蛋白质合成 | DNA 转录, DNA 翻译 | 基因表达

蛋白质是生命的基石。人体内的所有细胞都含有蛋白质，因为它是人体细胞的基本组成部分。除水和脂肪外，人体几乎完全由蛋白质构成。例如，骨骼、器官、皮肤、指甲、肌肉等的组成成分主要是蛋白质。肌肉的 80% 是由蛋白质构成的。此外，我们的身体需要蛋白质来执行各种重要功能，例如输送氧气、制造肌肉、调节化学反应等。

蛋白质由称为氨基酸的小单位或组成部分构成。我们可以说蛋白质分子是氨基酸的长链。共有 20 种氨基酸，它们可以以不同的方式组合来构建不同类型的蛋白质。

什么是基因表达？

基因（DNA 片段）中存储或编码的信息用于通过 DNA 产生蛋白质，或通过 DNA 产生核糖体 RNA 和转移 RNA 等其他功能性产品，这个过程称为基因表达。由于在基因表达时会产生蛋白质，因此基因表达和蛋白质合成通常被视为同一过程。

让我们了解一下我们的身体是如何合成蛋白质的！

蛋白质合成是所有生物体细胞中持续发生的重要过程。顾名思义，蛋白质在这个过程中产生。DNA 包含告诉细胞如何制造蛋白质的信息（遗传密码）。这种信息在细胞中的流动是从 DNA 到 RNA 再到蛋白质。这种信息流可以分为两个部分：DNA 到 RNA 和 RNA 到蛋白质。从 DNA 到 RNA 的信息流通过称为 DNA 转录的过程发生。而从 RNA 到蛋白质的信息流通过 DNA 翻译发生。因此，蛋白质合成过程包括两个主要过程：DNA 转录和 DNA 翻译。让我们一一理解它们！

1) 什么是 DNA 转录（蛋白质合成或基因表达的第一步）？

DNA 转录：在这个过程中，一个 mRNA 分子是由一条 DNA 链形成的，这条 DNA 链充当模板，被称为模板链。只有 DNA 链的一段参与转录并被复制到 mRNA 中。我们可以说，这是一个将遗传信息从 DNA 片段（基因）一条 DNA 链复制到 mRNA 中的过程。

互补性原理支配着转录过程。例如，对于 DNA 模板的腺嘌呤碱基，新形成的 mRNA 上将有一个尿嘧啶碱基，因为 RNA 含有尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。

RNA 聚合酶使用模板链来产生信使 RNA (mRNA)。RNA 聚合酶借助称为转录因子的蛋白质，结合到基因（DNA 片段）中的特定碱基序列。这种碱基序列称为启动子。然后酶将两条链分开，其中一条链充当模板链（反义链或非编码链），这意味着它将用于生成 mRNA。另一条链称为非模板链（有义链或编码链）。它的碱基序列与将要形成的 mRNA 相同。

RNA 聚合酶不需要引物，它只是在起始点开始合成 mRNA，并沿着 DNA 模板（基因）向下移动，这个过程称为延伸。它在移动时从 3' 端到 5' 端读取反义链来合成 mRNA，并从 5' 端生成 mRNA，在向前移动时将 RNA 核苷酸添加到 3' 端。

在这里，RNA 由核糖糖构成，并含有尿嘧啶而不是胸腺嘧啶。一旦 RNA 聚合酶到达 DNA 模板的末端，就会发生终止。RNA 聚合酶酶从模板上解离，在通过转录产生 mRNA 后，DNA 会恢复其原始状态或形状。

什么是转录单元？

它是位于转录起始位点和终止位点之间的 DNA 片段。我们可以说，它是转录成 mRNA 的 DNA 片段，以及其转录所需的序列。因此，它通常包括所有参与 DNA 转录的区域，例如启动子、结构基因（RNA 编码序列）和终止子。结构基因包含模板链和非模板链（编码链）。转录单元的组成部分如下所述。

• 启动子：RNA 聚合酶结合并启动转录的区域。我们可以说，转录开始的区域是启动子。它位于结构基因的上游（左侧），即朝向编码链的 5' 端。在原核生物中，转录开始的启动子区域的碱基序列是六个碱基对 TATAAT，它也称为Pribnow Box。而在真核生物中，起始位点有一个七个碱基对（TATAAAA）的序列，称为TATA box 或 Hogness box。
• 结构基因：它是发生转录或被转录成 mRNA 的DNA片段。结构基因有两个链，就像 DNA 一样，因为它是一段短的 DNA 片段。一条链称为模板链，另一条链称为编码链（尽管它不编码任何东西，但称为编码链）。模板链的极性是从 3' 到 5'。
• 终止子：它是转录单元上终止结束的位点或位置。转录单元的这部分位于编码链的下游或朝向 3' 端。顾名思义，到达此点后，转录将停止。

原核生物的转录是多顺反子的，这意味着它同时发生在 DNA 的多个位置。而在真核生物中是单顺反子的，这意味着它（DNA 转录）发生在了一个位置，完成后可能会发生在另一个位置。

转录过程可分为三个步骤，包括起始、延伸和终止。

i) 起始：它发生在结构基因上转录开始的位点或位置。RNA 聚合酶识别称为启动子区域的起始位置。然后RNA 聚合酶结合到启动子并启动转录过程，这称为起始。启动子区域包含特定的碱基序列，例如真核生物中的 TATAAAA。sigma 因子找到 TATAAAA 序列来识别启动子并从那里开始起始。在真核生物中，TATAAAA 序列称为TATA box。启动子区域通常位于结构基因的转录起始位点之前。

sigma 因子或转录因子（一种蛋白质）帮助 RNA 聚合酶结合到启动子区域。转录因子开始在启动子区域到达并聚集，形成一个转录起始复合物。现在，这个复合物吸引 RNA 聚合酶到启动子区域，并告诉 RNA 聚合酶结构基因上启动子区域旁边的位置，它应该从那里开始转录。因此，RNA 聚合酶在转录因子的帮助下结合到启动子区域。现在，RNA 聚合酶开始解开模板。展开的链看起来像一个气泡，因此称为转录气泡。

ii) 延伸：一旦链开始解旋，RNA 聚合酶就开始延伸过程。螺旋开始打开，模板链和编码链之间产生空间，随着游离核苷酸不断添加到 mRNA 中，mRNA 开始延伸。

延伸开始后，sigma 因子与核心酶 RNA 聚合酶分离，核心酶沿着反义链（模板链）移动，直到到达终止位点。DNA 连接酶通过配对核苷酸或碱基来帮助链的重新连接。

iii) 终止。顾名思义，在此步骤中，RNA 聚合酶酶到达终止位点并从 DNA 模板上分离。有一个rho 因子来执行终止。该因子识别终止位点，并允许聚合酶停止该过程并从模板链上解离。此步骤与前两个步骤一起显示在下方。

原核生物转录与真核生物转录的区别

尽管两个转录类型的初始步骤相同，但它们之间存在许多差异。

2) 什么是 DNA 翻译（蛋白质合成或基因表达的第二步或最后一步）？

DNA 翻译：由 mRNA 形成蛋白质的过程称为 DNA 翻译。这个过程需要核糖体、氨基酸、mRNA、tRNA 和氨酰-tRNA 合成酶（一种酶）。

翻译发生在细胞质中的核糖体上，核糖体通常位于粗面内质网上。核糖体由两个亚基组成：小亚基和大亚基。在转录过程中形成的 mRNA 到达核糖体并位于两个亚基之间。mRNA，顾名思义，它包含形成蛋白质的信息。这些信息以 mRNA 中的密码子的形式存在。因此，mRNA 作为多肽链或蛋白质形成的模板。

mRNA 上的三个碱基序列（密码子）编码特定的氨基酸。例如，AUG 编码甲硫氨酸。有一种称为 tRNA 的分子，它帮助氨基酸找到其对应的 mRNA 密码子，成为多肽链的一部分。转移 RNA (tRNA) 将氨基酸转移到其相应的密码子。翻译从 5' 到 3' 方向进行。

tRNA 如何加载氨基酸？

让我们分步骤理解，如下所示

i) 氨基酸的激活：首先，氨基酸被激活。氨基酸和 ATP 在氨酰-tRNA 合成酶存在下反应，生成氨酰 AMP 酶复合物和两分子磷酸。有 20 种氨基酸参与蛋白质合成。

酶（氨酰-tRNA 合成酶）将氨基酸连接到 tRNA 上。它总是将合适的氨基酸连接到 tRNA 上，例如，它总是将甲硫氨酸连接到带有 UAC 反密码子的 tRNA 上。UAC 与编码甲硫氨酸的 AUG 互补。

ii) tRNA 的充电或加载：在此步骤中，特定的活化氨基酸由其特定的 tRNA 识别。这意味着特定的 tRNA 连接到特定的氨基酸。氨基酸连接到 tRNA 的“氨基酸连接位点”，形成氨酰-tRNA 复合物并释放 AMP 和酶。

氨酰-tRNA，它是氨基酸和 tRNA 的复合物，称为已充电或已加载的 tRNA。请参阅下图了解上述步骤。

转移 RNA 如何知道它必须在哪个特定位置将哪个氨基酸放入链中？

tRNA 还有一个特定的区域，其中包含一个称为反密码子的特定碱基序列。称为反密码子是因为其碱基序列与 mRNA 上的碱基序列（密码子）互补。例如，对于 mRNA 的 AUG 密码子，将有一个带有 UAC 反密码子的 tRNA。因此，tRNA 上的互补碱基序列或反密码子帮助它附着到 mRNA 上的互补碱基序列。根据 tRNA 的反密码子，特定的氨基酸连接到 tRNA。tRNA 读取 mRNA 上的密码子，并将其反密码子与 mRNA 上的互补密码子连接。因此，tRNA 连接到 mRNA 及其氨基酸，或者我们可以说氨基酸通过 tRNA 转移到蛋白质合成位点。同样，另一个 tRNA 将另一个氨基酸转移到核糖体，在那里形成氨基酸之间的键。

加载的 tRNA 到达核糖体的大亚基。核糖体的大亚基上有三个位点，即出口位点（E-site）、肽酰位点（P-site）和氨酰位点（A-site）。

第一个加载氨基酸的 tRNA 到达 P 位点，新的 tRNA 落户在氨酰位点。在肽酰位点，氨基酸之间形成肽键。在出口位点，tRNA 在转移氨基酸后离开核糖体。

翻译也分为三个步骤：起始、延伸和终止。

i) 起始：顾名思义，在此步骤中，翻译过程开始。当 mRNA 连接到核糖体的小亚基并开始读取 mRNA 时，就会发生这种情况。mRNA 上有一个 AUG 密码子。它是一个“起始密码子”。因此，翻译从这个密码子开始。核糖体的大亚基也加入由核糖体小亚基、tRNA 和 mRNA 形成的复合物，形成翻译起始复合物。

带有互补密码子 UAC 的 tRNA 向 mRNA 移动，并通过将 UAC 反密码子与 mRNA 上的 AUG 密码子配对来附着。第一个 tRNA 结合在 P 位点，其余的进入 tRNA 被加载到核糖体大亚基的氨酰（A）位点。

在真核生物中，有 10 个起始因子，包括eIF1, eIF2, eIF3, eIF4A, eIF4B, eIF4C, eIF4D, eIF4F, eIF5, eIF6。而在原核生物中，有三个起始因子，包括IF1, IF2 和 IF3。起始因子指导 tRNA 关于 mRNA 上应该发生起始的位置。

在真核生物中，mRNA 结合位点或小亚基被“7mG cap”识别。而在原核生物（如细菌）中，在起始密码子 AUG 之前，mRNA 上有一个Shine-Dalgarno (SD) 序列（GGAGG）。该序列帮助 mRNA 识别并与核糖体小亚基结合。

ii) 延伸：顾名思义，在此步骤中，多肽链的延伸开始，因为 tRNA 一个接一个地携带氨基酸。新的 tRNA 携带新的氨基酸并附着在核糖体的 A 位点。

肽酰转移酶在两个氨基酸之间形成肽键。而转位酶则有助于核糖体的移动。核糖体移动的能量由 GTP（三磷酸鸟苷）提供。真核生物中有两种延伸因子：uEF1 和 uEF2。而在原核生物中，延伸因子有三种，分别是EF-Tu、EF-Ts、EF-G。

在到达的氨基酸和正在生长的链之间形成肽键。随着延伸的进行，核糖体沿着 mRNA 向前移动。当核糖体移动一个密码子位置时，A 位点的 tRNA 会移到 P 位点，然后当核糖体再次移动一个密码子位置时，P 位点的 tRNA 会移到 E 位点（出口位点）并从出口位点离开核糖体，链也准备好接收下一个氨基酸。我们可以说，一旦由于核糖体移动而使 A 位点空出，新的 tRNA 就会带来新的氨基酸并占据 A 位点。

iii) 终止。顾名思义，在此步骤中，翻译停止。有三种类型的终止密码子，如果其中任何一个出现在 mRNA 上并在延伸过程中出现，翻译就会停止。我们可以说，当核糖体在 mRNA 上滑动时，如果在核糖体的 A 位点有任何终止密码子（UAA、UAG、UGA），则翻译过程终止。在真核生物中，只有一个释放因子（eRF1），它帮助最后一个 tRNA 从多肽链上解离。而在原核生物中，有三个释放因子（RF1、RF2 和 RF3），它们与 GTP 一起帮助最后一个 tRNA 从多肽链上解离。

此时，一个带有释放因子而非氨基酸的 tRNA 被加载到氨酰位点。因此，不会有新的氨基酸添加到链中，链会从 tRNA 上解离，tRNA 从出口位点离开，新形成的多肽链也会离开核糖体，从而完成终止。

DNA 转录与 DNA 翻译的区别