基因表达：信息编码转化为生命活动

2023-11-03 理论教育版权反馈

【摘要】：核酸以自身的DNA链条对生命活动进行信息编码，而形形色色的蛋白质分子是生命活动的具体执行者。这种关系体现在核酸与蛋白质这两种生物大分子的主导作用，两者相互依存，通过信息编码、信息转换、信息表达、物理化学反应，实现生命活动的全部内容。研究生命现象，核心问题是研究核酸与蛋白质及其相互关系。

通过以上的叙述，我们对生物细胞的灵魂与计算机的灵魂，即它们各自的信息运行、存储和控制系统进行了对比。接下来，让我们比较一下它们的工作方式。

无论是计算机还是生物细胞，它们的工作或生命活动都沿着以下轨迹运行：在信息编码控制之下，从外界获取能量（物质）和信息，对能量（物质）和信息进行加工、改造、转化，生成一系列产品，所生成的产品用于自身更新、信息传递或输出外界。

计算机在进行每一项工作时，首先要输入任务指令，激活特定的程序，在程序控制下对信息进行运算、翻译、加工，形成并输出产品（数据、文字、图像、色彩、声音等）。计算机只能处理由0和1组成的“二进制”数码串，所有输入的信息必须翻译成数码，才能进行运算；运算的结果要翻译成我们所需要的产品才能输出。因此，计算机的全部程序都以数码串的形式存储和运行。“翻译”的过程，就是依照事先编写的“密码本”，把输入的信息翻译成密码，进行运算；运算的结果又依照“密码本”翻译成产品。这与电报通信非常相似：发电报，首先要把文字翻译成电报密码，通过有线或无线电波发送出去，在终端再次翻译成文字形式。

我们花这么多笔墨描写计算机的工作方式，是为了更直观的理解生物细胞的工作方式。细胞的信息编码是DNA链条，由A、G、C、T四种核苷酸分子排列组合而成，其中隐藏着无数的密码，构成大约2.5万个基因。2.5万个基因就好比计算机的2.5万个程序。当细胞收到任务指令（指令可来自细胞外或细胞内），首先是基因表达，相当于激活程序、运转程序。我们已经知道，细胞内隐藏的大约2.5万个基因平时处于待命状态，有序的存放在23对染色体上，就像计算机的程序存放在C盘上一样。当接到任务时，相应的基因被激活，开始工作，这叫作基因表达。基因表达分为两个步骤，第一步是转录，第二步是翻译。转录就是构成这个基因的DNA数码链条从染色体上展开，以自己为模板制作一份拷贝，这份拷贝叫作信息核糖核酸（mRNA）。mRNA所携带的密码与基因中的DNA密码完全相同，所不同的是DNA中的T（胸腺嘧啶）被mRNA中的U（尿嘧啶）所取代。为什么要转录一份拷贝呢？因为基因密码保存在细胞核中的染色体上，而基因表达的场所一般是在细胞质中。基因要永久保存、反复表达，每次执行任务不能亲自上前线，而是派一位“信使”，携带着基因密码进入细胞质去执行翻译工作，这位信使就是mRNA。

话说mRNA被复制出来以后，经过梳妆打扮（分子生物学术语叫作剪接、戴帽、加尾），使之具备很强的稳定性和战斗力，携带着基因密码奔赴前线（细胞质）。去干什么呢？去指导蛋白质的合成，这个过程叫作翻译。

我们知道，核酸与蛋白质这两种生物大分子是一切生命活动的基础。核酸以自身的DNA链条对生命活动进行信息编码，而形形色色的蛋白质分子是生命活动的具体执行者。构成蛋白质分子的基本单位是氨基酸。氨基酸共计有20种，按不同的种类和顺序排列成肽链，肽链进一步按一定的空间结构组合成蛋白质。细胞的自身建设与维护，细胞生产的各种酶、激素及活性物质，细胞的化学反应催化功能，细胞的运动，细胞的生物电活动，细胞与细胞之间的信息联络及物质交换等，所有这些生命活动都是由蛋白质去执行的。基因表达的结果正是精确地合成具备特定功能的蛋白质，让它们去执行特定的功能。(www.chuimin.cn)

生命真的太神奇了，基因的信息编码与构成蛋白质的氨基酸之间竟然存在着固定的联系，两者可以互相翻译！分子生物学家早在20世纪60年代就破译了DNA三连密码与氨基酸之间的对应关系，这就是“遗传密码词典”。上文已经阐述过，在DNA链条上每3个相邻的碱基序列组成一个三连密码，合计有43=64个密码。其中61个密码分别为20种氨基酸编码，如CUC对应亮氨酸，ACG对应苏氨酸，AGA对应精氨酸等。剩余的3个密码是翻译过程的终止信号。一个mRNA分子携带的全部密码，正好对应于一个特定蛋白质分子的氨基酸及其排列顺序。

充当信使的mRNA进入细胞质，在那里召集氨基酸，以自己为模板，依照三连密码与氨基酸的对应关系，使氨基酸排列为肽链，进一步构成特定的蛋白质，完成基因表达的翻译过程。

当然，转录和翻译过程还有许多细节，如果读者有兴趣，可以阅读分子生物学专业书。我们在这里要重点理解基因信息编码与生命活动之间的关系。这种关系体现在核酸与蛋白质这两种生物大分子的主导作用，两者相互依存，通过信息编码、信息转换、信息表达、物理化学反应，实现生命活动的全部内容。

研究生命现象，核心问题是研究核酸与蛋白质及其相互关系。人类进入21世纪，生命科学进入分子生物学时代，医学也随之向“精准医学”迈进。精准医学的核心，就是要搞清楚几万个基因和几万种蛋白质，搞清楚它们的功能、变异、相互关系以及与生命活动和疾病的内在联系，并找到精准的干预手段。讨论医学原理，不能绕开核酸与蛋白质这个核心问题。于是我们找一个捷径，借助计算机编码与翻译的工作方式，来类比生物细胞的基因和基因表达。

以上的叙述，仅仅从单个细胞的角度去理解基因表达。对于多细胞生物特别是人体来说，涉及基因表达的问题就太多了。无数不同类型的细胞构建成组织、器官、系统，形成统一的有机体。每个细胞都存储着一整套基因，绝不能各行其是、随意表达，而是服从整体生命活动的需要，有序的表达。这就像计算机，虽然安装了许多程序，但是只有与当前任务相关的程序处于运行状态，其余大部分程序原地待命。那么，人体怎样对众多的细胞进行组织协调，构成一个统一的生物体呢？

基因表达：信息编码转化为生命活动

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