第1节 基因指导蛋白质的合成

基因如何指导蛋白质的合成?我们知道,基因是有遗传效应的DNA片段。DNA主要存在于细胞核中,而蛋白质是在细胞质中合成的。那么,DNA携带的遗传信息是怎样传递到细胞质中的呢?当遗传信息到达细胞质后,细胞又是怎样解读的呢?

遗传信息的转录

细胞核中的基因如何指导细胞质中的蛋白质合成?科学家推测,在DNA和蛋白质之间,还有一种中间物质充当信使。后来发现细胞中的确有这样的物质,它就是RNA。

RNA是什么物质?为什么RNA适于作DNA的信使呢?

RNA是另一类核酸,它的分子组成与DNA的很相似：它也是由基本单位——核苷酸连接而成的,核苷酸也含有4种碱基,这些特点使得RNA具备准确传递遗传信息的可能。与DNA不同的是,组成RNA的五碳糖是核糖而不是脱氧核糖(图4-1);RNA的碱基组成中没有碱基T(胸腺嘧啶),而替换成碱基U(尿嘧啶)(图4-2);RNA一般是单链,而且比DNA短,因此能够通过核孔,从细胞核转移到细胞质中。

这种作为DNA信使的RNA叫信使RNA( messenger RNA),也叫mRNA。此外还有转运RNA( transfer RNA),也叫tRNA,以及核糖体RNA( ribosomal RNA)也叫rRNA(图4-3)。

DNA的遗传信息是怎样传给mRNA的?

科学家通过研究发现,RNA是在细胞核中,通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成的,这一过程叫作转录( transcription)。下面以mRNA为例说明转录的基本过程。当细胞开始合成某种蛋白质时,RNA聚合酶与编码这个蛋白质的一段DNA结合,使DNA双链解开,双链的碱基得以暴露。细胞中游离的核糖核苷酸与DNA模板链上的碱基互补配对,在RNA聚合酶的作用下,依次连接,然后形成一个mRNA分子(图4-4)。

遗传信息的翻译

mRNA合成以后,通过核孔进入细胞质中。游离在细胞质中的各种氨基酸,就以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质,这一过程叫作翻译( translation)。

你已经知道,核酸的碱基序列蕴含着遗传信息。翻译的实质是将mRNA的碱基序列翻译为蛋白质的氨基酸序列。想一想你查阅英汉词典的过程,正是借助于英文单词与汉字的对应关系,你才能将一篇英文翻译成中文。要想知道mRNA是如何翻译成蛋白质的,首先也要寻找mRNA的碱基与氨基酸之间的对应关系。

碱基与氨基酸之间的对应关系是怎样的?

DNA和RNA都只含有4种碱基,而组成生物体蛋白质的氨基酸有21种。这4种碱基是怎么决定蛋白质的21种氨基酸的呢?设想一下,如果1个碱基决定1个氨基酸那么,4种碱基只能决定4种氨基酸,这显然是不够的。如果2个碱基决定1个氨基酸,4种碱基能决定16(即4²)种氨基酸,还是不够。如果3个碱基决定1个氨基酸,4种碱基能决定64(即4³)种氨基酸,这种方式能够满足组成蛋白质的21种氨基酸的需要。

相关信息

tRNA和rRNA参与蛋白质的合成过程,但是这两种RNA本身不会翻译为蛋白质。

上述推测只是破解遗传密码过程中的一步。后来,科学家又通过一步步的推测与实验,最终破解了遗传密码,得知mRNA上3个相邻的碱基决定1个氨基酸。每3个这样的碱基叫作1个密码子(图4-5),科学家将64个密码子编制成了密码子表(表4-1)。

mRNA进入细胞质后,就与蛋白质的“装配机器”核糖体结合起来,形成合成蛋白质的“生产线”。有了“生产线”,还要有“工人”,才能生产产品。

游离在细胞质中的氨基酸,是怎样被运送到合成蛋白质的“生产线”上的呢?

将氨基酸运送到“生产线”上去的“搬运工”,是另一种RNA——tRNA。tRNA的种类很多,但是,每种tRNA只能识别并转运一种氨基酸。tRNA比mRNA小得多，分子结构也很特别:RNA链经过折叠,看上去像三叶草的叶形,其一端是携带氨基酸的部位,另一端有3个相邻的碱基(图4-6)。每个tRNA的这3个碱基可以与mRNA上的密码子互补配对,叫作反密码子。

图4-7向你展示了蛋白质合成这条“生产线”的情景。注意,核糖体是沿着mRNA移动的。核糖体与mRNA的结合部位会形成2个tRNA的结合位点。

肽链合成后,就从核糖体与mRNA的复合物上脱离，通常经过一系列步骤,盘曲折叠成具有特定空间结构和功能的蛋白质分子,然后开始承担细胞生命活动的各项职责。

在细胞质中,翻译是一个快速高效的过程。通常,一个mRNA分子上可以相继结合多个核糖体,同时进行多条肽链的合成(如右图),因此,少量的mRNA分子就可以迅速合成大量的蛋白质。

中心法则

从信息传递的角度来看,基因指导蛋白质合成的过程,就是遗传信息从DNA流向RNA,进而流向蛋白质的过程。在蛋白质的合成过程完全弄清楚之前,科学家克里克首先预见了遗传信息传递的一般规律,并于1957年提出了中心法则( central dogma):遗传信息可以从DNA流向DNA,即DNA的复制;也可以从DNA流向RNA,进而流向蛋白质,即遗传信息的转录和翻译。随着研究的不断深入,科学家对中心法则作出了补充:少数生物(如一些RNA病毒)的遗传信息可以从RNA流向RNA以及从RNA流向DNA(图4-8)。在遗传信息的流动过程中,DNA、RNA是信息的载体,蛋白质是信息的表达产物,而ATP为信息的流动提供能量,可见,生命是物质、能量和信息的统一体。

课后补充

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