“基因指导蛋白质的合成”的10个疑点释疑

 

来源公众号：生命教育观察

“基因指导蛋白质的合成” 过程较为复杂，涉及多个环节和概念，以下是一些常见疑点的释疑。

疑点1：为什么转录时只以 DNA 的一条链为模板？

DNA 分子两条链的碱基序列是互补的，如果以两条链同时作为模板进行转录，会合成出两个碱基序列完全不同的 RNA 分子，它们翻译出的蛋白质氨基酸序列也会不同，这将导致遗传信息传递的混乱。细胞在长期进化过程中，选择以其中一条链作为模板进行转录，能够保证遗传信息传递的准确性和稳定性，使特定基因只合成一种特定的 RNA，进而合成特定的蛋白质。

疑点2：转录的起始和终止是如何精确调控的？

在基因的上游存在一段特殊的 DNA 序列，称为启动子。RNA 聚合酶能够识别启动子并与之结合，这是转录起始的关键步骤。启动子中的特定碱基序列可以与 RNA 聚合酶以及一些转录因子相互作用，形成转录起始复合物，从而确定转录的起始位点和方向。

在基因的下游有终止子序列。当 RNA 聚合酶转录到终止子区域时，会遇到特殊的碱基序列信号，使 RNA 聚合酶与 DNA 模板分离，转录终止，新合成的 RNA 链释放出来。

疑点3：mRNA 上的密码子是如何与 tRNA 上的反密码子准确配对的？

mRNA 上的密码子与 tRNA 上的反密码子遵循碱基互补配对原则，即 A 与 U 配对，G 与 C 配对。tRNA 的一端携带特定的氨基酸，另一端具有反密码子，通过这种精确的碱基配对，tRNA 能够准确地识别 mRNA 上的密码子，将相应的氨基酸带到核糖体上进行蛋白质合成。

在密码子与反密码子配对时，有时会出现不完全严格的碱基配对现象，称为密码子的摆动性。这主要发生在密码子的第三位碱基与反密码子的第一位碱基之间，这种摆动性使得一种 tRNA 可以识别多种密码子，在一定程度上增加了遗传密码的容错性和翻译的效率。

疑点4：核糖体是如何在 mRNA 上移动并保证翻译的准确性的？

核糖体由大小两个亚基组成，在翻译过程中，mRNA 结合在核糖体的小亚基上，核糖体沿着 mRNA 从 5′ 端向 3′ 端移动。核糖体的大亚基具有肽酰转移酶活性，能够催化氨基酸之间形成肽键。

在翻译过程中，存在多种校正机制来保证翻译的准确性。例如，氨酰 – tRNA 合成酶能够准确地将特定的氨基酸与对应的 tRNA 连接起来，如果出现错误配对，合成酶具有校正功能，会将错误的氨基酸水解掉。此外，核糖体在翻译过程中也会对密码子与反密码子的配对进行监测，当出现错误配对时，核糖体的移动速度会减慢，有利于错误的 tRNA 从核糖体上解离，从而保证翻译的准确性。

疑点5：基因中的内含子在蛋白质合成中起什么作用？

大多数真核生物基因中存在内含子，它在基因转录后形成的初始 mRNA 中也会存在，但在成熟 mRNA 形成过程中，内含子会被剪切掉，不会参与蛋白质的编码合成。

内含子虽然不直接编码蛋白质，但它可以影响基因转录的效率、mRNA 的稳定性以及基因表达的时空特异性等。例如，一些内含子可以包含增强子或沉默子等调控元件，影响基因转录的起始和速率；有些内含子还可以通过影响 mRNA 的二级结构，进而影响 mRNA 的稳定性和翻译效率。

疑点6：为什么细胞需要转录和翻译这两个过程来合成蛋白质，而不是直接以 DNA 为模板合成蛋白质？

DNA 是细胞的遗传物质，将遗传信息存储在细胞核内，通过转录形成 mRNA 作为中间载体，将遗传信息传递到细胞质中进行翻译，这样可以避免 DNA 直接参与蛋白质合成过程中可能受到的损伤，保护遗传信息的稳定性和完整性。

转录和翻译过程为基因表达的调控提供了多个层次的机会。细胞可以通过调控转录的起始、转录产物的加工、mRNA 的稳定性以及翻译的起始等多个环节，精确地控制蛋白质的合成量和合成时间，以适应细胞不同的生理需求和环境变化。

疑点7：真核生物mRNA的“加工”包括哪些步骤？

加帽（5’端添加甲基化鸟苷，保护mRNA并辅助翻译起始）

加尾（3’端添加多聚腺苷酸尾，延长mRNA寿命）

剪接：切除内含子，连接外显子（由剪接体催化）。

疑点8：原核生物能否边转录边翻译？

可以！原核细胞无细胞核，转录生成的mRNA无需加工，直接与核糖体结合进行翻译。多个核糖体同时结合一条mRNA（多聚核糖体），高效合成蛋白质。

疑点9：终止密码子如何起作用？

终止密码子（UAA、UAG、UGA）无对应tRNA，而是被释放因子识别，促使核糖体释放肽链并解体。

疑点10：RNA聚合酶如何“找到”启动子？为什么RNA合成方向是5’→3’？

启动子是DNA上特定的碱基序列（如原核生物的-35区、-10区），RNA聚合酶通过识别这些序列并结合，启动转录。关键步骤：① 酶与启动子结合 → ② DNA局部解旋 → ③ 以模板链（非编码链）为模板合成RNA。RNA聚合酶只能在RNA链的3’端添加核苷酸（与DNA复制方向一致），由核糖核苷酸的化学结构决定（5’磷酸与3’羟基反应）。

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