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因为缺少正常的基因，所以脉孢菌不能再制造这种酶，没有这种酶
也就没有精氨酸。
比德尔和他的同事们继续利用这类资料研究基因与代谢化学
的关系。例如，有一种方法可以证明，不止一个基因参与了制造精
氨酸。为了简便起见，我们假设有两个基因——基因
A和基因
B——负责合成两种不同的酶，两者都是合成精氨酸所必需的。
那么，不论是基因
A还是基因
B发生突变，都会使脉孢菌失去制
造这种氨基酸的能力。假设我们照射两组脉孢菌，在每一组中都
产生一株没有精氨酸的霉菌。如果我们幸运的话，一个突变种可
能含有一个有缺陷的基因
A和一个正常的基因
B；另一个突变种
含有一个正常的基因
A和一个有缺陷的基因
B。要想知道是不是
这种情况，让我们把这两个突变种在它们生活周期的性阶段进行
杂交。如果两个菌株确实有这种区别的话，染色体的重组就会产
生一些基因
A和基因
B都正常的孢子。换句话说，利用两个不能
制造精氨酸的突变种，我们可以得到能够制造精氨酸的后代。果
然，在进行实验时发生的正是这种情况。
我们可以对脉孢菌的代谢进行比这更详细的探讨。例如，这
里有三株不能靠普通培养基制造精氨酸的突变种：一株只有供给
精氨酸才能生长；第二株无论得到精氨酸还是瓜氨酸（一种和精氨
酸非常类似的化合物）就能生长；第三株靠精氨酸、瓜氨酸或鸟氨
酸（另一种类似的化合物）都能生长。
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你能据此得出什么结论呢？我们可以猜出这三种物质是连续
的三个步骤，最终产物是精氨酸。每一步骤需要一种酶。首先，在
一种酶的帮助下，由某种更简单的化合物形成鸟氨酸；然后，另一
种酶把鸟氨酸变为瓜氨酸；最后，第三种酶把瓜氨酸变为精氨酸。
一株缺少制造鸟氨酸的酶但具有其他酶的脉抱菌突变种，如果供
给它鸟氨酸，它仍能活下去，因为它的孢子能够利用鸟氨酸制造瓜
氨酸，然后再制造必需的精氨酸，当然靠精氨酸本身也能生长。由
于同样原因，我们可以推断出，第二株突变种缺少把鸟氮酸变为瓜
氨酸所需要的酶，因此必须给这个菌株提供瓜氨酸（它能够利用瓜
氨酸制造精氨酸）或精氨酸本身。最后，我们可以得出这样的结
论：只靠精氨酸生长的突变种已经失去了负责把瓜氨酸变为精氨
酸的酶（和基因）。
通过分析他们能够分离的各种突变菌株的行为，比德尔和他
的同事们创立了化学遗传学这门科学。他们研究出生物体合成许
多重要化合物的过程。比德尔提出了著名的一个基因一种酶学
说
①，就是说每个基因都控制着一种酶的形成，这个学说现在为遗
传学家所普遍接受。由于他们的开创性工作，比德尔和塔特姆分
享了
1958年的诺贝尔医学与生理学奖。
异常血红蛋白
比德尔的发现使生物化学家们对蛋白质中（当然，特别是人的
各种突变中）由基因控制的变化的迹象警觉起来了。一个与一种
叫做镰形细胞贫血症的疾病有关的病例意外地出现了，这种疾病
①后来发现，一个基因只能控制合成一条肽链，而一种酶或蛋白质要有几种相同
或不相同的肽链结合成一定的空间结构（构型），才具有正常的生理功能，所以，一个基
因一种酶的公式被一个基因一条肽链所代替。——译注
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
是人类
1 600多种遗传性疾病之一。
这种疾病是美国芝加哥医生赫里克
1910年首先报道的。在
用显微镜观察一个
10多岁的黑人患者的血液样本时，赫里克发现
在正常情况下应为圆形的红血球呈现出各种奇怪而弯曲的形状，
其中许多看起来就像新月形的镰刀。其他医生也开始注意这种奇
特的现象，患者几乎都是黑人。最后，研究者确认镰形细胞贫血症
是一种遗传性疾病，这种疾病遵循孟德尔的遗传定律：显然有一种
镰形细胞基因，如果从父母那里得到两个这样的基因，就会产生这
些畸形的红血球。这种红血球不能很好地携带氧气，而且寿命特
别短，所以血液中缺少红血球。得到两个这种基因的人通常在童
年时期就会死去。但是，如果一个人从他父母的一方只得到一个
镰形细胞基因，不出现这种病。当一个人严重缺氧时（如在高海拔
时），他的红血球才会出现镰形。这种人被认为有镰形细胞性状，
而不是有这种病。
已经发现，大约
9％的美国黑人有这种性状，0。25％的人患有
这种疾病。在中非的一些地区，表现出这种性状的多达黑人人口
的
1/4。很明显，镰形细胞基因起源于非洲的一种突变，此后便由
非洲血统的人遗传下来。既然这种病能够致死，那么，为什么这种
有缺陷的基因一直没有消失呢？20世纪
50年代在非洲的研究找
到了这个问题的答案：有镰形细胞性状的人似乎比正常人对疟疾
具有更强的免疫力。镰形细胞不知为什么不适合于疟原虫寄生。
据估计，在疟疾猖撅的地区，有镰形细胞性状的儿童比没有这种性
状的儿童活到生育年龄的机会大
25％。因此，有一个镰形细胞基
因（但不是引起贫血的两个基因）反而有利。单个基因的保护作用
促使这种有缺陷的基因发展，两个基因的致命作用促使这种基因
消灭，这两种相反的倾向往往产生一种平衡，使这种基因在人口中
维持在一定的水平上。
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在疟疾不严重的地区，这个基因确实在倾向于消失。在美国，
开始时黑人中镰形细胞基因的发生率高达
25％。即使由于黑人
与非黑人的结合，把这个数字降低到估计的
15％，目前只有
9％的
发生率也表明，这个基因在减少。它很可能继续减少下去。如果
非洲消灭了疟疾，这个基因在非洲大概也会减少。
1949年，加利福尼亚理工学院（比德尔也在那里工作）的泡令
和他的同事们证明，这个基因影响红血球里的血红蛋白：有两个镰
形细胞基因的人不能制造正常的血红蛋白。于是，镰形细胞基因
的生物化学意义突然显得重要起来。泡令是用一种叫做电泳的技
术证明这一点的。电泳是利用电流分离蛋白质的一种方法，因为
各种蛋白质分子上的净电荷不同。（电泳技术是瑞典化学家蒂塞
利乌斯研制出来的，他由于这项有用的贡献获得
1948年的诺贝尔
化学奖。）利用电泳分析，泡令发现患镰形细胞贫血症的病人具有
异常血红蛋白（命名为血红蛋白
S），这种血红蛋白可以从正常血
红蛋白中分离出来。正常血红蛋白被命名为血红蛋白
A（A表示
“成人”），以便和胎儿的血红蛋白（命名为血红蛋白
F，F表示“胎
儿”）区别开来。
自
1949年以来，除了血红蛋白
S以外，生物化学家们又发现
了其他一些异常血红蛋白，并按英文字母的顺序由血红蛋白
C命
名到血红蛋白
M。很明显，负责制造血红蛋白的那个基因已经突
变为多个有缺陷的等位基因。每个等位基因都会产生一种血红蛋
白，这些血红蛋白在正常的情况下执行分子的功能比较差，但是在
某种特殊的条件下也许有用处。因此，正像只有一个基因产生的血
红蛋白
S能够增强对疟疾的抵抗力那样，只有一个基因产生的血
红蛋白
C也能增强人体忍受最低含铁量的能力。
既然各种异常血红蛋白的电荷不同，它们肽链上的氨基酸的
排列也必定有所差别，因为氨基酸的成分决定着分子的电荷分布
第十三章 细 胞
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图。这些差别一定非常小，因为各种异常血红蛋白都能勉强执行
血红蛋白的功能。要想在一个有
600个氨基酸的大分子上找出这
种差别，希望同样是很小的。然而，德国血统的美国生物化学家英
格拉姆和他的同事们解决了异常血红蛋白的这个化学问题。
他们用一种蛋白质分解酶把血红蛋白
A、血红蛋白
S和血红
蛋白
C消化，先把它们分解成大小不同的肽。然后用纸电泳把各
种血红蛋白的片段分开——即用电流（而不是通过溶液）使分子沿
着一张湿的滤纸移动。（我们可以认为这是一种带电的纸色谱
法。）当研究者把这三种血红蛋白逐一这样处理后，他们发现三者
之间惟一的差别是，一个单肽在每种血红蛋白中出现的位置不同。
他们继续分解和分析这个肽。最后他们了解到，这个肽是由
9个氨基酸组成的，而且这
9个氨基酸除在一个位置上不同外，在
这三种血红蛋白中的排列完全相同。它们的排列分别是：
血红蛋白
A：组—缬—亮—亮—苏—脯—谷—谷—赖
血红蛋白
S：组—缬—亮—亮—苏—脯—缬—谷—赖
血红蛋白
C：组—缬—亮—亮—苏—脯—赖—谷—赖
由此可知，这三种血红蛋白之间惟一的差别在肽的第七位的
那个氨基酸上：血红蛋白
A是谷氨酸，血红蛋白
S是缬氨酸，血红
蛋白
C是赖氨酸。因为谷氨酸产生负电荷，赖氨酸产生正电荷，
缬氨酸不产生电荷，所以这三个血红蛋白在电泳中表现不同就没
有什么奇怪的了。它们的电荷分布图不同。
但是，分子上这么微小的变化为什么会造成红血球如此重大
的改变呢？原来，正常的红血球里有
1/3是血红蛋白
A。血红蛋
白
A分子在细胞里挤得很紧，几乎没有自由移动的余地。简言
之，它们处在要从溶液里沉淀出来的程度。一个蛋白能否沉淀出
来，部分影响是它所带电荷的性质。如果所有的蛋白都带有相同
的净电荷，它们就会相互排斥无法沉淀。电荷越大（即排斥力越
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大），蛋白越不容易沉淀。血红蛋白
S分子间的排斥力比血红蛋白
A的略微小一点，所以血红蛋白
S相应地不易溶解而更容易沉淀。
当一个镰形细胞基因和一个正常基因配成对时，正常基因可以形
成足够的血红蛋白
A，使血红蛋白
S保留在溶液内，可是这时生命
就岌岌可危了。但是当两个基因都是镰形细胞突变种时，它们就
会只产生血红蛋白
S。这种分子不能保留在溶液内，它会沉淀成
晶体，使红血球扭曲和变弱。
这个学说可以说明，为什么在一个差不多由
600个氨基酸组
成的分子的每一半上，只改变一个氨基酸，就足以产生一种严重的
疾病，而且患者几乎必定夭折。
代谢异常
由于缺少一种酶或由于一个基因的突变而引起的人类缺陷，
已经查出的不止是白化病和镰形细胞贫血症。苯酮尿症也是一种
遗传性代谢缺陷，常常引起智力低下。患者是由于缺少把苯丙氨
酸转变成酪氨酸所需要的一种酶。还有一种半乳糖血症，能引起
白内障并损害脑和肝。已经查明，这种病是由于患者缺少把磷酸
半乳糖转变为磷酸葡萄糖所需要的一种酶。还有一种疾病与缺少
某种控制糖原（一种淀粉）分解和把它转变为葡萄糖的酶有关，这
种病会造成肝或其他地方内糖原的异常积累，往往导致夭折。这
些都是先天代谢病的例子，都是先天缺少正常人所具有的合成某
种比较重要的酶的能力。这个观念是英国医生加罗德
1908年首
先向医学界提出的，但是在一代人的时间里没有人理睬，直到
20
世纪
30年代中期，英国遗传学家霍尔丹再度提请科学家们注意这
个问题。
这类疾病通常都是由产生有关酶的基因的一个隐性等位基因
控制的。当一对基因中只有一个有缺陷时，那个正常基因能够坚
第十三章 细 胞
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持下去，患者一般能够过正常的生活（如具有镰形细胞性状的人那
样）。只有当父母双方碰巧都具有相同的缺陷基因，而这两个基因
又被结合到受精卵里时，通常才会出现麻烦。这时他们的孩子就
是一个不幸的受害者了。大概所有的人都带有异常的、有缺陷的、
甚至是危险的基因，但通常都被正常基因掩盖了。现在你可以理
解为什么人类遗传学家如此关心辐射或任何其他可增加突变率和
遗传负荷的东西了。
核 酸
总的来说，遗传上真正值得注意的不是这些惊人的、比较罕见
的畸变，而是遗传如此严格地一如往常的事实。一代接着一代，一
千年又一千年，基因一直不断地以完全相同的方式复制着自己，并
产生着完全同样的酶，只是在偶然的情况下才会意外地偏离蓝图。
它们即使在大分子上也不会弄错一个氨基酸。以如此惊人的忠实
程度，一次又一次准确地自我复制，它们到底是怎样做到这一点的
呢？
这个问题的答案一定在我们称为染色体的长串基因的化学
上。染色体的一个主要部分是蛋白质，它大约有一半的物质是由
蛋白质构成的。这并不令人惊奇。随着 20世纪的消逝，生物化学
家们认为，任何复杂的身体功能都与蛋白质有关。蛋白质似乎是
身体里最复杂的分子，只有蛋白质分子的复杂程度才足以表现出
生命的多面性和敏感性。
可是，染色体蛋白质的主要部分属于组蛋白类，就蛋白质来
说，这些分子是相当小的，而且更糟糕的是，它们是由氨基酸的一
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种惊人的简单混合组成的。它们的复杂程度似乎远不能决定遗传
的精密性和复杂性。诚然，染色体中还有大得多而且更复杂的分
子组成的非组蛋白的蛋白质成分，但它们仅占整个染色体的一小
部分。
然而，生物化学家们被这种蛋白质难住了。无疑，遗传的机制
只能与蛋白质有关。大约一半的染色体是由非蛋白物质组成的，
但是似乎任何非蛋白物质都不可能合适。不过，我们仍然必须讨
论染色体的这种非蛋白质成分。
一般结构
1869年，一位名叫米舍尔的瑞士生物化学家在用胃蛋白酶分
解细胞的蛋白质时，发现胃蛋白酶并没有破坏细胞核。细胞核缩
小了一些，但依然完整无损。经过化学分析，米舍尔发现，细胞核
主要是由一种含磷的物质组成的，这种物质的性质与蛋白质毫无
相似之处。他称这种物质为核质，20年后发现它是一种强酸，又
重新命名为核酸。
米舍尔专心致力于研究这种新物质，终于发现几乎全部由细
胞核物质构成的精子细胞特别富含核酸。同时，德国化学家霍佩
塞勒从酵母细胞中分离出核酸（米舍尔就是在霍佩
…塞勒的实验室
里获得他的第一个发现的，而且霍佩
…塞勒亲自证实了这个年轻人
的工作以后，才同意把它发表）。这种核酸在性质上似乎不同于米
舍尔发现的那种核酸，所以把米舍尔发现的核酸命名为胸腺核酸
（因为它特别容易从动物的胸腺里得到），而把霍佩…塞勒发现的核
酸自然地叫做酵母核酸。由于开始时胸腺核酸只从动物细胞里提
取，酵母核酸只从植物细胞里提取，因此有一个时期人们认为这可
能是动植物之间一种普遍的化学差别。
德国生物化学家科塞尔（霍佩
…塞勒的另一位学生）是第一个
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
对核酸分子的结构进行系统研究的人。他经过精心的水解，从核
酸里分离出一系列的含氮化合物，并分别命名为腺嘌呤、鸟嘌呤、
胞嘧啶和胸腺嘧啶，现在知道这些化合物的结构式分别为：
NH2 OH
C
C
N
N
NC
NC
CH
CH
CH C
CC
NH
NH
N
NH2 N
腺嘌呤鸟嘌呤
NH2 OH
C C CH3
NCH NC
C CH
C CH
HO N
HO N
胞嘧啶胸腺嘧啶
头两种化合物的双环结构叫做嘌呤环，另外两种化合物的单
环称为嘧啶环。因此，腺嘌呤和鸟嘌呤属于嘌呤类，而胞嘧啶和胸
腺嘧啶属于嘧啶类。
由于这些研究引起了一系列富有成果的发现，科塞尔获得
1910年的诺贝尔医学与生理学奖。
1911年，俄国出生的美国生物化学家列文（科塞尔的一名学
生）又把这项研究向前推进了一步。
1891年科塞尔曾发现核酸含
有碳水化合物，而现在列文证明核酸含有五碳糖分子。（当时这是
一项不寻常的发现，因为大家所熟悉的糖，如葡萄糖，都含有六个
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碳。）列文沿着这个发现继续前进，证明两种核酸所含的五碳糖性
质不同。酵母核酸含有核糖，而胸腺核酸含有一个与核糖非常相
似的糖，只比核糖少一个氧原子，所以叫做脱氧核糖。它们的结构
式分别为：
OO
CH CH
HCOH HCH
H COH H COH
H COH H COH
CH2 OH CH2 OH
核糖脱氧核糖
因此，这两种核酸后来分别叫做核糖核酸（RNA）和脱氧核糖
核酸（DNA）。
这两种核酸除含糖不一样外，所含的嘧啶中也有一个不相同。
RNA有一个尿嘧啶代替了胸腺嘧啶。不过，尿嘧啶和胸腺嘧啶非
常相似，这一点从结构式上可以看出来：
OH
C
N
CH
C
CH
HO N
尿嘧啶
到
1934年，列文已经能够证明，核酸可以分解成含有一个嘌
呤（或一个嘧啶）、一个核糖（或一个脱氧核糖）和一个磷酸基的一
第十三章 细 胞
第十三章 细 胞
些片段。这个组合叫做核苷酸。列文提出，核酸分子是由核苷酸
构成的，正如蛋白质是由氨基酸构成的一样。他的定量研究表明，
核酸分子仅由
4个核苷酸单元所组成，一个含腺嘌呤，一个含鸟嘌
呤，一个含胞嘧啶，一个含胸腺嘧啶（在
DNA里）或尿嘧啶（在
RNA里）。
这个提法似乎很有道理。染色体内及其他地方的物质被认为
是核蛋白，而核蛋白又是由一个带有一个或多个四核苷酸基的大
蛋白质分子组�