A-Level生物篇:Protein synthesis蛋白质合成

锦秋A-Level给大家梳理一下A-Level生物学科中的一个重要知识点:蛋白质合成(protein synthesis)。

在微观生物学领域,蛋白质在生物体里起到了至关重要的作用,它作为除了碳水(carbohydrates)和脂质(lipids)外人体每天需要大量摄入的基本营养物质,功能却并不像前两者那样为机体提供能量。根据蛋白质结构的不同,人体中的蛋白质种类繁多,例如维持细胞结构的结构蛋白(structural protein),催化体内反应速率的酶(enzyme),调节体内稳态的激素(hormone)和为机体提供免疫能力的抗体(antibody)。这些物质的本质都是蛋白质,因此都有着高温失活或者变性的特点。

从某种意义上说,蛋白质几乎决定了我们人体的所有特征,高矮胖瘦,单双眼皮等等,这些能够表现出来的性状我们成为表现型(phenotype),而决定这些性状的除了后天生活的环境外,还由体内的遗传信息DNA决定。

因此,我们身体内将DNA这样的遗传密码转化为表现出来的蛋白质的过程就是蛋白质合成的过程,在Alevel学习过程中我们着重了解转录(transcription)和翻译(translation)两个过程。

蛋白质合成的过程就像工厂生产过程一样。几分钟前,一个大客户下了几万的订单,细胞核(nucleus)接到订单后开始进行搜索,在DNA链上找到货物相对应的生产图纸,为了防止同行恶意竞争,所有的DNA都被封锁在严密的细胞核里,并且被加了密(ATCG碱基),细胞核上有微小的核孔(nuclear pore),只能给负责破译密码的破译员,也就是mRNA通过。因此,mRNA(messenger RNA,信使RNA)并不具备将DNA密码转化为最终产品蛋白质的功能,只能负责将保存的图纸密码破译成后续进行合成组装蛋白质的工人能够看得懂的图纸形式,破译的时候还必须在细胞核里,这个过程就是转录,mRNA将DNA上的遗传信息通过碱基互补配对(complementary base pairs)抄录下来,然后通过核孔带出细胞核。

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接下来,在细胞核外等候已久的核糖体(ribosome)拿到转录后的mRNA,按照指示开始组装产品。蛋白质是由氨基酸(amino acid)一个个拼装而成的,因此,核糖体最重要的事情就是根据图纸上的内容,按三个基因片段(密码子)对应一个氨基酸的原理,将氨基酸按顺序一个个排列起来,通过肽键(peptide bond)相连接。核糖体一个人忙不过来,还有无数个小助手tRNA(transfer RNA,转运RNA)帮助运送密码子对应的氨基酸,tRNA尾端有和密码子相对应的反密码子进行碱基互补配对。

按照这样的生产流水线,一条条肽链,也就是产品的雏形就有了,这个过程就是翻译。再经过后续内质网(Endoplasmic Reticulum)和高尔基体(Golgi apparatus)的加工和包装,肽链被赋予三级结构或者四级结构,拥有相应的功能,运送出细胞或者留在细胞质内,几万块的大订单就完成了。

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我们举个简单的例子,如果DNA其中一条链上的序列如下图:

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那么mRNA根据A-U,T-A,C-G的互补配对原则破译出来的图纸就是:

UAACCGCUCUUG,根据每三个碱基决定一个氨基酸的原理,可以拆分为:

UAA-CCG-CUC-UUG,翻译成对应的氨基酸就是,

Isoleucine-Glycine-Glutamic acid-Asparagine

考试的时候会将密码子对应氨基酸的表格给到同学们,类似于下图这样的

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但是千万要注意看清是DNA对应的密码子还是mRNA相对应的密码子!

最后,附上tRNA的结构图,因为长得像三叶草,加上转运的谐音梗,被赋予了幸运的定义。

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本文作者:施更轩

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