如何 才能 长生不老 ？生命 的 时钟 在 哪里？ (1)
各位 同學 大家 好 我 是 李永樂 老師
最近 有個 小朋友 給我 發來 私信 說
他 看 了 壹部 非常 好看 的 電影
名字 叫 《 這個 男人 來自 地球 》
是 壹部 科幻片
講的 是 有 壹個 可以 永生 的 男人 的 故事
他 就 想問 我 說 現實生活 中
為 什麼 每個 人 都 要死 呢
有沒有 壹種 方法 能夠 讓 人 長生不老 呢
那 今天 我們 就 來 討論 壹下 這個 話題
為 了 討論 這個 話題
我們 首先 從 DNA 的 結構 說起
DNA 攜帶 了 人類 的 遺傳信息
為 什麼 要講 它 呢
因為 衰老 和 死亡 從 本質 上 來講
還是 細胞 的 復 制出 了 問題
所以 我們 先 來看 壹 看
細胞 到底 是 怎麼 復 制 自己 的
攜帶 遺傳信息 的 DNA 是 長 鏈 對 吧
很長 很長
那麼 在 DNA 上 它 的 組成 成分 叫做 核苷酸
我們 來畫 壹個 這個 核苷酸 的 樣子
核苷酸 它 的 樣子 大體 可以 分成 這樣 的 三個 部分
可以 分成 三個 部分
這 三個 部分 分別 是 什麼 呢
中間 的 環狀 的 這個 是 脫氧核糖
它 是 核糖 是 五碳 糖 是 吧
而 右邊 的 這個 叫做 含氮 的 堿 基
左邊 的 這個 部分 叫做 磷酸
對於 這些 化學 名詞
其實 大家 完全 可以 不管 它
反正 它 就是 有壹些 結構
然後 在 它 這個 位置 上 還有 壹個 羥基
那麼 這個 結構 中有 5 個 碳
所以 叫 五碳 糖
這 五個 碳 從 這個 連接 堿 基 的 部位 開始 數
1 2 3 4 5 是 吧
這 五個 碳 的 位置
對 我們 以後 要講 的 這個 復 制 過程 是 很 重要 的
所以 我們 這裏 說 壹 下
然後 我們 具體來說 說
說 這壹 大堆 的 核苷酸
是 如何 組成 這個 長 鏈 的 DNA 呢
我們 把 這個 圖畫 出來
好 我 這個 圖畫 好 了
我畫 了 6 個 核苷酸
這 6 個 核苷酸 組成 兩條 鏈
左邊 壹條 右邊 壹條
它 怎麼 組 的 呢
咱們 看 左邊 這個 鏈
左邊 這個 鏈
左下角 有 這個 3 號碳 對 吧
這個 3 號碳 的 羥基
可以 和 下 壹個 核苷酸 的 磷酸 連 起來
所以 它 這會連 起來 是 吧
它 這也會連 起來
這樣 它 壹個 壹個 組成 壹 條長 鏈 了
往 底下 還會 繼續 延伸 的
右邊 的 也 是 壹樣 的
每壹個 3 號碳 和 這個 磷酸 會連 起來
會連 起來 是 吧
這樣 就 組成 了 壹個 長 鏈
而 中間 的 這個 對 著 的 部位 是 什麼 呢
是 堿 基 堿 基 壹 共有 4 種
這 4 種 分別 是 A 還有 T 還有 C 還有 G
分別 叫 腺嘌呤 胸腺 嘧啶 鳥嘌呤 和 胞嘧啶
而且 它們 之間 是 有 壹定 的 配對 關系 的
就是 如果 左邊 的 這個 是 A 的話
它 右邊 配 的 壹定 是 T
叫 A 對 T 對 吧
如果 左邊 的 這個 堿 基 是 C 的話
右邊 壹定 是 G
那 左邊 如果 是 G 的話
右邊 就 壹定 是 C
那麼 這些 個 堿 基 序列 就 代表 了 什麼
代表 了 遺傳信息 對 吧
好 那 這個 就是 DNA 鏈
當年 美國 物理學家 克 裏克 還有 生物學家 沃森
他們 兩個 人壹起 就 發現 了 DNA 的 雙螺旋 結構
也 因此 獲得 了 諾貝爾獎
那麼 我們 來看 壹下
DNA 有壹個 很 重要 的 特征
就是 它 兩條 鏈是 反向 的
什麼 叫 反向
大家 仔細 看
說 是 這個 碳 是 幾號 碳
我們 剛才 已經 說過 了
這個 碳 實際上 是 5 號碳 對 吧 是 5'
那麼 在 外側 最 底下 的 這個 碳 是 幾號 碳 呢
是 3 號碳 叫 3'
所以 左邊 的 這個 鏈 5' 到 3' 它 是 往 下 的
咱們 再 看 右邊 的 這個 鏈
右邊 的 這個 鏈 這個 碳 它 是 5 號碳 對 吧
這 外邊 最 上面 的 這個 鏈 它 的 碳 是 3 號碳
所以 它 的 5' 到 3' 是 往 上 的
這 我們 就 說 什麼
就 說 DNA 是 由 核苷酸 組成 的 長 鏈
而且 它 兩條 單鏈 是 反向 平行 且 纏繞 到 壹塊 的
好 DNA 的 結構 咱們 就 說 到 這了
那麼 下面 我們 就 通過 這個 結構
來 研究 壹下 DNA 是 如何 復 制 的
如果 DNA 能夠 完美 復 制
每壹個 細胞 都 可以 持續 更新 的話
那麼 人 就 可以 長生不老 對 不 對
那 之所以 人 不能 長生不老
不 就是 因為 DNA 不能 完美 復 制 嗎
咱們 來 琢磨 琢磨 這事 為 什麼
說 DNA 的 復 制 過程
當年 沃森和克 裏克
研究 出 了 DNA 的 雙螺旋 結構 之後
很快 就 提出 了 自己 的 另外 壹個 猜想
他 就 稱 之 為 半 保留 復 制
半 保留 復 制
沃森和克 裏克 是 怎麼 說 的 呢
他們 說 妳在 DNA 復 制 的 時候
首先 因為 某壹種 酶 的 作用
這個 本來 纏繞 到 壹塊 的 雙鏈 它會 打開 是 吧
打開 打開 了 之後 形成 兩個 單鏈
咱們 先看 左邊 這 單鏈
左邊 這個 單鏈 這不有 個 核苷酸
它 對 的 堿 基 是 A 對 不 對
然後 在 細胞 中有 很多 遊離 的 核苷酸
這 遊離 的 核苷酸 它 有 壹 些 堿 基 就是 T 的
所以 這個 T 的 它 就 會 接到 這個 A 上
就 跟 它 配對 了 對 不 對
另外 還有 壹個 G 的 它 就 會 接到 這個 C 上
然後 這麼 壹配 壹配
本來 這個 單鏈 就 復 制 出來 另外 壹個 新鏈 了
同樣 道理 右邊 這個 單鏈 也 會 再 復 制壹個
那麼 這個 過程 就 叫做 半 保留 復 制
就是 每壹個 新 的 DNA 分子
它 都 有 壹 半 是 原來 DNA 的 分子
這樣 就 保留 了 遺傳信息
可以 這個 持續 不斷 地 傳下去
那麼 這種 觀點 當然 是 正確 的
後來 被 科學家 梅賽 爾斯 和 斯塔爾 的 實驗 證明 了
不過 這裏 面 還有 很多 的 細節
我們 要 仔細 來 討論 壹下 DNA 到底 是 怎麼 復 制 的
首先 我們 先說 第壹步
第壹步 叫做 解旋
它 是 在 解旋酶 的 這個 作用 下 把 DNA 給拽 開
怎麼 拽 開 呢
DNA 不是 兩條 鏈 纏繞 到 壹塊 對 不 對
我們 有壹個 蛋白質 叫 解旋酶
這個 解旋酶
它 就 像 這個 拉鏈 的 拉鎖 壹樣 對 吧
它會 往外面 拽
它 壹 拽 左邊 這個 拉鎖 往左邊 動
右邊 這個 拉鎖 往右邊 動
本來 DNA 是 纏繞 到 壹塊 的
它 裏邊 都 是 堿 基 對 不 對
結果 被 妳 這個 拉鎖 壹 拽 就給 拽 開 了 對 不 對
於是 DNA 就 分開 了
其實 在 人類 的 DNA 上
因為 它 很長 所以 它 不 可能 是 說
從中 間 開始 兩邊 壹 拽 就 拽 開 了 不是 這樣 的
而是 說 它 中間 有 很多 段 它 這個 有 很多 段
妳 比如說 DNA 是 個 長 鏈 嗎 對 不 對 它 有 很多 段
它 可能 這個 它 是 往 左動 這個 往右 動
在 不同 的 部位 都 有 這個 解旋酶
然後 它 就 可以 把 這個 DNA 給 拉開 了
好 第壹步 就 完成 了
我們 把 這個 DNA 螺旋 的 結構
變成 了 這個 解開 的 這個 結構
解開 了 之後 我們 怎麼辦 呢
那 第二個 就是 我們 要用 DNA 進行 聚合
就 像 當年 沃森和克 裏克 說 的
在 這個 細胞 中 遊離態 的 核苷酸 會 過來
壹個 壹個 地 按照 堿 基 互補 配對 的 原則
聚集 到 這個 原來 的 模板 上
然後 形成 了 壹個 新鏈
但是 DNA 聚合 的 時候
它 有 兩個 特征 我們 要說 壹下
第壹個 特征 就是 核苷酸
脫氧核苷 酸 它 要 聚合 到 這個 DNA 上
它 首先 有個 特點 它 不能 起頭
不能 起頭 什麼 意思 呢
就是說 假如 這個 鏈上 已經 有壹段 新鏈 了
比如說 這個 鏈
它 已經 有 了 壹 段 新 復 制 的 這個 DNA 了 對 吧
已經 有 了 那 它 就 可以 延伸 它 就 可以 延伸
接著來 ... 它 可以 延伸 這個 是 可以 的
但是 如果 這個 鏈上 什麼 都 沒有 的話
那麼 這個 DNA 是 上不去 的
就是 核苷酸 是 上不去 的
這是 第壹個 特點
它 必須 得 有頭 沒有 頭它 走 不了
那為 什麼 會 出現 這種 情況 呢
就是 因為 核苷酸 它 得 有 個 抓手 就是 這個 羥基
如果 妳 上面 沒有 這個 羥基 的話
它 就 接 不 上去 是 吧
就是 它 的 分子結構 所 決定 的
第二個 就是 它 有 方向性
它 的 延展 方向 它 是 有 方向性 的
什麼 方向性 呢
就是 如果 妳 要 想 按照 壹個 模板
然後 復 制出 壹條 新鏈 的話
妳 只能 沿著 模板 的 3' 端 向 5' 端 延伸
比如說 上面 的 這個 DNA 那個 原來 的 這個 鏈
這壹端 是 3' 端 這壹端 是 5' 端
那麼 它 復 制 的 時候
它 就 可以 往左邊 延伸 延伸 ...
它 延伸 過程 中
它 自己 會 形成 右邊 是 5' 左邊 是 3'
它會 和 這 外邊 的 鏈 是 反 的 對 不 對
但是 我們 看 底下 這個 DNA 鏈
底下 這個 DNA 鏈 和 上面 是 反 的
所以 這個 是 3' 端 這個 是 5' 端
所以 如果 妳 復 制 的話 妳 只能 怎麼 延伸
妳 只能 是 這麼 延伸
妳 只能 往右邊 延伸 對 吧
妳是 不 可以 往左邊 延伸 的
這就 叫做 它 的 方向性
我們 舉 個例 子 來講
就是說 DNA 就 像 壹群 小朋友
他們 會 唱歌 是 吧
但是 他 唱歌 的 時候 他 不會 起頭
妳 必須 別人 給他 起 個頭 能 接著 唱 對 吧
在 唱 的 時候 他 只能 正向 唱歌
他 不能 把 這歌 倒 著 唱 對 不 對
妳 讓 我 倒 著 唱 壹個 壹個 字 這個 不行
這 DNA 就 有 這樣 的 壹個 聚合 的 特點
因為 DNA 聚合 存在 這樣 的 特點
所以 DNA 的 復 制 過程 是 比較 復 雜的
我們 仔細 來看 具體 的 壹個 過程 是 什麼 樣子 的
具體 的 壹個 過程 是 什麼 樣子
首先 這個 螺旋 的 鏈
我 就 直接 把 它 畫成 是 這樣 的 壹個 直 的 鏈 了
要不然 這個 事 不好 說 是 吧
我 就 直接 畫成 了 壹個 直 的 鏈 了
然後 左端 有壹個 解旋酶
所以 這邊 是 壹個 解旋 的 方向
右邊 也 有 壹個 解旋酶 是 個 解旋 的 方向
其實 在 解旋 的 過程 中 就 已經 開始 復 制 了
它 上面 有 很多 的 這個 堿 基
按照 堿 基 互補 配對 的 原則 要 進行 配對 是 吧
好 那麼 下面 我們 就 來 研究
這個 配對 的 過程 是 怎麼樣 的
首先 第壹步 DNA 不能 起頭
所以 誰 去 起頭 呢
有壹種 特殊 的 酶 這種 特殊 的 酶 叫做 引物 酶
引物 酶
這個 引物 酶 的 作用 是 什麼 呢
就是 它 可以 在 這個 原來 的 DNA 鏈 上面
去 復 制出 壹段 RNA 引物
妳 DNA 和 RNA 不太壹樣
DNA 叫 脫氧核糖核酸 對 吧
而 這個 RNA 叫 核糖核酸 它 不 脫氧
就 有 這麼 壹個 差別
那 這個 RNA 它 是 可以 起頭 的
於是 這個 引物 酶 過來 了 之後
在 這個 部位
給 妳 某個 部位 形成 了 壹 段 所謂 的 RNA 引物
這壹段 叫做 RNA 引物
好 這個
底下 我 可能 也 會 形成 壹個 RNA 引物 是 吧
好 那麼 下壹步
這個 頭起 好 了 妳 就 可以 聚合 了 吧
又 有 壹種 酶 了
這種 酶 叫做 DNA 聚合酶
這個 DNA 聚合酶 就 能夠 讓 這些 脫氧核苷 酸
附著 在 這個 地方 形成 壹個 DNA 新 的 鏈 了
我用 這個 顏色 的 筆來畫
於是 就會 壹點 壹點 壹個 壹個 地 接上去
形成 壹個 新 的 DNA 鏈 對 吧
這樣 DNA 鏈 就 形成 了
這個 就 叫 DNA 新 的 這個 DNA
好 這是 上面 這條 鏈 的 情況 比較簡單
那 我們 剛才 說過 這個 DNA 的 復 制是 有 方向性 的
它 必須 是從 模板 的 3' 端到 5' 端 復 制
所以 這種 情況 如果 出現 的話
這壹端 必須 是 原來 的 3' 端
而 這壹端 必須 是 原來 的 5' 端 對 吧
