從DNA到蛋白質(zhì)：分子生物學(xué)的神奇之旅

朱嗣偉 唐佳沁

分子生物學(xué)是從分子水平研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能，從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學(xué)。自20世紀(jì)50年代以來，分子生物學(xué)是生物學(xué)的前沿與生長(zhǎng)點(diǎn)，其主要研究領(lǐng)域包括蛋白質(zhì)體系、蛋白質(zhì)-核酸體系（中心是分子遺傳學(xué)）和蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系（即生物膜）。理解分子生物學(xué)有助于我們了解身體是如何運(yùn)作的，并對(duì)診斷、治療和預(yù)防疾病有重要的意義。

DNA的概念

DNA是脫氧核糖核酸的縮寫，是一種重要的生命基礎(chǔ)因子，屬于染色體的組成部分之一。DNA攜帶有人體所必需的遺傳信息，是生物體發(fā)育和正常運(yùn)作必不可缺少的生物大分子。DNA的基本功能包括精準(zhǔn)復(fù)制遺傳信息、突變?yōu)樯镞M(jìn)化提供分子基礎(chǔ)，以及轉(zhuǎn)錄成RNA，進(jìn)而翻譯成蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)生命的結(jié)構(gòu)和功能。DNA由四種不同的堿基組成，包括腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鳥嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。這些堿基按照一定的順序排列在DNA鏈上，形成了著名的雙螺旋結(jié)構(gòu)。

蛋白質(zhì)的概念

蛋白質(zhì)是組成人體一切細(xì)胞、組織的重要成分，約占人體全部質(zhì)量的18%。人體內(nèi)蛋白質(zhì)的種類很多，性質(zhì)、功能各異，但都是由20多種氨基酸按不同比例組合而成的，并在體內(nèi)不斷進(jìn)行代謝與更新。

（1）維持代謝：蛋白質(zhì)在身體的生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝、組織更新中起到重要作用，促進(jìn)神經(jīng)系統(tǒng)正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)不足時(shí)，機(jī)體代謝減慢，可能影響局部組織修復(fù)，使創(chuàng)口不易愈合。

（2）調(diào)節(jié)生理功能：蛋白質(zhì)是構(gòu)成多種人體重要生理活性物質(zhì)的成分，具有催化和轉(zhuǎn)運(yùn)功能，參與多種生命活動(dòng)，如酶蛋白可促進(jìn)食物消化、血紅蛋白可運(yùn)送氧等。

（3）提供能量：蛋白質(zhì)可為人體的生命活動(dòng)提供能量，保證營養(yǎng)供給。

（4）免疫功能：人體的抗體由蛋白質(zhì)構(gòu)成，能夠幫助抵抗感染，降低疾病發(fā)生率。

（5）其他作用：蛋白質(zhì)可維持皮膚彈性、血液和組織內(nèi)壓力。蛋白質(zhì)是大部分酶的構(gòu)成物質(zhì)，可輔助消化、吸收。另外，體內(nèi)部分激素發(fā)揮作用時(shí)，需要與細(xì)胞膜上的受體結(jié)合，而蛋白質(zhì)是受體的主要組成成分，因此蛋白質(zhì)也有一定的信息交流能力。

如何理解分子生物學(xué)

（1）DNA和基因：DNA是人體內(nèi)的遺傳物質(zhì)，類似于一個(gè)編碼的指南，告訴身體如何生長(zhǎng)和運(yùn)作。基因是DNA上的一段特定區(qū)域，攜帶著身體的遺傳信息。每個(gè)人的基因組合都是獨(dú)一無二的，決定了外貌、性格和健康狀況。

（2）轉(zhuǎn)錄和翻譯：轉(zhuǎn)錄是指從DNA復(fù)制信息到RNA的過程，而翻譯則是將RNA上的信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)的過程，從而幫助將DNA上的遺傳信息轉(zhuǎn)化為具體的生物分子。

（3）蛋白質(zhì)的功能：蛋白質(zhì)可以構(gòu)成人體的肌肉和骨骼，調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，幫助消化食物，參與許多生物化學(xué)反應(yīng)，控制細(xì)胞的生長(zhǎng)和分裂，并傳遞信號(hào)等。不同類型的蛋白質(zhì)在人體內(nèi)擔(dān)任著不同的角色，其合成受到基因的指導(dǎo)。

（4）基因突變和遺傳疾病：基因突變是指DNA中的錯(cuò)誤或變化，可能影響蛋白質(zhì)的合成或功能。一些基因突變可能導(dǎo)致遺傳疾病的出現(xiàn)。分子生物學(xué)可幫助我們研究這些突變?nèi)绾螌?dǎo)致疾病，并為治療和預(yù)防提供指導(dǎo)。

通過以上幾個(gè)方面的介紹，我們可以對(duì)分子生物學(xué)有一個(gè)初步的理解，知道身體是如何運(yùn)作的，對(duì)健康管理和疾病預(yù)防非常重要。

從DNA到蛋白質(zhì)

從DNA到蛋白質(zhì)的過程被稱為基因表達(dá)，是一系列復(fù)雜的分子事件，共同參與了生物體的發(fā)育、功能和遺傳。這個(gè)過程可以分為三個(gè)關(guān)鍵步驟：轉(zhuǎn)錄、RNA剪接和翻譯。

（1）轉(zhuǎn)錄：這個(gè)過程就像是抄寫一份文件。在人體內(nèi)，轉(zhuǎn)錄是DNA轉(zhuǎn)換為RNA的過程。DNA是生物體內(nèi)的遺傳物質(zhì)，存儲(chǔ)著細(xì)胞內(nèi)的全部遺傳信息。轉(zhuǎn)錄的首要任務(wù)是將DNA上的基因轉(zhuǎn)錄成一個(gè)稱為mRNA（信使RNA）的分子。mRNA具有與DNA相同的遺傳信息，但它只包含一個(gè)基因，以便于攜帶和傳遞。

轉(zhuǎn)錄過程中，DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)會(huì)解開，讓稱為RNA聚合酶與DNA上的基因相互作用。RNA聚合酶按照DNA上的某個(gè)基因序列，在配對(duì)規(guī)則中選擇合適的堿基（核苷酸）。例如，對(duì)于DNA上的腺嘌呤核苷酸，mRNA就會(huì)選擇尿嘧啶核苷酸。基因的轉(zhuǎn)錄過程提示了生物體的遺傳信息，并制造了帶有生物信息的mRNA分子。轉(zhuǎn)錄完成后，mRNA會(huì)離開細(xì)胞核，進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中。

（2）RNA剪接：在這個(gè)過程中，mRNA會(huì)被處理和改造，以確保其只攜帶與所需蛋白質(zhì)合成相關(guān)的信息。在轉(zhuǎn)錄過程中，生成的mRNA通常包含非編碼區(qū)域和編碼區(qū)域。而蛋白質(zhì)合成所需的信息僅存在于編碼區(qū)域。

RNA剪接的任務(wù)是去除非編碼區(qū)域，并將編碼區(qū)域連接在一起。這個(gè)過程是通過一系列的蛋白質(zhì)和小核RNA復(fù)合物的協(xié)同作用來進(jìn)行的。這些復(fù)合物識(shí)別和結(jié)合到mRNA上，剪切掉非編碼區(qū)域，然后將編碼區(qū)域黏合在一起形成成熟的mRNA。

（3）翻譯：也就是將mRNA轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)的過程。翻譯承擔(dān)著將mRNA上的遺傳信息翻譯成蛋白質(zhì)的作用。翻譯器是一個(gè)復(fù)雜的分子機(jī)器，由mRNA、tRNA（轉(zhuǎn)運(yùn)RNA）和核糖體組成。

翻譯過程中，mRNA中的遺傳信息通過tRNA被譯碼為氨基酸序列。tRNA是一種小分子RNA，能夠與mRNA上的三個(gè)連續(xù)堿基序列（密碼子）配對(duì)。每個(gè)tRNA攜帶特定的氨基酸，它們相繼進(jìn)入核糖體，通過互補(bǔ)配對(duì)，將氨基酸連接起來形成蛋白質(zhì)鏈。當(dāng)mRNA被解碼完全后，核糖體會(huì)停止翻譯，釋放新合成的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)可能需要其他修改，如折疊成特定的三維結(jié)構(gòu)，才能執(zhí)行其特定的生物功能。

結(jié)束語

從DNA到蛋白質(zhì)的過程包括轉(zhuǎn)錄、RNA剪接和翻譯。在轉(zhuǎn)錄中，DNA的遺傳信息被轉(zhuǎn)錄成mRNA。然后，通過RNA剪接，mRNA中的無用信息被剪除，編碼區(qū)域被連接成連續(xù)的信息。最后，在翻譯過程中，mRNA中的序列被轉(zhuǎn)換為氨基酸序列，形成蛋白質(zhì)。這個(gè)過程是生物體中基因表達(dá)和遺傳信息傳遞的基礎(chǔ)。通過這個(gè)過程，人體能夠根據(jù)DNA中的遺傳信息合成出各種不同的蛋白質(zhì)，從而執(zhí)行各種重要的功能。