如何 才能 长生不老 ？生命 的 时钟 在 哪里？ (1) How can we live forever? Where is the clock of life? (1)

各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师 最近 有个 小朋友 给我发 来 私信 说 他 看 了 一部 非常 好看 的 电影 名字 叫 《 这个 男人 来自 地球 》 The name is "This Man Comes From Earth" 是 一部 科幻片 讲 的 是 有 一个 可以 永生 的 男人 的 故事 他 就 想 问 我 说 现实生活 中 为什么 每个 人 都 要死 呢 有没有 一种 方法 能够 让 人 长生不老 呢 那 今天 我们 就 来 讨论一下 这个 话题 为了 讨论 这个 话题 我们 首先 从 DNA 的 结构 说起 DNA 携带 了 人类 的 遗传信息 为什么 要 讲 它 呢 因为 衰老 和 死亡 从 本质 上 来讲 还是 细胞 的 复制出 了 问题 所以 我们 先 来看 一看 细胞 到底 是 怎么 复制 自己 的 携带 遗传信息 的 DNA 是 长链 对 吧 很长 很长 那么 在 DNA 上 它 的 组成 成分 叫做 核苷酸 我们 来画 一个 这个 核苷酸 的 样子 核苷酸 它 的 样子 大体 可以 分成 这样 的 三个 部分 可以 分成 三个 部分 这 三个 部分 分别 是 什么 呢 中间 的 环状 的 这个 是 脱氧核糖 它 是 核糖 是 五碳 糖 是 吧 而 右边 的 这个 叫做 含氮 的 碱基 左边 的 这个 部分 叫做 磷酸 对于 这些 化学 名词 其实 大家 完全 可以 不管 它 In fact, you can completely ignore it 反正 它 就是 有 一些 结构 然后 在 它 这个 位置 上 还有 一个 羟基 那么 这个 结构 中有 5 个 碳 所以 叫 五碳 糖 这 五个 碳 从 这个 连接 碱基 的 部位 开始 数 1 2 3 4 5 是 吧 这 五个 碳 的 位置 对 我们 以后 要 讲 的 这个 复制 过程 是 很 重要 的 所以 我们 这里 说 一下 然后 我们 具体来说 说 说 这 一大堆 的 核苷酸 是 如何 组成 这个 长链 的 DNA 呢 我们 把 这个 图画 出来 好 我 这个 图画 好 了 OK, I've finished drawing this picture 我画 了 6 个 核苷酸 这 6 个 核苷酸 组成 两条 链 左边 一条 右边 一条 它 怎么 组 的 呢 咱们 看 左边 这个 链 左边 这个 链 左下角 有 这个 3 号 碳 对 吧 这个 3 号 碳 的 羟基 可以 和 下 一个 核苷酸 的 磷酸 连 起来 所以 它 这会 连 起来 是 吧 它 这 也 会 连 起来 这样 它 一个 一个 组成 一条 长链 了 往 底下 还会 继续 延伸 的 右边 的 也 是 一样 的 每 一个 3 号 碳 和 这个 磷酸 会 连 起来 会 连 起来 是 吧 这样 就 组成 了 一个 长链 而 中间 的 这个 对 着 的 部位 是 什么 呢 是 碱基 碱基 一共 有 4 种 这 4 种 分别 是 A 还有 T 还有 C 还有 G 分别 叫 腺嘌呤 胸腺 嘧啶 鸟嘌呤 和 胞嘧啶 adenine thymine guanine and cytosine 而且 它们 之间 是 有 一定 的 配对 关系 的 就是 如果 左边 的 这个 是 A 的话 它 右边 配 的 一定 是 T 叫 A 对 T 对 吧 如果 左边 的 这个 碱基 是 C 的话 右边 一定 是 G 那 左边 如果 是 G 的话 右边 就 一定 是 C 那么 这些 个 碱基 序列 就 代表 了 什么 代表 了 遗传信息 对 吧 好 那 这个 就是 DNA 链 当年 美国 物理学家 克里克 还有 生物学家 沃森 他们 两个 人 一起 就 发现 了 DNA 的 双螺旋 结构 也 因此 获得 了 诺贝尔奖 那么 我们 来看 一下 DNA 有 一个 很 重要 的 特征 就是 它 两条 链是 反向 的 什么 叫 反向 大家 仔细 看 说 是 这个 碳 是 几号 碳 我们 刚才 已经 说 过 了 这个 碳 实际上 是 5 号 碳 对 吧 是 5' 那么 在 外侧 最 底下 的 这个 碳 是 几号 碳 呢 是 3 号 碳 叫 3' 所以 左边 的 这个 链 5' 到 3' 它 是 往 下 的 咱们 再 看 右边 的 这个 链 右边 的 这个 链 这个 碳 它 是 5 号 碳 对 吧 这 外边 最 上面 的 这个 链 它 的 碳 是 3 号 碳 所以 它 的 5' 到 3' 是 往 上 的 这 我们 就 说 什么 就 说 DNA 是 由 核苷酸 组成 的 长链 而且 它 两条 单链 是 反向 平行 且 缠绕 到 一块 的 好 DNA 的 结构 咱们 就 说 到 这 了 那么 下面 我们 就 通过 这个 结构 来 研究 一下 DNA 是 如何 复制 的 如果 DNA 能够 完美 复制 每 一个 细胞 都 可以 持续 更新 的话 那么 人 就 可以 长生不老 对 不 对 那 之所以 人 不能 长生不老 不 就是 因为 DNA 不能 完美 复制 吗 咱们 来 琢磨 琢磨 这 事 为什么 说 DNA 的 复制 过程 当年 沃森 和 克里克 研究 出 了 DNA 的 双螺旋 结构 之后 很快 就 提出 了 自己 的 另外 一个 猜想 他 就 称之为 半 保留 复制 半 保留 复制 Semi-reserved copy 沃森 和 克里克 是 怎么 说 的 呢 他们 说 你 在 DNA 复制 的 时候 首先 因为 某 一种 酶 的 作用 这个 本来 缠绕 到 一块 的 双链 它会 打开 是 吧 打开 打开 了 之后 形成 两个 单链 咱们 先看 左边 这 单链 左边 这个 单链 这不有 个 核苷酸 它 对 的 碱基 是 A 对 不 对 然后 在 细胞 中有 很多 游离 的 核苷酸 这 游离 的 核苷酸 它 有 一些 碱基 就是 T 的 所以 这个 T 的 它 就 会 接到 这个 A 上 So this T's it will be connected to this A 就 跟 它 配对 了 对 不 对 另外 还有 一个 G 的 它 就 会 接到 这个 C 上 然后 这么 一配 一配 Then match one by one 本来 这个 单链 就 复制 出来 另外 一个 新链 了 同样 道理 右边 这个 单链 也 会 再 复制 一个 那么 这个 过程 就 叫做 半 保留 复制 就是 每 一个 新 的 DNA 分子 它 都 有 一半 是 原来 DNA 的 分子 这样 就 保留 了 遗传信息 可以 这个 持续 不断 地 传下去 那么 这种 观点 当然 是 正确 的 后来 被 科学家 梅赛 尔斯 和 斯塔尔 的 实验 证明 了 It was later proved by the experiments of scientists Messers and Stahl 不过 这 里面 还有 很多 的 细节 我们 要 仔细 来 讨论一下 DNA 到底 是 怎么 复制 的 首先 我们 先说 第一步 第一步 叫做 解旋 它 是 在 解旋酶 的 这个 作用 下 把 DNA 给 拽 开 It pulls DNA away under the action of helicase 怎么 拽 开 呢 DNA 不是 两条 链 缠绕 到 一块 对 不 对 DNA is not two strands twisted together, right? 我们 有 一个 蛋白质 叫 解旋酶 这个 解旋酶 它 就 像 这个 拉链 的 拉锁 一样 对 吧 它会 往外面 拽 它 一 拽 左边 这个 拉锁 往左边 动 右边 这个 拉锁 往右边 动 本来 DNA 是 缠绕 到 一块 的 它 里边 都 是 碱基 对 不 对 结果 被 你 这个 拉锁 一 拽 就 给 拽 开 了 对 不 对 于是 DNA 就 分开 了 其实 在 人类 的 DNA 上 因为 它 很长 所以 它 不 可能 是 说 从 中间 开始 两边 一 拽 就 拽 开 了 不是 这样 的 而是 说 它 中间 有 很多 段 它 这个 有 很多 段 你 比如说 DNA 是 个 长链 吗 对 不 对 它 有 很多 段 它 可能 这个 它 是 往 左动 这个 往右 动 在 不同 的 部位 都 有 这个 解旋酶 然后 它 就 可以 把 这个 DNA 给 拉开 了 好 第一步 就 完成 了 我们 把 这个 DNA 螺旋 的 结构 变成 了 这个 解开 的 这个 结构 解开 了 之后 我们 怎么办 呢 那 第二个 就是 我们 要用 DNA 进行 聚合 就 像 当年 沃森 和 克里克 说 的 在 这个 细胞 中 游离态 的 核苷酸 会 过来 一个 一个 地 按照 碱基 互补 配对 的 原则 聚集 到 这个 原来 的 模板 上 然后 形成 了 一个 新链 但是 DNA 聚合 的 时候 它 有 两个 特征 我们 要说 一下 第一个 特征 就是 核苷酸 脱氧核苷 酸 它 要 聚合 到 这个 DNA 上 Deoxynucleotides have to be polymerized onto this DNA 它 首先 有个 特点 它 不能 起头 First of all, it has a characteristic that it cannot start 不能 起头 什么 意思 呢 就是说 假如 这个 链上 已经 有 一段 新链 了 比如说 这个 链 它 已经 有 了 一段 新 复制 的 这个 DNA 了 对 吧 已经 有 了 那 它 就 可以 延伸 它 就 可以 延伸 接着 来 ... 它 可以 延伸 这个 是 可以 的 但是 如果 这个 链上 什么 都 没有 的话 那么 这个 DNA 是 上不去 的 就是 核苷酸 是 上不去 的 这是 第一个 特点 它 必须 得 有头 没有 头 它 走 不了 那 为什么 会 出现 这种 情况 呢 就是 因为 核苷酸 它 得 有 个 抓手 就是 这个 羟基 It’s because nucleotides have to have a gripper that’s the hydroxyl group 如果 你 上面 没有 这个 羟基 的话 它 就 接 不 上去 是 吧 就是 它 的 分子结构 所 决定 的 第二个 就是 它 有 方向性 它 的 延展 方向 它 是 有 方向性 的 什么 方向性 呢 就是 如果 你 要 想 按照 一个 模板 然后 复制出 一条 新链 的话 你 只能 沿着 模板 的 3' 端 向 5' 端 延伸 比如说 上面 的 这个 DNA 那个 原来 的 这个 链 这 一端 是 3' 端 这 一端 是 5' 端 那么 它 复制 的 时候 它 就 可以 往左边 延伸 延伸 ... 它 延伸 过程 中 它 自己 会 形成 右边 是 5' 左边 是 3' 它会 和 这 外边 的 链 是 反 的 对 不 对 但是 我们 看 底下 这个 DNA 链 底下 这个 DNA 链 和 上面 是 反 的 所以 这个 是 3' 端 这个 是 5' 端 所以 如果 你 复制 的话 你 只能 怎么 延伸 你 只能 是 这么 延伸 你 只能 往右边 延伸 对 吧 你 是 不 可以 往左边 延伸 的 这 就 叫做 它 的 方向性 我们 举个 例子 来讲 就是说 DNA 就 像 一群 小朋友 他们 会 唱歌 是 吧 they can sing, right? 但是 他 唱歌 的 时候 他 不会 起头 But when he sings he doesn't start 你 必须 别人 给 他 起 个头 能 接着 唱 对 吧 You have to get someone to start the song for him to continue, right? 在 唱 的 时候 他 只能 正向 唱歌 他 不能 把 这歌 倒 着 唱 对 不 对 He can't sing the song backwards, can he? 你 让 我 倒 着 唱 一个 一个 字 这个 不行 这 DNA 就 有 这样 的 一个 聚合 的 特点 因为 DNA 聚合 存在 这样 的 特点 所以 DNA 的 复制 过程 是 比较复杂 的 我们 仔细 来看 具体 的 一个 过程 是 什么 样子 的 具体 的 一个 过程 是 什么 样子 首先 这个 螺旋 的 链 我 就 直接 把 它 画成 是 这样 的 一个 直 的 链 了 要不然 这个 事 不好 说 是 吧 我 就 直接 画成 了 一个 直 的 链 了 然后 左端 有 一个 解旋酶 所以 这边 是 一个 解旋 的 方向 右边 也 有 一个 解旋酶 是 个 解旋 的 方向 其实 在 解旋 的 过程 中 就 已经 开始 复制 了 它 上面 有 很多 的 这个 碱基 按照 碱基 互补 配对 的 原则 要 进行 配对 是 吧 好 那么 下面 我们 就 来 研究 这个 配对 的 过程 是 怎么样 的 首先 第一步 DNA 不能 起头 所以 谁 去 起头 呢 有 一种 特殊 的 酶 这种 特殊 的 酶 叫做 引物 酶 引物 酶 Primerase 这个 引物 酶 的 作用 是 什么 呢 就是 它 可以 在 这个 原来 的 DNA 链 上面 That is, it can be on the original DNA strand 去 复制出 一段 RNA 引物 你 DNA 和 RNA 不太 一样 DNA 叫 脱氧核糖核酸 对 吧 DNA is called deoxyribonucleic acid, right? 而 这个 RNA 叫 核糖核酸 它 不 脱氧 And this RNA is called ribonucleic acid and it does not deoxygenate 就 有 这么 一个 差别 there is such a difference 那 这个 RNA 它 是 可以 起头 的 于是 这个 引物 酶 过来 了 之后 在 这个 部位 给 你 某个 部位 形成 了 一段 所谓 的 RNA 引物 forms a so-called RNA primer for you somewhere 这 一段 叫做 RNA 引物 好 这个 底下 我 可能 也 会 形成 一个 RNA 引物 是 吧 好 那么 下 一步 这个 头起 好 了 你 就 可以 聚合 了 吧 Now that you've got your head started, you can get together. 又 有 一种 酶 了 这种 酶 叫做 DNA 聚合酶 这个 DNA 聚合酶 就 能够 让 这些 脱氧核苷 酸 附着 在 这个 地方 形成 一个 DNA 新 的 链 了 我用 这个 颜色 的 笔来 画 于是 就 会 一点一点 一个 一个 地 接上去 So it will be connected little by little one by one 形成 一个 新 的 DNA 链 对 吧 这样 DNA 链 就 形成 了 这个 就 叫 DNA 新 的 这个 DNA 好 这是 上面 这条 链 的 情况 比较简单 那 我们 刚才 说 过 这个 DNA 的 复制 是 有 方向性 的 它 必须 是从 模板 的 3' 端到 5' 端 复制 It must be copied from the 3'end to the 5'end of the template 所以 这种 情况 如果 出现 的话 这 一端 必须 是 原来 的 3' 端 而 这 一端 必须 是 原来 的 5' 端 对 吧