# 翻译与基因表达

> IB 生物 SL · 主题 D：连续性与变化
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-translation-and-gene-expression/

本模块讲解翻译过程中以mRNA为模板合成蛋白质的过程，以及转录和翻译的调控如何控制基因表达，将生物体的基因型与其可观察的表型直接联系起来。

**先修:** [转录与RNA加工](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-transcription-and-rna-processing/)

## 学习目标

- 概述翻译的核心组分与三个阶段
- 解释翻译如何将基因型转化为表型
- 区分游离核糖体与结合核糖体的功能
- 描述原核生物通过操纵子进行的基因调控

## 翻译的核心组分

**翻译** — 以mRNA为模板合成多肽链的过程，将mRNA的核苷酸序列转化为功能蛋白质的氨基酸序列

*例:* 胰岛素mRNA的翻译产生前胰岛素原多肽，最终成熟为有功能的胰岛素激素

翻译依赖三个核心分子组分，每个组分在构建正确氨基酸序列的过程中发挥特定作用：

- mRNA：从DNA携带遗传信息，以3核苷酸为单位组成**密码子**，每个密码子对应一种氨基酸或一个终止信号
- tRNA：携带特定氨基酸的小分子RNA，带有**反密码子**区域，可与mRNA上互补的密码子碱基配对
- 核糖体：由rRNA和蛋白质组成的核酶复合物，两个亚基在mRNA周围组装，催化肽键形成

**例题:** 已知mRNA序列为 5'-AUG CCG UAA -3'，对应的氨基酸序列是什么？

1. 1. 从5'端的起始密码子AUG开始，将mRNA分为不重叠的3核苷酸密码子：AUG, CCG, UAA
2. 2. 使用遗传密码表将每个密码子对应到氨基酸：AUG = 甲硫氨酸（起始密码子），CCG = 脯氨酸，UAA = 终止密码子
3. 3. 终止密码子不编码氨基酸，因此最终序列是：甲硫氨酸 → 脯氨酸

**概念自测**

检验你对翻译核心组分的理解

1. 哪种分子携带能结合mRNA密码子的反密码子序列？

   - mRNA
   - tRNA
   - 核糖体rRNA
   - 游离氨基酸

   *答案:* tRNA

   *解析:* 正确！每个tRNA都带有一个独特的反密码子，对应其携带的氨基酸的密码子。

## 翻译的阶段

翻译分为三个连续的、依赖能量的阶段：起始、延伸、终止。每个阶段都依赖特定蛋白质因子和GTP水解供能。

**翻译起始** — 翻译的第一个阶段：小核糖体亚基结合mRNA，起始tRNA结合起始密码子，大亚基组装形成有活性的翻译复合物

延伸阶段逐个将氨基酸添加到增长的多肽链上，当遇到终止密码子时，终止阶段释放完成的多肽链。

**例题:** 概述翻译延伸阶段中肽键是如何形成的

1. 1. 起始完成后，携带甲硫氨酸的起始tRNA位于核糖体的P（肽酰基）位点，A（氨酰基）位点为空，等待下一个tRNA进入
2. 2. 带有与下一个mRNA密码子互补反密码子的tRNA进入A位点，携带其对应的特定氨基酸
3. 3. 大亚基的rRNA组分（属于核酶）催化肽键形成，连接P位点氨基酸的羧基和A位点氨基酸的氨基
4. 4. 核糖体沿mRNA移动一个密码子的位置：已使用的tRNA移动到E（出口）位点离开，携带增长多肽链的tRNA移动到P位点，A位点再次空出等待下一个tRNA

> **考试提示:** 一定要记住通用起始密码子是编码甲硫氨酸的AUG——在分值6分及以上的拓展问答题中，提到这点几乎总能拿到一分

## 核糖体定位与多肽靶向运输

翻译完成后，多肽折叠成有功能的三维结构，其最终去向取决于它是由游离核糖体还是结合核糖体合成的，并由信号肽序列引导。

**信号肽** — 多肽N端的一段短氨基酸序列，引导蛋白质定位于细胞内的正确位置

*例:* 分泌蛋白的信号肽引导正在翻译的核糖体结合粗面内质网

- 游离核糖体：漂浮在细胞质中，合成功能位于细胞质、线粒体或叶绿体的蛋白质
- 结合核糖体：附着在粗面内质网上，合成分泌蛋白、细胞膜整合蛋白或溶酶体蛋白

**例题:** 预测胰岛素——一种从胰腺细胞分泌到血液中的蛋白质——是在哪里合成的

1. 1. 分泌蛋白在输出细胞前需要在内质网和高尔基体中加工
2. 2. 胰岛素带有N端信号序列，引导正在翻译的核糖体结合粗面内质网
3. 3. 结论：胰岛素由粗面内质网上的结合核糖体合成

## 基因表达的调控

基因表达在转录后的多个步骤受到调控，使得即使生物体内所有细胞都携带相同DNA，不同细胞也能产生不同种类、不同数量的蛋白质。原核生物中，基因表达通常通过操纵子调控。

**操纵子** — 原核生物中一组功能相关的结构基因及其调控序列，共同转录为一条mRNA

*例:* 乳糖操纵子调控大肠杆菌中乳糖代谢所需基因的表达

**例题:** 解释为什么当大肠杆菌环境中存在乳糖时，乳糖操纵子才会被转录

1. 1. 调节基因编码产生阻遏蛋白，当乳糖不存在时，阻遏蛋白结合乳糖操纵子的操纵基因区域，阻止RNA聚合酶转录结构基因
2. 2. 当乳糖存在时，乳糖被转化为别乳糖，别乳糖结合阻遏蛋白
3. 3. 别乳糖结合改变了阻遏蛋白的构象，使其无法再结合操纵基因
4. 4. RNA聚合酶现在可以结合启动子，转录分解乳糖的相关基因，因此操纵子仅在需要时表达

## 常见错误

- **错误做法:** 仅说明tRNA将氨基酸运到核糖体，但遗漏了每个tRNA携带与自身反密码子匹配的特定氨基酸
  - 原因: 这遗漏了保证氨基酸序列正确的特异性核心要点，会丢掉本该拿到的分数
  - 正确做法: 解释每个tRNA带有一个独特的反密码子，可与特定mRNA密码子配对，且仅携带该密码子对应的氨基酸
- **错误做法:** 混淆密码子和反密码子：声称密码子位于tRNA上
  - 原因: 这是常见的术语混淆，会在选择题和简答题中丢掉简单分
  - 正确做法: 记住：密码子是mRNA上的3核苷酸序列，反密码子是tRNA上的互补序列
- **错误做法:** 声称终止密码子编码终止氨基酸
  - 原因: 终止密码子不编码任何氨基酸，因此这个说法是错误的
  - 正确做法: 说明终止密码子是终止信号，会招募释放因子结束翻译，且不编码氨基酸
- **错误做法:** 说所有核糖体都合成分泌到细胞外的蛋白质
  - 原因: 只有结合核糖体合成分泌蛋白；游离核糖体合成细胞内使用的蛋白质
  - 正确做法: 按功能区分游离核糖体（合成细胞质/线粒体蛋白质）和结合核糖体（合成分泌/膜/溶酶体蛋白质）
- **错误做法:** 声称只要存在乳糖，乳糖操纵子就有活性，与葡萄糖无关
  - 原因: 大肠杆菌优先利用葡萄糖，因此乳糖操纵子仅在葡萄糖不存在时才激活
  - 正确做法: 记住乳糖操纵子仅在有乳糖、无葡萄糖的条件下才表达

## 速查表

| 翻译组分 | 位置 | 核心作用 |
| --- | --- | --- |
| mRNA | 细胞质 | 携带编码氨基酸序列的密码子 |
| tRNA | 细胞质 | 携带氨基酸，带有互补反密码子 |
| 小核糖体亚基 | 细胞质 | 起始阶段结合mRNA和起始tRNA |
| 大核糖体亚基 | 细胞质 | 催化肽键形成，拥有A/P/E位点 |
| 释放因子 | 细胞质 | 结合终止密码子终止翻译 |
| 信号肽 | 多肽N端 | 引导蛋白质到达正确细胞位置 |

## 下一步

翻译是基因表达的最终步骤，完成了遗传信息从DNA→RNA→蛋白质的流动，这是分子生物学中心法则的核心原理。理解翻译及其调控对于掌握突变如何改变蛋白质功能、以及重组蛋白生产等生物技术工具的工作原理至关重要，这两者都是常见的考试考点。掌握本主题后，你可以进一步学习突变如何改变DNA序列并导致表型改变，这个考点经常出现在拓展问答题中。你也可以将这个概念联系到干细胞分化——干细胞分化完全由受调控的基因表达驱动，还可以联系到依赖异源基因表达的现代生物技术应用。

- [突变与基因技术](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-mutation-and-gene-technology/)
- [遗传](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-inheritance/)
- [自然选择](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-biology-sl-u4-natural-selection/)

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