基因表达：从DNA到蛋白质的奇妙旅程

在高中生物的学习中，基因表达绝对是一个让人又爱又恨的知识点。它既抽象又重要，每年高考都会考，而且经常以综合题的形式出现。今天咱们就一起来把这个硬骨头给啃下来。我会尽量用最直白的话把这个过程讲清楚，毕竟学习这件事，光靠死记硬背是走不远的。

在金博教育的多年辅导经验中，我发现很多同学学这部分内容的时候存在一个共同问题：把基因表达等同于"DNA复制"。其实这两个过程完全不一样，DNA复制是为了遗传信息的传递，而基因表达则是为了遗传信息的应用。你可以这样理解：复制就像是抄作业，把整本作业本都复印一遍；而表达则像是写作业，只把需要的那几道题做出来。

中心法则：生物界的"交通规则"

提到基因表达，必须先说清楚中心法则。这个法则由克里克在1958年提出，后来经过不断完善，可以说是整个分子生物学的基石。中心法则的核心可以用一句话概括：DNA分子上的遗传信息通过转录传递给RNA，RNA再通过翻译传递给蛋白质。

这个过程具体来说就是：

• 转录：在细胞核里进行，DNA作为模板合成mRNA
• 翻译：在核糖体上进行，mRNA作为模板合成蛋白质

这里有个很重要的细节需要提醒大家：并不是DNA上所有的基因都会同时表达。这就好像一座城市里有很多栋楼，但每栋楼并不是24小时都亮着灯——有的楼晚上才开工，有的楼白天休息。这种选择性表达正是细胞分化的基础，也是我们后面要重点讲的内容。

转录：遗传信息的"抄写"

转录的基本概念

转录的过程其实挺有意思的，你可以把它想象成有一个"打字员"坐在DNA旁边，把DNA上的碱基序列一个一个地"听写"下来。不过这个打字员比较特殊，它只能听懂一种"语言"——RNA的语言。

转录与复制有几个关键区别，我建议大家一定要记清楚，因为考试的时候特别喜欢考这个对比：

转录的三个阶段

转录并不是一蹴而就的，它分为三个阶段：起始、延伸和终止。

起始阶段，RNA聚合酶首先会识别并结合到基因的启动子区域。启动子是什么？你可以把它理解成"开关"——只有当RNA聚合酶结合到这里，转录才能开始。这里有个常见误区需要澄清：启动子本身并不被转录，它就像是工厂的厂牌，告诉工人"从这里开始干活"。

延伸阶段，RNA聚合酶沿着DNA模板链移动，按照碱基互补配对原则合成RNA链。这里有个技术细节值得注意：新合成的RNA链和DNA模板链是反向平行的，也就是说RNA是从5'端向3'端合成的。如果你对这一点感到困惑，可以想象两个人面对面走路，虽然都在往前走，但方向是相对的。

终止阶段，当RNA聚合酶遇到终止信号时，就会停止延伸并释放新生成的RNA分子。不同生物的终止机制不太一样，原核生物和真核生物在这个环节上有明显差异，这也是高考命题的热点之一。

翻译：遗传信息的"解码"

如果说转录是"抄写"，那翻译就是"解读"。不过这个解读工作可不容易，因为RNA上写的是由A、U、C、G四种字母组成的"密码"，而最终产物却是由20种氨基酸组成的蛋白质。这中间需要一个"翻译官"——tRNA。

遗传密码的特点

在正式开始讲翻译过程之前，我们先来了解一下遗传密码的特性。这些特性非常重要，理解了它们，你就能明白为什么DNA突变了，有的没影响，有的却是灾难性的。

第一个特点：简并性。除了甲硫氨酸和色氨酸各只有一个密码子之外，其他氨基酸都有多个密码子。比如亮氨酸有6个密码子，丝氨酸有4个密码子。这种简并性有什么好处呢？它可以减少突变的影响——如果某个密码子的第三个碱基发生了突变，可能还是编码同一个氨基酸，蛋白质的结构不会改变。这就是为什么有时候测序发现基因有突变，但蛋白质功能却正常。

第二个特点：通用性。从病毒到人类，使用的是同一套遗传密码。这说明地球上的生物可能有共同的起源。不过也有例外，比如线粒体中的遗传密码就略有不同，这也是高考经常考的知识点。

第三个特点：方向性。密码子的阅读必须按照5'到3'的方向进行，不能反过来读，也不能跳跃阅读。这就好比读一本书，必须从左到右一页一页地看，不能跳着看或者倒着看。

第四个特点：起始和终止。AUG既是甲硫氨酸的密码子，也是起始密码子；UAA、UAG、UGA是终止密码子，不编码任何氨基酸。有一个记忆小技巧：起始密码子AUG可以联想到"August"，八月的开头；而终止密码子可以联想成"没有"——UAA=U"啊"（没有），UAG=U"啊"（没有），UGA=U"GA"（假的）。当然这只是为了帮助记忆，正式考试时可别这么写。

翻译的过程

翻译的过程可以分为四个步骤：起始复合物的形成、肽链的延长、肽链的终止和释放、多核糖体的形成。

起始阶段，小亚基先结合mRNA，然后找到起始密码子AUG，接着携带甲硫氨酸的tRNA进入P位，最后大亚基组装完成形成完整的起始复合物。这里有个易错点：原核生物的起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，而真核生物是甲硫氨酸。考试的时候经常在这上面设陷阱，大家一定要看清楚题目问的是原核还是真核。

延长阶段分为三个步骤：进位、成肽、转位。进位是指新的tRNA带着氨基酸进入A位；成肽是指P位上的氨基酸和A位上的氨基酸形成肽键；转位是指核糖体沿着mRNA移动一个密码子的距离。这个过程不断重复，肽链就越变越长。

终止阶段，当核糖体遇到终止密码子时，释放因子会进来把肽链从tRNA上切下来，然后整个复合物解体。这里要特别注意：终止密码子没有对应的tRNA，所以当核糖体遇到它们时，就知道该结束了。

基因表达的调控：为什么细胞会不同

这里我要说一个很多同学困惑的问题：为什么同一个受精卵能发育成大脑、心脏、肝脏这么多种不同的细胞？答案就是基因的选择性表达。

虽然我们体内所有的细胞都含有完整的基因组，但并不是每个基因都在表达。就好像同一个剧本，不同的剧团只会演出其中的几幕。每个细胞只"演出"与自己功能相关的那些基因，这就是分化的分子基础。

在真核生物中，基因表达的调控发生在多个层面：

• 转录水平调控：这是最主要的调控方式，比如启动子的强度、转录因子的作用、DNA甲基化等
• 转录后调控：包括RNA的剪接、加尾、运输等
• 翻译水平调控：比如某些小RNA可以抑制特定mRNA的翻译
• 蛋白质修饰：蛋白质合成后还需要经过折叠、修饰才能发挥作用

这些调控机制让生命变得无比精妙。举个例子，为什么我们吃了饭血糖会升高？因为胰腺β细胞会表达一种叫做胰岛素的基因，胰岛素分泌出来帮助细胞吸收血糖。如果你身体里这套调控系统出了问题，就会得糖尿病。这说明基因表达调控的正常与否，直接关系到我们的健康。

常见误区和易错点

在辅导过程中，我发现同学们在这部分内容中经常犯的错误主要集中在以下几个方面。

误区一：把起始密码子和起始tRNA搞混。起始密码子是mRNA上的AUG，而起始tRNA是携带甲硫氨酸（或甲酰甲硫氨酸）并能识别起始密码子的特殊tRNA。在原核生物中，这个起始tRNA携带的是甲酰甲硫氨酸，和真核生物不一样。

误区二：认为蛋白质合成后就能立即发挥作用。其实很多蛋白质需要经过翻译后修饰才能变成有活性的形式，比如添加糖链、磷酸化、切除部分肽段等。血红蛋白就是一个例子，它需要结合血红素才能运输氧气。

误区三：混淆RNA的种类和功能。mRNA是信使，负责传递遗传信息；tRNA是转运氨基酸的工具；rRNA是核糖体的组成部分。三者功能完全不同，在考试中要能够准确区分。

误区四：记错碱基配对。在转录中，A和U配对，不是A和T；只有DNA复制时才是A和T配对。这个错误太常见了，每次考试都有人在这上面丢分。

学习建议

关于怎么学好这部分内容，我有几点建议。首先，一定要把基本概念理解透彻，不要死记硬背。比如中心法则为什么要分两步走？转录和复制有什么本质区别？把这些"为什么"想清楚了，考试的时候即使题目千变万化，你也能找到解题的思路。

其次，多画流程图。把转录和翻译的过程自己画一遍，标清楚每一步的原料、产物、场所、关键酶。这个过程看起来是在浪费时间，其实是在帮你建立知识框架，以后复习的时候只要看一眼图就能回忆起来。

第三，重视实验和科学史。比如肺炎双球菌转化实验、DNA是遗传物质的证明实验，这些实验背后的逻辑和思想方法经常在考题中出现。而且理解这些实验能帮你更好地理解为什么科学家得出这样的结论。

最后，做题的时候要注意审题。特别是题目中给出的生物类型——原核生物和真核生物在基因表达上有很多不同之处，不要一看到题目就按照默认的情况去作答。

基因表达这部分内容确实是高中生物的难点，但它也是有规律可循的。只要你理解了核心逻辑，再配合适量的练习，相信一定能够攻克这个难关。学习生物最重要的是保持好奇心，那些微观世界的精妙机制，其实远比我们想象的要神奇得多。