星期一, 11 1月 2021 06:29

上帝的DNA开解马达:拓扑异构酶

原文章名:God’s DNA-detangling motors.   本文摘自《创造》杂志中文版第40卷第1期

所有生物体内都有奇妙无比的机器,还有建造这些机器的 “ 指令手册 ”。正如一本书的信息是由纸上的文字记载一样,

上帝的DNA开解马达:拓扑异构酶

这本指令手册是由著名的 DNA(脱氧核糖核酸)分子中的化学‘字母’序列(核苷酸)书写。

DNA 物理结构带来的众多问题在最简单的生命出现之前都需要得以解决。

 

不仅如此,这些指令还要复制到子代。其实,你并不是继承了妈妈的眼睛、爸爸的耳朵,而是再次制造妈妈眼睛和爸爸耳朵的指令被复制到了你的 DNA 中(参见尾页的知识窗)。

DNA 物理结构带来的众多问题在最简单的生命出现之前都需要得以解决。DNA 的双螺旋结构只有大概 2.5 纳米宽(一英寸的千万分之一)—— 这样的结构实在太微小,借助光学显微镜也无法观察到(一个完整的螺旋转角大概有 10.5 个字母的长度)。但是整条 DNA 分子却非常长:一号染色体是人类最大的染色体,它是由 2.2 亿个字母组成。如果完全展开,它的长度可达 85 毫米(3.4 英寸)。倘若你身体某个细胞中的全部 DNA 都排列开来,其长度大概会到 2 米(6-7 英尺)!这些细长黏糊的长链必须被包装在一个微小的细胞中,并要时时防止它们相互缠绕和打结而乱成一团。细胞需要复杂的机器去实现所有这些功能。而这些机器奇妙复杂,正是创造者大能的一个明证。


解开双螺旋

当 DNA 进行解码(用于制造蛋白质时),双螺旋结构的两条长链必须分离。在繁殖过程中,每条长链都要独立复制。

这个过程需要一种叫做 DNA解旋酶的特殊马达。这种酶呈环状,中间有一个圆孔,让 DNA 得以穿过。但它们既然是马达,就需要燃料供应。为解旋酶供能的是一种称为 ATP 的“ 燃料 ”,而 ATP 则是从另一种马达,ATP 合成酶产生的。1 在 ATP 的驱动下,解旋酶环上呈现波浪形变化,波速达每分钟 10000 转左右 —— 这相当于飞机涡轮引擎的转速。解旋酶沿着 DNA 链快速运行,将 DNA双链在复制叉上分离。2 之后,许多其他细胞机器会对 DNA 进行解码并将两条链重新粘合,或者将两条链分别复制。解旋的过程非常快,因为 DNA 复制速度是每秒 1000 个字母,解旋酶必须赶在复制机器的前边。

拓扑异构酶与DNA合成
DNA复制,或称DNA合成,是一个复制DNA分子双链的过程。正如我们所知,这个过程对所有生命都很重要。
声明:这是一套非常复杂的机器(比如,解旋酶有一个环状结构,能让DNA链穿过),该图将之简化。


超螺旋

DNA 螺旋状所产生的另一个问题,在解旋酶拆分长链时就凸显出来。你用一条由多股细绳扭成的绳索就容易证明这个问题:从绳索的中部开始,尝试将各股分开。没多久你就会发现各股很难拆开了,因为分离点两侧股间盘绕越来越紧,阻力增大。如果你松开绳子,它会自己重新盘绕起来 —— 想想老式电话机的螺圈形软线,它们会很容易就层层叠叠地缠在一起。每当在解旋点的前方增加一次缠绕,解旋点后边的DNA也对称地增加一次缠绕,所以后边也变成了超螺旋结构(过度盘绕)。在细胞中,如果 DNA解旋受阻,细胞就无法合成蛋白质,也不能自我复制。


解缠机器

创造者通过一种称为拓扑异构酶 3 的特殊蛋白机器来解决生物体中这个问题。这种酶可以剪切 DNA, 重整其结构,后再将 DNA 连接起来。拓扑异构酶必须赶在复制叉前方完成这些工作,避免 DNA 链盘绕得太紧。

拓扑异构酶有若干种,但是可以归为两大类:

• I 型拓扑异构酶会把 DNA 双链中的一条切开,临时抓住切开的两端,让另一条没有被切的链自由穿过切口。这样就能松解双链相互盘绕拧出的张力。这一活动每进行一次会松开一个扭(即,减少一次盘绕)。最后,DNA 链的剪切位点被重新连接。

I 类拓扑异构酶不需要ATP。它仅是让 DNA 盘绕过渡而积累起来的张力释放,如同松开一团拧紧的弹簧一样。

• Ⅱ型拓扑异构酶就复杂很多。这类酶会把 DNA 双螺旋链的双链都切开,并将切口两端分开。紧接着,它会拉着一段没有被切的 DNA 链穿过这个切口。之后,切口缝合。接着,它会放开刚过来的 DNA 链,也放开重新缝合的链条,按需要继续重复整个过程,其中有好几个步骤都需要 ATP 的参与。

Ⅱ型拓扑异构酶之所以重要还有一个原因:当 DNA进行复制时,有时候两个“子”DNA 分子会像链环一样缠绕到一起。因此,将这些缠绕在一起的分子分开称为解链,这是Ⅱ型拓扑异构酶的重要功能。


除非功能齐全,否则无用

拓扑异构酶必须实现三个步骤,否则它们就无用甚至有害:剪切、拉着另一条长链穿过切口、重新连接。每一个步骤有多重要呢?如果任何一个步骤无法完成,酶就无法运作,细胞也就凋亡。

……构建拓扑异构酶的说明在DNA上,但是如果没有拓扑异构酶解散DNA则无法阅读这些说明。

 

其实,某些抗菌和抗癌药物的药理也是以拓扑异构酶为标靶。氟喹诺酮这类抗菌药(比如环丙沙星和左氧氟沙星)会阻挡细菌的Ⅱ型拓扑异构酶的重新连接功能,使细菌 DNA 的长链不断分解,从而快速杀死细菌细胞。某些抗癌药物(喜树碱和拓扑替康)也是通过同样的药理作用在癌细胞的 I 型和Ⅱ型拓扑异构酶上,从而令癌细胞在复制时失去控制。

另一类药物称为催化抑制剂,它能抑制 ATP 能量的释放,通过停止剪切(第一步)而起效。它并非把 DNA 分解成碎片使细胞死亡,而是让 DNA 缠绕在一起,令细胞既不能自我复制,也无法合成蛋白质。


进化论面临的问题

进化论认为,无机世界的随机化学反应通过逐步累积的方式产生了第一个细胞,其中的每一步都必须有进化优势,从而为自然选择所青睐。这显然是不可能的。假设该过程产生了一种酶,它可以进行第一个步骤 —— 剪切。若然没有把长链连接起来,这只会让原来的信息分子被剪成碎片,细胞也因此受损!

但是对于进化论来说,情况比这更糟糕。自然选择根据定义就是繁殖差异:“ 甲种生物比乙种生物更适应环境 ” 意味着 “ 甲比乙有更多后代能存活下来 ”。因此,自然选择要求至少存在两个能自我复制的生物。说白了,自然选择无法解释复制的起源,因为在出现能复制DNA 的方法之前,生物无法自我繁殖。我们也看到了,没有拓扑异构酶,DNA 便无法复制,因为长链很快就互相缠绕,乱成一堆。自然选择无法解释第一个拓扑异构酶的起源,因此达尔文的进化论也就无从谈起。4

另一个问题类似于众所周知的“ 先有鸡还是先有蛋 ”。5 这个问题是:合成拓扑异构酶的指令在 DNA 上,但是没有拓扑异构酶去解旋 DNA,这些指令便无法读取。即使最简单的Ⅱ型拓扑异构酶也是由两个蛋白质片段构成,共有800个 “字母”(氨基酸)。三个 DNA“ 字母 ” 才能编码一个蛋白质字母,所以其基因内大约有 2400 个字母。这样的长度,没有解缠机器是无法读取的。

若然没有Ⅱ型拓扑异构酶去解开子代 DNA 链,这些指令也无法传递到下一代。生殖支原体的 DNA在所有生物的基因组中是最简单的,但它也过于庞大,无法自我解链。

DNA:最佳的信息存储系统

DNA:最佳的信息存储系统

DNA 是目前已知的最先进的信息存储 / 提取 / 传递系统。单个活细胞中的 DNA 信息密度大概为每立方毫米1000 兆字节(1000TB)。1 所以它可以在一个非常小的空间内存储巨量信息:最简单的生物要数支原体(Mycoplasma),它寄生于细胞内,其 DNA 信息量大概是 60 万字节(600KB),而单个人体细胞的 DNA 信息量大概为 3G。2

如果将单个人体细胞的信息用纸张和墨水写下来,大概需要1000本圣经大小的书(或200 部美国税法)。3 值得注意,信息并非来自书页上墨水的化学属性 —— 并非把墨水泼洒在纸上,这些信息就会出现。作者将墨水组织成字母,信息才会出现。同样,DNA“ 字母”的化学属性与生命信息是两码事。


1. 可以从下面网址找到更多细节和文献资料 Sarfati, J., DNA: the best information storage system, 9 October 2015; creation.com/dna-best. See also Batten, D., DNA repair mechanisms ‘shout’ creation, Creation 38(2):56, 2016; creation.com/dna-repair-shouts.
2. 为了简化问题,我把每个 DNA“ 字母 ” 比成一 “ 字节 ” 的信息,实际也差不多。事实上,每个核苷
酸位点有四种可能性,所以每个字母能储存两个字节的信息。我们的基因组有31.7亿个碱基对(bp),
而每个细胞中有两套基因组拷贝,即 63.4 亿个碱基对。
3. Erb, K.E., 美国税法有将近 400 万字 , Taxpayer Advocate calls it too complicated, forbes.com, 10 January 2013. 英文
钦定本圣经有将近 80 万字。


结论

就算是最简单的生物,在读取自身 DNA 指令以合成蛋白质或将指令传递给后代时,也需要拓扑异构酶参与。这些复杂且经过精心设计的机器能够对 DNA 进行剪切、移动并重新连接。没有它们参与,繁殖就无法进行。达尔文进化论 ——随机突变和自然选择无法产生第一个拓扑异构酶。 

 

【扩展阅读】

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参考文献和注释

1. 参见 Grigg, R., ‘Hooray for eugenics!’, Creation 30(3):50–52, 2008; creation.com/eugenics-church.

2. 黛博拉的故事最初记载于 Goddard, H., The Kallikak Family, New York, Macmillan and Company, 1912.

3. Smith, J.D. and Wehmeyer, M.L., Good Blood, Bad Blood: Science, Nature, and the Myth of the Kallikaks, pp. 200–201, Washington, D.C., AAIDD, 2012.

4. 艾玛的故事详载于Smith and Wehmeyer, ref. 3, and Smith and Wehmeyer, Who Was Deborah Kallikak? Intellectual and Developmental Disabilities 50(2):169–178 | doi:10.1352/1934-9556-50.2.169, April 2012.

5. Sarfati, J., America’s evolutionists: Hitler’s inspiration? Creation 27(2):49, 2005; creation.com/weak.

6. Cosner, L., Richard Dawkins: Dolphins worth more than babies with Down syndrome? creation.com/dawkins-ds-abortion, 24 August 2014.

7. Cosner, L., Blurring the line between abortion and infanticide? creation.com/infanticide, 2 July 2008.

    

本文原英文链接见:https://creation.com/dna-detangling-motors-topoisomerase.

 
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