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。