DNA到蛋白質的過程

Posted by Mr. Thursday 

上回和各位提到神經生物在分子細胞層的機制有很多研究的空間,像是長期記憶在LTP(long-term potentiation)的機制的研究。本篇就先針對基因表現(gene expression)的過程做個簡單的介紹,作為之後簡介神經生物的分子機制的基礎。如果有學過基礎生物的讀者可以當成是複習,沒學過的我會用看的懂的方式來解說,未來有興趣往生物資訊、醫學資訊、或是計算神經學的讀者,也可以由這一篇補充一些基礎知識了:)

首先,我們先提到蛋白質(protein)。蛋白質非常重要,因為我們生物的細胞,到處都是蛋白質的組成,所以蛋白質就像身體的磚塊一樣,不能缺少。生物從出生以後,還要面對環境的各種挑戰,就像汽車出廠以後,還是要保養,有時候還要維修。所以我們的身體也有自我維護的能力,以及適應環境的時候,身體各部分彼此調節的能力。舉例來說,吃飽飯以後,血糖升高,就有胰島素(insulin)來轉換成肝糖,如果缺少胰島素,就變成糖尿病(diabetes)了。我們從食物吸收的脂肪,如果在肝臟沒有辦法代謝,就變成高血脂症(hypercholesterolemia)了。血紅蛋白(hemoglobin)上的一個位置的小突變,會讓紅血球成為鐮刀狀,變成鐮刀型貧血。身體中需要各種酵素(enzyme),才能讓各種化學反應進行,體溫能夠保持在37度C,血液的酸鹼度能夠維持在正常值,這些由蛋白質組成的酵素也都非常重要。因此,無論是細胞的構成,或是身體器官之間的訊息傳遞和調節,蛋白質都是不可或缺的。

蛋白質與胺基酸

蛋白質又是甚麼東西組成的呢?蛋白質是由胺基酸(amino acid)所組成的。胺基酸顧名思義就是一種酸,因此有酸基。下圖顯示了一個胺基酸的基本架構:

amino acid

 左手邊就是胺基(amino group),右手邊是羧基(carboxyl group),上面字母R的地方稱為side chain,這個地方會帶入不同的化學基,不同的化學基連上去,就形成不同的胺基酸。下圖列出人體中常見的20種胺基酸,粉紅色的框框就是side chain有變化的地方:

amino acid

榖氨酸(Glutamate)就是其中一種胺基酸,同時也是一種重要的神經傳導物質。有了這些胺基酸,經由身體內的機制組合起來,就變成多肽鏈(poly peptide),成了蛋白質最原始的結構,也就是一堆胺基酸串起來的樣子。之後蛋白質還會自己摺疊(folding),成為特定的形狀,才有特殊的功能和活性,在身體裡面扮演特殊的功能,像是成為某一種酵素等等。

蛋白質的結構可以分為四種:

  1. 一級結構:就是多個胺基酸串聯起來的結構
  2. 二級結構:胺基酸之間有氫鍵(hydrogen bond)的連結
  3. 三級結構:可以視為二級結構的子單位之間,經過摺疊(folding)成為的三級結構
  4. 四級結構:不同的摺疊過的三級結構子單位,結合後變成四級結構

下面這張圖可以幫助大家清楚各種結構的關係:

 protein structure

DNA與基因密碼

知道了蛋白質和組成的胺基酸以後,我們就可以認識基因密碼是甚麼了。基因(gene)是一組有意義的遺傳單位。首先先看看我們人體的細胞:

cell

 一般人體的細胞都具有細胞膜、細胞質、細胞核、以及一些重要的胞器。在細胞核裡面有染色體(chromoson),是由一些蛋白質和DNA所組成的物質,攜帶著遺傳的密碼。DNA中文叫做去氧核糖核酸,顧名思義,就是核苷酸(nucleotide acid)去掉一個氧原子所形成,包含一個含氮鹼基,一個五碳糖和一個磷酸基。肉眼看不到DNA,只能透過顯微鏡觀察,化學式如下:(左手邊是磷酸基,橘色方框內是含氮鹼基,右下方是五碳糖,OH少掉一個氧原子變成H)

DNA

染色體上面的DNA排列,就是所謂的基因。因為DNA攜帶的鹼基不同,就代表者不同的編碼,最後可以透過身體裡面的機制來製造不同的蛋白質,發揮不同的功用,因此稱為基因密碼。人類的DNA只有四種鹼基,分別是adenine,cytonine,guanine,thymine。我們後來就簡稱為ATCG四個字母來代表。因此DNA一連串的編碼,像是AATTCCTTAAGATTCT,就可能是一段基因密碼,代表將來要製造哪一種蛋白質。DNA會兩條形成一對,並且因為氫鍵的關係形成雙螺旋結構(double helix),如下圖:

double helix

從DNA到蛋白質

DNA和蛋白質究竟是甚麼關係呢?首先DNA會先經過某些酵素,透過特殊物質的作用,開始或停止蛋白質的製造,這部分就是基因表現的調控(regulation)。一旦DNA開始製造蛋白質,第一步是把DNA上面的基因密碼,製造成為一個模板,稱為mRNA(messenger RNA)。作一個比喻:如果DNA密碼是我們照相的時候,想要拍攝的風景,mRNA就是拍攝後具有影像的底片,底片經過沖洗後的照片,就是蛋白質了。DNA到mRNA的這個過程,叫做轉錄(transcription),一段DNA如果是ATTGAC,轉錄的mRNA就會是TAACTG,因為組成核苷酸的四個含氮鹼基–ATCG–裡面,A和T會形成氫鍵,C和G會形成氫鍵,所以永遠是A對T,C對G。

轉錄後的下一步,是轉譯(translation)。這時後有第二種RNA出現,叫做tRNA(translation RNA)。tRNA和mRNA一樣,都是由核苷酸所組成,DNA剛才提到是由去氧核糖核酸(核苷酸去掉一個氧原子)組成的,DNA有四個含氮鹼基ATCG,RNA則是有AUCG四個含氮鹼基。tRNA具有一種髮夾(hair-pin)的結構:

tRNA

tRNA上頭攜帶著一種胺基酸,下面有一個可以和mRNA對應的地方,稱為Condon。這時候還有第三種RNA叫做rRNA(ribosome RNA),形成核糖體(ribosome)。如果用剛才照相的比喻,ribosome就是沖洗相片的暗房。mRNA是底片,上面印著和風景顏色互補的景象,也就是和DNA相互補的編碼。mRNA在酵素帶領下進入ribosome,接者每三個鹼基為一個單位(舉例:AUU一個單位,UGC一個單位等等),和tRNA做比對,如果和某個tRNA下面的Condon比對成功,tRNA就會附著在這一個單位的mRNA上面,此時這個tRNA上頭攜帶的胺基酸,就成為這三個鹼基所代表的胺基酸,(AUU代表Isoleucine這個胺基酸)。比喻來說,底片上的某一塊區域(mRNA的某一小段),在暗房裡面(ribosome裡面),透過沖洗相片的東西(tRNA上面攜帶胺基酸,下面的Condon比對mRNA),沖洗成照片(上面的胺基酸串成一長條,成為蛋白質的一級結構)。這整個過程可以用下圖表示:

translation

 而mRNA上面每三個單位,會對應到的胺基酸,經過實驗以後得出以下的表格:

RNA table

製造出來的一整條胺基酸,再經過摺疊和次級單位組合以後,就變成有功用的蛋白質,留在細胞內或是運出細胞膜,也可能在等待與某種離子結合之後發揮活性,參與整個身體的功能,包括在本文前面講到的各種功能,像是醣類、脂肪的代謝,或是紅血球的形狀了。

總結

  1. DNA經過轉錄(transcription)形成mRNA
  2. mRNA和tRNA在ribosome(rRNA組成)裡面轉譯(translation)出胺基酸鏈
  3. 胺基酸鏈(多肽鏈polypeptides)自行組成蛋白質的一級到四級的結構
  4. 蛋白質最後在參與全身的各種功能,包括組成身體或調節身體機能

希望大家能夠看的懂,也希望生物背景的讀者多多給予指教,若有錯誤也歡迎給予指正。

之後我如果說LTP裡面有一步是透過基因表現(gene expression)來完成某件事情,這一步就是本篇文章講的故事了。當然,這篇文章也省略了一些細節的部分,就留待以後有機會,再慢慢分享基因表現的步驟中,每一步的細節。現在這整個故事,是希望將來各位在看到神經生物在分子細胞層的故事的時候,不會一團霧水。希望大家都能看的懂!謝謝大家!

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  • http://fishballnet.blogspot.com fishball

    這真是詳細又有深度的文章,我得多看幾次才行。
    我個人認為Mr.Thursday的這些文章可以再開一個生技專區。
    讓所有對這方面有興趣的人可以專注在這話題上。
    畢竟這種文章在網路上是非常難得的。

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  • http://mmdays.wordpress.com/ Days

    謝謝您的鼓勵
    因為我生物相關的知識還是以自修學習居多
    所以目前可能還沒辦法單獨一個生技專區
    就請各位先當成不同口味的菜餚來品嘗吧:)
    by Mr. Thursday

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  • alanchangts

    我喜歡你的底片-風景比喻,這讓它們的步驟看起來更清晰
    最近我也對生技方面有興趣,你的文章讓我了解到了更多
    (原來PCR就是模仿這些步驟)
    謝謝!

  • http://nickyam.blogspot.com 阿唐

    看來你們這裡文章的range越來越廣了,其實台大有個莊榮輝教授,有把生化的相關知識整理成網站,可以給大家參考:
    http://juang.bst.ntu.edu.tw/BCbasics/index.htm

    還蠻淺顯易懂的,希望對大家有幫助囉!

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    (很奇怪放了連結好像都po不上來,怪…)

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  • http://mmdays.wordpress.com/ Mr. Thursday

    謝謝阿唐給的連結
    這也是我這位還在學習當中的人很大的幫助
    Thank you very much!!

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  • A_2821420

    對我高中課程有很大幫助感謝