【高中生物必修二】第四章 基因的表达
第一节 基因指导蛋白质的合成
细胞核的DNA可以帮助合成细胞质的蛋白质,这一过程收到中间物质RNA的帮助。
RNA是由核苷酸组成(脱氧核糖的2号H变为OH),碱基从T变为U。RNA一般是单链,比DNA短,因此可以通过核孔从细胞核转移到细胞质。
RNA主要分为三种
- 信使(messenger)RNA,或mRNA
- 转运(transfer)RNA,或tRNA
- 核糖体(ribosomal)RNA,或rRNA。词根来讲,somal是some的形容词变体,some指物质/体,ribo是核糖的词根。脱氧核糖核酸是de(去掉)oxy(氧气)ribo(核糖)necleic(neuclear变体,核) acid。
DNA转录和翻译可参考此视频。
转录:基因激活后,RNA聚合酶移动到基因的起始位点,一边解旋,一边5到3利用DNA单链的碱基互补生成mRNA(吸引游离核苷酸并增至mRNA上),在mRNA释放后DNA双螺旋恢复正常。
翻译:RNA经过剪接后,通过核孔移动到细胞质,进入核糖体。核糖体根据mRNA生成氨基酸链,21种氨基酸被tRNA运送至核糖体加入链条中。 mRNA每次被阅读三个碱基(密码子)并让tRNA运来对应的氨基酸。每种tRNA通过独特的结构(化学键)携带并吸引一种氨基酸,并有三个碱基(反密码子)与密码子互补。tRNA将氨基酸的一部分加入肽链中,一切完成后肽链变为蛋白质。
一般而言,氨酸是起始,UGA是终止(特殊情况编码晒代半胱氨酸)。原核生物中GUG可以起始编码生成甲硫氨酸。
因为一条mRNA可以同时通过多个核糖体,一条mRNA可以多线程生成肽链和蛋白质,所以翻译的速度很快。
中心法则,遗传信息主要通过DNA流向RNA流向蛋白质,后世研究发现RNA可以逆转录至DNA,RNA也可以自我复制。DNA和RNA承载信息,创造物质蛋白质(基因的表达),流动能量由ATP(水解产能)提供。我们可以发现生命是物质、能量、信息的统一体,缺一不可。
第二节 基因表达和性状关系
基因通过以下方法控制生物的性状
- 控制酶的合成来控制代谢(化学物质的生成)
- 控制蛋白质的结构与功能
DNA中的基因在不同时空和空间下的表达形式不同。一个例子见此视频。最典型的例子是细胞分化,一部分基因仅在某类细胞中表达。表达更多指的DNA中的基因生成RNA与蛋白质。基因在什么时候表达,哪种细胞表达以及表达水平高低都受到不同机制的调控(例如其他碱基序列,营养是否充足等)。这些调控会影响性状。
有时碱基序列不变,但基因表达和表型发生可遗传的变化,这种现象叫做表观遗传,例如碱基甲基化修饰修改了化学结构,导致基因表达被抑制。
基因与性状并不是一一对应的,正反一对多的关系均存在,还要考虑环境的因素。
拓展
- 几乎所有生物用一套密码子,暗示生物可能有共同起源(前一个论据是DNA基因库)。
- 基因表达的原理可以参考表观遗传学,科普见此视频。一个粗糙的理解来讲,可以认为基因重点在于DNA的特殊碱基对,表观基因并不是基因,而是影响基因与组蛋白的化学变化(例如甲基化),可以作用于DNA的骨骼上,所以会收到外部环境的干扰与改变。
- 表观遗传指的是表观基因也被遗传至子代。
概念
- 转录,RNA聚合酶一边解旋DNA,一边吸引核苷酸通过碱基互补生成mRNA,制作整个mRNA后恢复双螺旋。
- 翻译,RNA剪接后进入细胞质的核糖体,tRNA根据不同密码子送来不同的氨基酸并生成肽链,最终完整肽链变为蛋白质
- 中心法则:遗传信息主要通过DNA流向RNA流向蛋白质。少数情况下RNA可以逆转录至DNA,RNA也可以自我复制。
- 基因选择性表达的例子:细胞分化
- 表观遗传:碱基序列不变,但基因表达和表型发生可遗传的变化