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第五章 细胞与基因的量子信息逻辑（第2页）

酶的独特结构也说明了作者提出的另一个物理学原理，就是多层宇宙概念，物质在不同的物质层级结构中会有不同的表现，而酶的结构也正符合这种理念。

细胞核、染色体与DNA基因的精确量子结构细胞核里的物质主要由染色质构成，染色质的主要成分是蛋白质和DNA分子。

DNA分子具有典型的双螺旋结构，一个DNA分子就像是一条长长的双螺旋的纤丝。DNA又称去氧核糖核酸，是一种可组成遗传指令的长链大分子聚合物，负责生物信息的储存，是生命的“蓝图”。在生物体中DNA引导生物发育与生命机能运作，其中包含的指令能够建构细胞内其他有机化合物，如蛋白质与RNA等。

DNA的基本组成单位称为脱氧核苷酸，有A-腺嘌呤、G-鸟嘌呤、C-胞嘧啶、T-胸腺嘧啶4种碱基组成，而糖类与磷酸分子由酯键相连，组成其长链骨架。每个糖分子都与4种碱基里的其中一种相接，这些碱基沿着DNA长链所排列而成的序列，可组成遗传密码，是蛋白质氨基酸序列合成的依据。一般认为，基因是带有遗传讯息的一些DNA片段，一些DNA序列直接以自身构造发挥作用，有些DNA则参与调控遗传讯息的表现。

在DNA长长的分子链条上，DNA本身不是单独运作的，在真核生物的细胞核内，DNA与组蛋白、非组蛋白构成核小体单元。人们提出用绳珠模型来说明DNA与蛋白质构成的纤丝结构，纤丝的结构单位是核小体，核小体结构经过四级包装构成棒状染色体，一条染色体就有一个大DNA分子链状结构。

从核小体到染色体精确的包装：对于真核生物来说，巨大的DNA链必需高度压缩形成一定的高级结构，才能贮存于小小的细胞核中。DNA与组蛋白构成的核小体精确结合，就像量子般的精密，经过折叠，包装构成染色体。根据多级螺旋模型，从DNA到染色体经过四级包装，即DNA→核小体→螺线管→超螺线管→染色单体。

核小体的形状类似一个扁平的碟子或一个圆柱体，直径为10纳米，高6纳米。核小体的核心是由4种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4）的各两个分子构成的扁球状8聚体，核心颗粒间通过第五种组蛋白H1的连接区彼此相连。DNA双螺旋依次在每个组蛋白8聚体分子的表面盘绕约1。75圈，其长度相当于140个碱基对。

在相邻的两个核小体之间，有长约50～60个碱基对的DNA连接线，密集成串的核小体形成了核质中的100埃左右的纤维。

每种生物中的组蛋白差异很小，所有真核生物染色体中均含有这五种组蛋白，组蛋白的含量与DNA含量之比约为1∶1，组蛋白的一般进化上的极端保守性，这种生物进化上的高度保守性预示着其功能的重要性，相对来说非组蛋白蛋白质的种类和含量不太恒定。组蛋白能够将DNA组织压缩，以帮助DNA与其他蛋白质进行交互作用，进而调节基因的转录。

当一连串核小体呈螺旋状排列构成纤丝状时，DNA的压缩包装比约为40。纤丝本身再进一步压缩后，成为常染色质的状态时，DNA的压缩包装比约为1000。

有丝分裂时染色质进一步压缩为染色体，压缩包装比高达一万倍左右，即只有伸展状态时长度的万分之一。

人体每个细胞中长约1。7米的DNA双螺旋链，经许多核小体组成的串珠样纤维经多层次螺旋化，最终压缩了约8400倍形成染色单体。46个染色单体长仅200微米左右，储于细胞核中。如果设想将人体细胞中的DNA分子绕地球一周，那么，每个碱基大约只占1~5厘米，而一个2~3千字节的基因只相当于地球上一条数十米长、数厘米宽的线段！

真核细胞核中有不止一个染色体，每个染色体也只含一个DNA分子，一般都比原核细胞中的DNA分子大，而且和蛋白质结合在一起。不同物种染色体数目不同，一般以两条成对的同源染色体的形式存在，且数目恒定，人有22对常染色体和1对性染色体，共23条。

在细胞内，DNA能组织成染色体结构，整组染色体则统称为基因组。动物、植物及真菌这些真核生物，染色体存放于细胞核内，对于细菌这样的原核生物而言，染色体则是存放在细胞质中的类核里。

细胞核是真核生物的主要遗

传物质储存场所，细胞核是遗传信息库，是细胞代谢和遗传的控制中心，在细胞的代谢、生长、分化中起着重要作用。当遗传物质向后代传递时，必须在核中进行复制，同时遗传物质还必须将其控制的生物性状特征表现出来。一般说真核细胞失去细胞核后，很快就会死亡，但红细胞失去核后还能生活120

天，植物筛管细胞失去核后能活好几年。

染色体是细胞有丝分裂或减数分裂过程中，由染色质聚缩而成的棒状结构。

染色体经染色后可见细丝状颗粒物质，一般在细胞分裂时才能看到。染色体是一个独立行动的结构单位，在细胞分裂时传递给子细胞一份染色体拷贝，因此每条染色体必须能复制，所复制的拷贝最后分离并被正确地分配到两个子细胞中。

负责DNA信息转录及复制蛋白的RNARNA是核糖核酸的简称，RNA普遍存在于动物、植物、微生物及某些病毒和噬菌体内，RNA参与蛋白质合成的转录及复制，在一些病毒与噬菌体内没有DNA、而RNA就是遗传信息的载体。RNA一般是单链线形分子，也有双链的RNA，环状单链的RNA，还有支链的RNA分子。在病毒方面，很多病毒只以RNA作为其唯一的遗传讯息载体，近来科学家还发现了一种类病毒，是能繁殖子代的有生命物体，其中只有具有活性的RNA。

一个核糖核苷酸分子由磷酸、核糖（五碳糖）和碱基构成。RNA的碱基主要有四种，即A腺嘌呤、G鸟嘌呤、C胞嘧啶和U尿嘧啶。其中U（尿嘧啶）取代了DNA中的T胸腺嘧啶，RNA与DNA只差一个碱基。

与DNA不同的是，RNA一般为单链长分子，但在一般水溶液中会形成分子内双螺旋结构。此外，RNA本身也需要通过碱基配对原则形成一定的二级结构乃至三级结构来行使生物学功能。RNA的碱基配对规则基本上和DNA相同。

在细胞中，根据结构功能的不同，RNA主要分3类，即tRNA（转运RNA）、rRNA（核糖体RNA）、mRNA（信使RNA）。mRNA是合成蛋白质的模板，内容按照细胞核中的DNA信息转录，tRNA是mRNA上碱基序列（即遗传密码子）的识别者和氨基酸的转运者，rRNA是核糖体的主要组成部分，而核糖体是蛋白质合成的场所。而在细胞中，还有许多种类和功能不一的小型RNA（smallRNA）。

核糖体：核糖体是细胞内的一种核糖核蛋白颗粒，在真核细胞内由RNA（rRNA）和蛋白质按照1。5∶1的比例构成，其功能是按照mRNA的指令将tRNA搬运来的氨基酸合成蛋白质的多肽链，是细胞内合成蛋白质的组装厂。核糖体除哺乳类红细胞外，在一切活细胞（真核细胞、原核细胞）中均有，它是进行蛋白质合成的重要胞器，在快速增殖、分泌功能旺盛的细胞中尤其多。

在真核生物细胞中，一般含有百万到千万个数量的核糖体。形成核糖体的RNA是在核仁中形成的，然后经过几次加工，分别形成两个大小亚基，只有开始合成蛋白质的时候，大小亚基才开始结合在mRNA链上形成真正的核糖体，大小亚基中rRNA约占23，蛋白质约为13。核糖体一般的合成过程需要超过200种蛋白质的协同配合来完成聚合、加工核糖体内的4个rRNA，然后再将rRNA和约80种核糖体蛋白捆绑、组装在一起。

20种氨基酸每种氨基酸对应专一的一种tRNA，当工作时tRNA将相应的氨基酸转运到核糖体上，合成肽链。

蛋白质生物合成是一个复杂而重要的生命活动，是依靠分子水平上的严密组织和准确控制进行的。

核糖体组织了mRNA和rRNA的相互识别，将mRNA上的遗传密码（核苷酸顺序）翻译成多肽链上的氨基酸顺序，并且控制了多肽链的形成。核糖体能解码一个无限数量的不同mRNA，这就好像能读取各种信息并能进行演示的电脑一样。

蛋白质合成需要mRNA、tRNA、20种氨基酸原料和一些蛋白质因子及酶、Mg、K+离子等参与，还需要修饰等环节。

细胞合成的蛋白质可分为外输

性蛋白和内源性蛋白。外输性蛋白主要在固着核糖体上合成，分泌到细胞外发挥作用，如抗体蛋白、蛋白类激素、酶原、唾液等，也能合成部分自身结构蛋白，如膜嵌入蛋白等。内源性蛋白是指用于细胞本身或组成自身结构的蛋白质，主要是在游离核糖体上合成，如红细胞中的血红蛋白、肌细胞中的肌纤维蛋白。

在进入20世纪60年代后，随着人们对核糖体探索的不断深入，前苏联生物化学家经过长期研究发现核糖体各组分实际上不需其他物质辅助即可发生自我组装。核糖体里还有众多核糖体共同翻译同一条mRNA的“多核糖体”，1965年发现被干扰的核糖体在无细胞系统中可直接利用DNA作为模板合成蛋白质，一些新霉素等抗生素能够增强这种特殊的翻译。同年，科学家又在牛胚胎的肝脏细胞线粒体内发现原本以为只存在于细胞质基质中的80S核糖体，并证实这些80S核糖体仍具有合成蛋白质的活性。

细胞内除了从事蛋白质合成的核糖体外，还有许多其他功能的核糖核蛋白体颗粒，通常是一些小分子的RNA同蛋白质组成的颗粒，它们参与RNA的加工、RNA的编辑、基因表达的调控等。

近来人们发现，核糖体具有参与DNA修复、细胞发育调控和细胞分化等核糖体外功能，并通过癌症等对肿瘤组织中核糖体蛋白基因高表达的深入研究，可以进一步阐明肿瘤发生、发展的机制。

核酶：核酶又称核酸类酶、酶RNA、类酶RNA，核酶是具有催化功能的RNA分子，是生物催化剂，核酶化学本质是核糖核酸（RNA），却具有酶的催化功能。

大多数人曾经认为RNA是DNA的拷贝，是指导蛋白质合成的信使。但20世纪80年代发现某些RNA酶能够折叠成复杂的形状并具有催化功能，具有酶的活性，在此之前，人们只知道蛋白酶具有这种功能。后来科学家又发现了RNAi（RNA干扰）等现象，证明RNA在基因表达调控中具有重要作用。

1982年，Cech等研究原生动物四膜虫rRNA时，首次发现RRNA基因转录产物的I型内含子剪切和外显子拼接过程可在无任何蛋白质存在的情况下发生，证明了RNA具有催化功能。为区别于传统的蛋白质催化剂，Cech给这种具有催化活性的RNA定名为核酶。1983年，Altman等人在研究细菌RNaseP时发现，当约400个核苷酸的RNA单独存在时，也具有完成切割rRNA前体的功能，并证明了此RNA分子具有全酶的活性。随着研究的深入，CeA在一定条件下，能以高度专一性的方式去催化寡聚核苷酸底物的切割与连接。核酶可以识别底物RNA的特定序列，并在专一性位点上进行切割，其特异性接近DNA限制性内切酶，高于RNase，具有很大潜在应用价值。

核酶的功能很多，有的能切割RNA，有的能切割DNA，有的还具有RNA连接酶、磷酸酶等活性。比如，对于艾滋病毒HIV的转录信息来源于RNA而非DNA，核酶能够在特定位点切断RNA，使得它失去活性。如果一个能专一识别HIV的RNA的核酶存在于被病毒感染的细胞内的话，那么它就能建立抵抗入侵的第一道防线。甚至，HIV确实进入到了细胞并进行了复制，RNA也可以在病毒生活史的不同阶段切断HIV的RNA而不影响自身的RNA。