‘壹’ 基因通过控制什么来控制生物性状
基因对性状的控制可以分为直接控制和间接控制两种:
1.直接控制结构蛋白:如镰刀形细胞贫血症就是因为血红红蛋白结构异常引起;
2.通过控制酶的合成来影响代谢,从而间接控制性状:如白化病(酪氨酸酶不能合成从而影响黑色素的形成)。
‘贰’ 为什么基因控制生物的性状
基因控制蛋白质的合成,蛋白质包括酶类和非酶蛋白,非酶蛋白直接参与细胞的构成,比如说,组蛋白参与染色体的构成,没有组蛋白的基因,DNA就无法形成光镜下可见的染色体。生物体的非蛋白物质的合成和代谢则由一系列的酶促反应完成。比如构成细胞膜的磷脂,则是由甘油,脂肪酸和磷酸在酶作用下合成的。这些酶由基因编码,一个基因决定一种酶,缺少这些基因,相应的物质就不能合成,生物体就会出现各种特征。另外,物质的代谢也由酶催化,比如大多数生物有合成糖酵解途径的酶的基因,因此能利用葡萄糖酵解获得能量,而立克次氏体则无这些基因,因此它不能利用糖类获得能量。最后举个例子,人类的猫叫综合症是由于人类23号染色体的一段缺失造成的,缺失的染色体上有很多基因,没有了这些基因,人就表现出病症。
‘叁’ 基因是怎样控制性状的呢
这是科学家始终关注的关键问题,这个问题非常复杂,表现形式也不一样。
从1940年开始,遗传学家比德尔和美国的生物学家塔特姆合作,用红色面包霉做材料进行研究。他们发现它有很多优点,如繁殖快,培养方法简单和有显着的生化效应等,因此研究工作进展顺利,并且得到了巨大的成果。他们用X射线照射红色面包霉的分生孢子,使它发生突变。然后把这些孢子放到基本培养基(含有一些无机盐、糖和维生素等)上培养,发现其中有些孢子不能生长。这可能是由于基因的突变,丧失了合成果种生活物质的能力,而这种生活物质又是红色面包霉在正常生长中不可缺少的,所以它就无法生长。如果在基本培养基中补足了这些物质,那么孢子就能继续生长。应用这种办法,比德尔和塔特姆查明了各个基因和各类生活物质合成能力的关系,发现有些基因和氨基酸的合成有关、有些基因和维生素的合成有关,等等。
经过进一步研究,比德尔和塔特姆发现,在红色面包霉的生物合成中,每一阶段都受到一个基因的支配,当这个基因因为突变而停止活动的时候,就会中断这种酶的反应。这说明在生物合成过程中酶的活动是受基因支配的,也就是说,基因和酶的特性是同一序列的。于是他们在1946年提出了“一个基因一个酶”的理论,用来说明基因通过酶控制性状发育的观点,就是一个基因控制一个酶的合成。具体地说,每一个基因都是操纵一个并且只有一个酶的合成,因此控制那个酶所催化的单个化学反应。我们知道酶具有催化和控制生物体内化学瓜的特殊才能,这样,基因就通过控制酶的合成而控制生物体内的化学反应,并最终控制生物的性状表达。虽然“一个基因一个酶”的理论,既没有探究基因的物理、化学本性,也没有研究基因究竟怎样导向酶的形成,但是它一次从生化学的角度来研究遗传问题,注意到基因的生化效应,在探索基因作用机理方面是有很大贡献的。
但生物学家到后来发现问题不是那么简单,基因有时并不控制酶的合成,而是蛋白质的空间结构,从而达到控制性状的目的,于是在此基础上,遗传学家和生物化学家又提出了“一个基因一条多肽链”的假说,一个酶是由许多多肽链构成的。这样若干个基因控制若干个多肽链,这些多肽链又构成一个酶,并最终控制生物性状表达。
近年来,许多实验室对真核细胞基因的分析研究表明:DNA上的密码顺序一般并不是连续的,而是间断的;中间插入了不表达的,甚至产物不是蛋白质的DNA,相继发现“不连续的结构基因”、“路跃基因”、“重叠基因”等。这些研究成果说明,功能上相关的各个基因,不一定紧密连锁成操纵子的形式,它们不但可以分散在不同染色体或者同一染色体的不同部门上,而且同一个基因还可以分成几个部分。因此,过去的“一个基因一个酶”或者“一个基因一条多肽链”的说法就不够确切和全面了。实际上,基因控制生物性状的遗传是非常复杂的,有直接作用,有间接作用,还有依靠一种叫做操纵子的东西来控制生物的遗传,甚至还受到环境的影响等等。
如果基因的最后产物是结构蛋白,基因的变异可以直接影响到蛋白质的特性,从而表现出不同的遗传性状,从这个意义上说,可以看做是基因对性状表现的直接作用。
基因通过控制酶的合成,间接地作用于性状表现,这种情况比上述的第一种情况更为普遍。例如,高茎豌豆和矮茎豌豆,高茎(T)对矮茎(t)是显性。据研究,高茎豌豆含有一种能促进节间细胞伸长的物质——赤霉素,它是一类植物激素。赤霉素的产生需要酶的催化,而高茎豌豆的T基因的特定碱基序列,能够通过转录、翻译产生出促使赤霉素形成的酶,这种酶催化赤霉素的形成,赤霉素促进节间细胞生长,于是表现为高茎。而矮茎基因t,则不能产生这种酶,因而也不能产生赤霉素,节间细胞生长受到限制,表现为矮茎豌豆。