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主要内容

基因表达介绍(中心法则)

DNA中的基因如何为蛋白质提供指令。分子生物学的中心法则: DNA → RNA → 蛋白质。

概述:基因表达

DNA 是地球上所有生物的遗传物质。当DNA从父母遗传到孩子身上时,它可以决定孩子的一些特征(例如他们眼睛的颜色或是头发的颜色)。但是DNA分子的序列会怎么影响一个人或是其他物种的特征?例如,孟德尔的豌豆中组成DNA的核苷酸(A、T、C、G)序列是如何决定花朵的颜色的?

基因指定功能性产物(例如蛋白质)

一个DNA分子不仅仅是一长串乏味的核苷酸。相反,它被划分成了一个个功能单元,称为基因。每个基因都为一个功能性产物的生成提供指令,功能性产物是在细胞里完成一项工作所需的分子。在许多情况下,基因的功能性产物是蛋白质。例如,孟德尔的花色基因为一种蛋白质提供了指令,这种蛋白质在花瓣中帮助合成有颜色的分子(色素)。
图示显示了在生物体内一个基因是如何指示一个表现型(可观察的特征)。孟德尔研究的花色基因由染色体上的一段DNA组成。这段DNA有一个特定的序列;它的一部分,如图所示,是5'-GTAAATCG-3'(上链),与互补序列 3'-CATTTAGC-5'(下链)配对。该基因的DNA指定了一种帮助制造色素的蛋白质的生成。当这种蛋白质存在并发挥作用时,色素就会生成,植物的花朵就会是紫色的。
图像基于 Hellens et al. start superscript, 1, end superscript 的实验数据和在 Reece et al.squared 中的相似图片。
大部分我们所知道的基因的功能性产物是蛋白质,或者更准确的说,多肽。多肽其实就是氨基酸链的另一种说法。很多蛋白质是一条多肽链组成的,不过也有一些是由多条链组成的。给生产多肽提供指示的基因叫做 蛋白质编码 基因。
不是所有基因都对应多肽的生产。一些基因给构建功能性RNA分子提供指令,例如在翻译中起重要作用的 转运RNA核糖体RNA

基因的DNA序列如何指示特定蛋白质的生成?

很多基因为制造多肽提供指令。不过DNA究竟是怎么指导多肽的构建的?这个过程包含两个主要步骤:转录和翻译。
  • 转录 过程中,一个基因的DNA序列被复制,形成一个RNA分子。这一步叫做 转录, 因为它涉及到用相似的RNA“字母表”重写或转录DNA序列。在 真核生物 中,RNA分子必须经过加工才能变成一个成熟的 信使RNAmRNA)。
  • 翻译中,mRNA序列被解码,指示一个多肽的氨基酸序列的生成。翻译 这个名字反映了mRNA序列的核苷酸序列必须被翻译成另一个完全不一样的氨基酸“语言”。
中心法则的简化图示,按顺序显示了所涉及的分子。
这两条DNA分别有以下序列:
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
DNA的其中一条链的转录生产出的一个mRNA几乎与另一条DNA序列完全相匹配。不过,因为DNA和RNA之间生物化学上的差别,DNA中的T由mRNA中的U所代替。所以转录后的mRNA序列是:
5'-AUGAUCAUGUAA-5'
翻译涉及到以三个一组读取mRNA的核苷酸,每一组都对应了一个氨基酸(或者提供一个终止信号,表明翻译完成。)
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG right arrow 蛋氨酸 AUC right arrow 异亮氨酸 UCG right arrow 丝氨酸 UAA right arrow "终止"
多肽序列:(N端)蛋氨酸-异亮氨酸-丝氨酸(C端)
所以,在蛋白质编码基因的表达中,信息流为DNA right arrow RNA right arrow 蛋白质。这个有固定方向的信息流被称为分子生物的 中心法则。非蛋白质编码的基因(指示功能性RNA生成的基因)也被转录生产出一个RNA分子,但这个RNA不会被翻译成多肽。对于这两种基因,从DNA到功能性产物的过程称为 基因表达

转录

转录 中,构成基因的DNA中的一条链称为非编码链(模板链),它在通过RNA聚合酶合成配对(互补)RNA链时作为模板。这条RNA链被称为初级转录产物
这两条DNA分别有以下序列:
5'-ATGATCTCGTAA-3' 3'-TACTAGAGCATT-5'
DNA解开形成一个空泡,下链作为合成互补RNA链的模板。这条链被称为模板链。模板链的转录生产出的这条mRNA几乎和DNA的另一条链(编码链)完全配对。不过,因为DNA和RNA之间生物化学组成的不同,DNA中的T被mRNA中的U所代替。所以,转录后的mRNA序列是:
5'-AUGAUCAUGUAA-5'
初级转录产物携带着的序列信息与那条没有被转录的DNA链相同,那条DNA链有时被称为 编码链。不过由于DNA和RNA之间生物化学上的差别,初级转录产物和DNA的编码链并非完全相同。一个重要的不同在于RNA分子不包括碱基胸腺嘧啶(T)。它们用相似的碱基 尿嘧啶U)代替。与胸腺嘧啶相同,尿嘧啶和鸟嘌呤配对。

转录和RNA加工:真核生物和细菌

在细菌中,初级RNA转录产物可以直接作为 信使RNA,或mRNA。信使RNA之所以得名,是因为它们是DNA和核糖体之间的信使。核糖体是细胞质中由RNA和蛋白质组成的结构,而蛋白质正是在细胞质中生产出来的。
在真核生物(例如人类)中,初级转录产物需要经历一些额外的加工步骤才能成为一个成熟的mRMA。在 加工 过程中,mRNA的两端被加上“帽子”,一部分也许会在叫做剪切的过程中被小心地移除。这些步骤不在细菌中发生。
真核生物:转录在细胞核内发生。初级转录产物也需要在细胞核内经过加工步骤才能成为一个成熟的mRNA。之后它被运出到细胞质内,在那里它可以和一个核糖结合并在翻译过程中指导多肽的合成。
细菌:转录在细胞质中发生。因此,mRNA不需要在它能被一个核糖体翻译之前转移到其他地方。实际上,一个核糖体甚至可以在mRNA完全被转录之前就开始翻译。
原核生物和真核生物的转录位置也不同。真核生物的转录发生在细胞核中,DNA被储存的地方,而蛋白质合成发生在细胞质中。因此,一个真核信使RNA必须从细胞核中运出来才能被翻译成多肽。而原核细胞没有细胞核,所以它们的转录和翻译都在细胞质中进行。

翻译

在转录之后(在真核生物中是在加工之后),一个mRNA分子已经准备好开始指导蛋白质合成了。这个使用mRNA中的信息来建造多肽的过程被称为 翻译

遗传密码

在翻译过程中,mRNA的核苷酸序列被翻译成多肽的氨基酸序列。具体来讲,mRNA的核苷酸是三个一组读取出来的,一组核苷酸被称为一个 密码子。一共有 61 个密码子编码氨基酸。一个密码子是“起始”密码子指示翻译开始的位置。起始密码子对应氨基酸蛋氨酸,所以大部分多肽都由这个氨基酸开头。另外三个“终止”密码子指示多肽链的结束。这些氨基酸和密码子之间的 对应关系 被称为 遗传密码
mRNA序列是:
5'-AUGAUCAUGUAA-5'
翻译涉及到以三个一组读取mRNA的核苷酸,每一组都对应了一个氨基酸(或者提供一个终止信号,表明翻译完成。)
3'-AUG AUC UCG UAA-5'
AUG right arrow 蛋氨酸 AUC right arrow 异亮氨酸 UCG right arrow 丝氨酸 UAA right arrow "终止"
多肽序列:(N端)蛋氨酸-异亮氨酸-丝氨酸(C端)

翻译的步骤

翻译 在一个叫做 核糖体 的结构中发生。核糖体是一个分子机器,职责在于制造多肽。当一个核糖体锁定在一个mRNA上并找到“起始”密码子后,它会开始快速沿着mRNA下行,一次经过一个密码子。在这过程中,它会开始制造一条完全与mRNA中的密码子序列相对应的氨基酸链。
核糖体如何“知道”每个密码子对应哪一个氨基酸的?其实,这个匹配不是由核糖体本身完成的。它依赖于一组称为 转录RNAtRNAs)的特殊RNA分子。每个tRNA的一端有三个伸出的核苷酸,可以识别(碱基配对)一个或几个特定的密码子。在另一端,tRNA携带一个氨基酸——确切地说,是与这些密码子相匹配的氨基酸。
翻译发生在一个核糖体中。mRNA和核糖体结合,在那里它可以和tRNA分子相互作用。
在这张图像中,mRNA的序列为:
3'-...AUG UAC AUC UCG GAU...-5'
一个和第三个密码子(5'-AUC-3')结合的tRNA有一段与其互补的序列 3'-UAG-5'。它携带着一条由蛋氨酸和异亮氨酸组成的多肽链,末端的异亮氨酸附在tRNA上。在这个tRNA的右边,另一个tRNA正在和下一个密码子(5'-UCG-3')结合。相似的,这个tRNA有一个互补的核苷酸序列(3'-AGC-5'),携带着氨基酸丝氨酸,也就是那个mRNA密码子所对应的氨基酸。这个tRNA携带的丝氨酸会被添加到这个逐渐变长的多肽链上。
其他带着氨基酸的tRNA正在后面漂浮着。一个携带着 Glu(谷氨酸),在其末端有一段为 3'-CUU-5' 的核苷酸序列。另一个携带着 Asp(天门冬氨酸),在其末端由一段为 3'-CUA-5' 的核苷酸序列。
细胞里有很多tRNA,但只有能和正在被读取的密码子相匹配(碱基配对)的tRNA可以与其结合,运送它的氨基酸货物。一旦一个tRNA在核糖体里和它相匹配密码子紧密地结合,它的氨基酸就会被添加到多肽链的末端。
  1. 匹配的tRNA与核糖体最右边裸露出的密码子结合。
  2. 氨基酸链从核糖体中间槽的tRNA转移到位于最右边槽的tRNA的氨基酸上。它的作用是将氨基酸添加到氨基酸链的末端。
  3. 核糖体向右移动一个密码子。原先位于中间位置的tRNA移动到最左边的位置并脱离核糖体。先前在最右边的tRNA移动到中间,并继续携带着氨基酸链。一个新的密码子这样就被暴露了在最右边的位置,来让一个新的tRNA和它结合。
随着核糖体顺着mRNA移动,一次一个密码子,这个过程会重复很多次。一条氨基酸链就这样一个氨基酸接一个氨基酸的构建起来,其序列和mRNA中的密码子序列相匹配。翻译在核糖体遇到一个终止密码子时停止,并释放多肽链。

接下来会发生什么?

在多肽建造完成后,它可能会接受进一步加工或者修饰,和其他多肽链结合,或者被运送到细胞内外特殊的地点。最终,它会执行细胞或生物体所需的一项特别工作——也许是作为一个信号分子,或是一个结构单元,或是一个酶!

总结:

  • DNA被划分成叫做 基因 的功能性单元,它们可以为建造多肽(蛋白质和蛋白质亚基)或者功能性RNA(例如tRNA和rRNA)提供指示。
  • 一个基因中信息可以用来在称为 基因表达 的过程中建造一个功能性产物。
  • 一个编码多肽的基因经过两个步骤表达出来。在这个过程中,信息流动的方向为 DNA right arrow RNA right arrow 蛋白质,这个定向的关系被称为分子生物学的 中心法则
    • 转录:基因DNA的一条链被复制为RNA。在真核生物中,RNA转录产物必须经过额外的加工步骤才能成为一个成熟的信使RNA(mRNA)。
    • 翻译:mRNA的核苷酸序列被解码来指示一个多肽的氨基酸序列。这个过程发生在一个核糖体中,需要叫做tRNA的“适配器”分子。
  • 在翻译过程中,mRNA的核苷酸按三个一组被读取,一组为一个密码子。每个密码子指示一个特定的氨基酸或者终止信号。这组关系被称为 遗传密码