套能夠閱讀說明書的RNA和核糖體，
負責把這些東西包裹起來的膜以及胞質溶膠
這些部件產品湊一塊
才能組成生命的基本單元
當然，這是最簡陋的狀態
形成的就是原核生物
原核生物主要包括細菌和古菌
比如我們腸道中的大腸桿菌就是原核生物
而我們肉眼能看見的絕大部分生物，
都屬於另一大類
真核生物
我們可以理解為
真的有一個核的生物
啥核呢？
細胞核
相對於原核生物的簡陋茅草屋
真核生物的細胞
那就是金碧輝煌的皇宮
真核生物有小部分以單細胞存在
其餘大部分都是多細胞生物
我們眼睛能直接看到的生物
都是真核生物
比如人類，蚊子，樹木等等
真核生物的細胞形狀多樣
尺寸差別也很大
比如
人類的面板細胞，神經細胞，血紅細胞，肝臟細胞等等
長得都不一樣
但無論人類的細胞長成啥樣
都來源於同一個祖宗——受精卵
受精卵的一次又一次分裂
分化出了不同外形和功能的細胞
現在
讓我們進入細胞內部看一看
每個真核細胞基本都會有下面這幾個部件：
一層內膜包裹著DNA形成細胞核
在細胞核外
有線粒體，負責製造發動機ATP
有內質網，上面佈滿了核糖體用來製造蛋白質
在細胞內的胞質溶膠中還有遊離的核糖體，作用一樣
高爾基體負責將蛋白質分類包裝運輸到工作場所
外面一層是質膜
把這些物質打包包裹起來。
這就是個典型的真核細胞
當然，這是真核細胞最基本的組成
不同細胞還有不同的物質
植物的細胞略有不同
除了上面提到的物質
在質膜外面還有一圈細胞壁
主要由纖維素和其他多糖組成
因為植物無法走動到河邊喝水
所以植物細胞會把水分儲存在質膜和細胞壁中間
在植物細胞內部
還有一個不同於動物的特殊部件——葉綠體
用來吸收二氧化碳製造葡萄糖和氧氣
這些我們後面再說
讓我們先翻閱說明書DNA
生命的秘密全部藏在說明書DNA裡
這是怎麼做到的？
實際上細胞發揮作用主要靠各種蛋白質
我們在前面瞭解過蛋白質的四級結構
知道蛋白質是一種摺疊的多聚體
雖然蛋白質的結構很複雜
但如果給定的氨基酸序列是固定的
蛋白質會總是以完全相同的方式摺疊
所以如果細胞要製造蛋白質
只需要記住多肽的順序就行
上面這段結論剛提出來的時候真是石破驚天
但是情況就是這麼個情況
提出的人後來獲得了諾獎
而記住這個順序靠的就是DNA
這份蛋白質序列的清單就隱藏在DNA分子中
我們也可以換一個熟悉的詞
那就是基因組
上個世紀開展的人類基因組計劃
測定了人類染色體中包含的所有30億個鹼基對組成的核苷酸序列
基因的表達
基因組透過各種鹼基配對
儲存了生命資訊
而細胞透過讀取這些儲存的資訊製造蛋白質
這一過程是怎樣的？
如果我們忽略細節，就很簡單，
只有兩步
轉錄和翻譯
比把大象關進冰箱還少一步
當然，
事情沒有我說的這麼簡單
首先是轉錄
因為DNA非常重要
被保護在細胞核中
所謂千金之子坐不垂堂
不能讓DNA自己到外面冒險工作
只能是由一個信使把DNA的資訊傳達出去
這個信使需要能夠清楚DNA的要求
怎麼做到呢？
靠的就是轉錄
轉錄可以理解為把標準答案抄寫到另一個本子上
一條DNA鏈
由兩條脫氧核苷酸鏈互相纏繞配對
叫做雙螺旋結構
這兩條脫氧核苷酸鏈
由四種鹼基反向互補組成
四種鹼基分別是AGCT
組成規則很簡單
A的對面一定是T
C的對面一定是G
反過來也一樣
所以要傳遞DNA的資訊就簡單了
只要組成一條鏈跟它按照這個規則配對
配對完成後
相當於複製了一遍資訊
這條配對的鏈就相當於把DNA的資訊複製走了
再從細胞核中出來
到外面指導合成蛋白質的工作即可
所以轉錄的第一步
解開雙螺旋結構
這需要一種酶
叫做RNA聚合酶
需要轉錄的時候
RNA聚合酶會到DNA的指定位置解旋並開啟雙鏈
細胞核中游離的核糖核苷酸
按照配對原則在聚合酶內一個一個的連上去
這個過程中
鹼基U會替換掉鹼基T與A配對
形成一條RNA鏈
當RNA聚合酶到了需要終止的位置
會得到一個結束訊號。
於是我們得到了一個信使RNA
代號mRNA
轉錄過程就此結束
然後DNA，RNA聚合酶和信使RNA就此分離
當然，事情還沒完
此時的信使RNA中
每隔一段會有不能編譯蛋白質的內含子
所以還需要一個過程
一種叫做剪接體的蛋白質出現了
剪接體蛋白質“找到”內含子
把它們的首尾端連在一起
然後咔嚓，剪掉
剩下的部分就是能夠翻譯成蛋白質編碼片段
叫做外顯子
剪完之後，外顯子會完美的連在一起
一個真正可以翻譯的信使RNA就形成了
隨後這個信使RNA離開細胞核進入到細胞質中
為了把基因翻譯成蛋白質
細胞會讀取這段信使RNA的資訊
每三個鹼基為一個詞
叫做密碼子
比如AUC,GAC,CGG等等
每個密碼子會配對一個氨基酸
4個鹼基中每三個組成一組的話
一共有64種組合
但是隻有20種氨基酸
所以有一些不同密碼子是“同義詞”
它們編碼的是相同的氨基酸
全套的翻譯對照表叫做遺傳密碼
如下圖這樣
這套密碼是通用的
每一種生物都在使用這套密碼
其中有三個終止密碼子
當翻譯到這三種終止密碼子中的某一個時
一個多肽鏈的製造就完成了
現在問題來了
氨基酸又沒有密碼子
他們是怎麼套上去的？
這個問題一直被各種猜測
直到70多年前
人類才明白了其中的過程
一個真核細胞的mRNA起始端
會被加一個鳥嘌呤帽
一個核糖體被固定在鳥嘌呤帽的位置
此時就要呼叫另一個RNA出場了
它叫轉運RNA，代號tRNA
轉運RNA的頭部有3個鹼基的反密碼子
尾部有一個和氨基酸結合位點
為什麼叫反密碼子？
因為和密碼子是反的
比如遺傳密碼錶裡的AUG表達的甲硫氨酸
根據配對原則
與他相反的配對密碼子是UAC
那麼帶有UAC三個鹼基的轉運RNA
配對的就是一個甲硫氨酸
那麼後面就容易了
所有的信使RNA第一個密碼子一定是AUG
一個頭部帶有UAC反密碼子的轉運RNA
來到核糖體內
正好跟信使RNA上的AUG結合
這個轉運RNA攜帶的甲硫氨酸就成為了第一個氨基酸
核糖體不斷從mRNA的5’方向朝3’方向移動
攜帶不同氨基酸的轉運RNA
根據互補配對原則不斷地進來
他們攜帶的氨基酸會脫離轉運RNA
與後面的氨基酸結合形成多肽鏈
而沒有氨基酸的轉運RNA會離開繼續尋找相配對的氨基酸
這過程不斷地持續
多肽鏈越來越長
直到遇到三個終止密碼子
翻譯過程結束
一個多肽鏈就形成了
這裡插播一個小知識，前面忘了講了
就是什麼是5’和3’
在前一篇裡我們知道核糖的結構是這樣的
因為在翻譯過程中有方向
人們為了確定這個方向
給核糖體的每個碳標記了記號
1’一直到5’
這樣我們要指出方向時
只要說說從5’到3’或者3’到5’就可以了。
當然，
你也可以不按這個規則來，
自己定義一套標記，
比如把五個碳定義為五根手指，
然後說從大拇指到中指的方向，
或者中指到大拇指方向運動也行
不過由於大家用上面那套話語體系時間長了，
你自己定義一套標記，
跟別人交流的時候還要翻譯一下，比較麻煩。
上面的過程是真核細胞中轉錄和翻譯的典型過程
而在原核細胞中
由於沒有細胞核
這個過程是同時完成的
信使RNA在轉錄過程中
同時直接開始翻譯
核糖體會從一個AGGAGG的序列開始結合到信使RNA上
然後一路向3’方向前進，
直到到達密碼子AUG
也就是我們說的每個蛋白質的起始位置
開始進行翻譯
剩下的過程大同小異。
一個多肽鏈形成之後
根據我們上一篇所講
蛋白質會形成四級結構
這樣一個過程我們叫做基因的表達
因為蛋白質是生命活動的主要承擔著
基因透過這個過程來調控整個生命活動
那麼蛋白質製造出來之後
該何去何從
他們又是如何參與這紛繁複雜的生命活動？
下一期
我們一起探索蛋白質在身體裡的運作方式
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