从一段碱基序列到一个在岗的蛋白质

专题 33 和专题 34 在题册上是两个专题，在细胞里是一条流水线上前后相邻的两段。

33 讲这条线怎么走通：一段碱基序列如何被读成一条肽链，这条肽链如何折好、改好、送到该去的地方。34 讲这条线上装了哪些阀门：细胞在什么时刻把哪一段序列打开，把哪一段关掉，凭什么决定。

分开背，会背出两堆互不相干的名词——一堆是 fMet、SD 序列、EF-Tu、SRP，另一堆是操纵子、阻遏蛋白、增强子、锌指。合起来看，它们一直在回答同一个问题的两半：信息怎么流动，以及谁控制这个流动。

所以这份前置篇不打算把 33、34 的内容提前讲一遍。它只铺四块地基，这四块地基决定了你看那两个专题时是在背还是在推：

第一块，方向与配对——信息流动的语法。来自专题 11、12、32。

第二块，活化与能量——为什么每一步都得先付钱。来自专题 16 和全部代谢专题。

第三块，保真——精度是怎么买来的。来自专题 30、32。

第四块，结合与别构——蛋白质怎么认一段序列，又怎么被一个小分子改变主意。来自专题 3、6、8。

四块地基铺完，33 和 34 里大部分“原核和真核有什么不同”“为什么是这样”的题，都不需要另外记结论。

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0.1两条语法规则：方向性与碱基配对

信息流上有三种分子，用着三套字母表。DNA 四个字母，RNA 四个字母，蛋白质二十个字母。前两套之间是一对一的抄写，所以转录只需要一套配对规则；从四个字母到二十个字母那一步不同，它需要一部字典，这就是遗传密码。

而整条流水线上只有两条语法规则。几乎所有“这题该选哪个方向”的题目，都是在考这两条。

第一条：方向性

核酸链只能按 5′→3′ 编码和合成，肽链只能从 N 端向 C 端延长。

这两句话不是两个需要分别记住的事实，是同一条流水线两端的对齐。1961 年 Dintzis 用兔网织红细胞的无细胞体系做血红蛋白，反应降到 15 ℃ 以减慢速度，再用 ³H-亮氨酸做短时间脉冲标记。结果是：标记时间很短时，放射性只出现在肽链的 C 端附近；延长标记时间，放射性才逐渐向 N 端铺开。这说明 N 端是先做出来的那一头，合成的推进方向是 N→C。

于是 mRNA 的读取方向只能是 5′→3′。“核糖体沿 mRNA 由 3′ 端向 5′ 端移动”这句判断题在 33 的题目里反复出现（B 组判断、中国科学院大学 2025、陕西师范大学 2026），答案永远是错。同理，“蛋白质合成的方向是从羧基端到氨基端”也是错的。

第二条：碱基配对

反平行互补配对。A 对 U（或 T），G 对 C。这一个化学原理在遗传信息的传递里被复用了至少五次，而且每一次都换了个名字：

DNA 复制时，它叫模板链与新链；转录时，它叫模板链与转录产物；翻译解码时，它叫密码子与反密码子；翻译起始时，它叫 SD 序列与 16S rRNA 3′ 端那一小段 5′-UCCUCCA-3′ 的配对；到了基因表达调控里，它叫反义 RNA、叫 miRNA 与靶 mRNA 的互补，或者叫弱化子区 RNA 自己回折成的茎环。

反平行带来的两个陷阱

第一个是书写方向。因为反平行，密码子 5′-ACG-3′ 对应的反密码子逐位互补写出来是 3′-UGC-5′；但核酸序列的习惯写法是 5′ 端在左，所以同一个反密码子通常被写成 5′-CGU-3′。填空题问“与密码子 5′-ACG-3′ 相应的 tRNA 反密码子是＿＿＿”，两个答案都对，关键是标注方向。不标方向的答案是错的。

第二个是摆动发生的位置。反密码子的第一位（即 5′ 端那一位）在核糖体解码中心受到的几何约束最松，而因为反平行，它正好对着密码子的第三位（3′ 端那一位）。所以摆动性落在密码子第三位、反密码子第一位——两个“最松”的位置本来就是相对的那一对。

有了表 0.1，33(1) 里那一串填空就是同一道题：反密码子 GGC 能认哪些密码子（G 认 U、C，所以是 GCC 和 GCU）；反密码子 IGC 能认哪些（I 认 U、C、A，所以是 GCU、GCC、GCA）；反密码子 IGA 能认哪些（UCU、UCC、UCA）。都是查表加反向互补，不需要背。

密码的四条性质是一串因果，不是一张清单

33(1) 的大题反复问“阐述密码子的特性”。如果答成清单，写出简并性、摆动性、通用性、防突变四个词就没了；如果答成因果，就是一段可以往下推的论证：

简并——61 个有义密码子对 20 种氨基酸，所以多数氨基酸有多个同义密码子（只有 Met 和 Trp 各只有一个）。同义密码子的差别集中在第三位。

摆动——正因为差别集中在第三位，而第三位的配对本来就允许摆动，一种 tRNA 才能兼管几个同义密码子。结果是细胞不需要 61 种 tRNA，只要三四十种就够了。简并是摆动的前提，摆动是简并的收益。

防突变——同义密码子在密码表里的分布不是随机的。氨基酸的极性主要由第二位碱基决定（第二位是 U 的那一列几乎全是疏水氨基酸），简并性由第三位决定。于是一个碱基的置换，落在第三位大概率还是同一个氨基酸，落在第二位也往往换成物理化学性质最接近的那一个。密码表是个故障—安全系统。

通用性——全生物界共用一套密码，因为改动任何一个密码子的含义都会同时改掉成千上万个蛋白质。已知的例外集中在线粒体：人线粒体里 UGA 由终止密码子变成编码色氨酸，AUA 由异亮氨酸变成甲硫氨酸，于是线粒体密码里 Met 和 Trp 各有两个密码子；支原体也用 UGA 编码色氨酸；少数纤毛类原生动物用 UAA、UAG 编码谷氨酰胺。

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0.2mRNA 长什么样，决定了后面的一切

33 和 34 里“原核和真核有什么不同”的题目加起来有几十道。这些差别看着零散，其实全部来自两件事：原核没有核膜，原核功能相关的基因组成操纵子。从这两句话出发，可以一条一条推下去。

原核 mRNA：多顺反子，靠配对定位，边转录边翻译

功能相关的基因组成一个操纵子，作为一个转录单位一起转录，产物是多顺反子 mRNA。这条 mRNA 上有几个编码区，每个编码区是一个独立的开放阅读框，各有自己的起始密码子和终止密码子。

核糖体怎么知道该从哪个 AUG 起头？靠配对。每个起始密码子上游有一段富含嘌呤的序列，叫SD 序列，它与 16S rRNA 3′ 端的 5′-UCCUCCA-3′ 互补配对，把小亚基摆到正确位置上，起始密码子就正好落在 P 位。

因为没有核膜，转录和翻译在同一个空间里连着做：RNA 聚合酶还在往前走，刚露出来的 5′ 端已经挂上核糖体开始翻译了。这叫转录—翻译耦联。它有两个后果，都会在 33 和 34 里被考到——一是 mRNA 不必等转录完成就能当模板（B 组那道“mRNA 只有合成完成才能指导蛋白质合成”的判断题因此是错的），二是它让弱化作用这种机制成为可能，这一点留到 0.7 节。

真核 mRNA：单顺反子，靠帽子装载再扫描，必须出核

真核基因不组成操纵子，一个基因转录出一条单顺反子 mRNA，只编码一条肽链。这条 mRNA 要经过一整套加工才能用：5′ 端加 m⁷G 帽子，3′ 端在 AAUAAA 信号处切断后加上约 200 个核苷酸的 poly(A) 尾，中间的内含子被剪掉，然后运出核孔。

起始的方式也换了。没有 SD 序列，改由帽结合蛋白识别 5′ 帽、把 40S 小亚基装载上去，再沿 mRNA 向下游扫描，遇到的第一个 AUG 就是起始密码子。

这张表值得单独抄一遍，但抄的时候要抄最后那一列。这十一行你可以一条条背，也可以只记住最后一列的三个根源——有无核膜、有无操纵子、有无 SD 序列——然后现场推。33 和 34 的原核／真核对比题，全部落在这张表里。

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0.3翻译机器：接头、三个位点和一轮延伸

前两节讲的是信息怎么排布。这一节讲读它的那台机器。

单独拎出来讲，是因为后面所有“这一步消耗几个 GTP”“哪一步负责保真”的说法，用的都是这台机器的零件名——A 位、P 位、转肽、移位。零件名不落地，原理就是悬着的。而且专题 33 的第（2）部分标题就叫“蛋白质合成有关的 RNA 和装置”，第（3）部分叫“合成的步骤”，它们考的多半不是原理，是这些零件各自干什么。

tRNA：一个两头分工的接头

从四个字母到二十个字母，中间缺一样东西。密码子是核酸，氨基酸是有机小分子，两者之间没有直接的化学亲和力——一段 GCA 不会因为任何化学理由就偏爱丙氨酸。Crick 由此推断：必定存在一类中间分子，一头能认密码子，另一头能挂氨基酸。他把它叫做接头。tRNA 就是这个接头。

所以 tRNA 的两头分工是它的全部要点：

一头是反密码子环，负责认密码子，用的是碱基配对（0.1 的第二条语法）。

另一头是 3′ 末端的 —CCA，负责挂氨基酸，挂的方式是酯键（下一节讲它为什么必须是高能酯键）。

两个由此派生的名词，题册里都单独考过。

合成酶怎么在几十种 tRNA 里认出属于自己的那一两种？靠的不是反密码子，而是 tRNA 分子上另一组特征碱基。这组“除反密码子之外、决定 tRNA 身份的特征”被称为第二套遗传密码。它解释了 0.5 里的一个现象：合成酶对 tRNA 的分辨能力，反而比对氨基酸的分辨能力更高——因为 tRNA 分子大、接触面广，可供辨认的特征多得多。

核糖体：小亚基解码，大亚基成键

核糖体两个亚基的分工是清楚的，而且这个分工本身就能答好几道题。

mRNA 结合位点和解码中心在小亚基（原核 30S，关键组分是 16S rRNA）。肽酰转移酶中心在大亚基（原核 50S，关键组分是 23S rRNA）。

小亚基管读、大亚基管写，这个分工顺手解释了 0.1 里 SD 序列为什么是和16S rRNA 配对（16S 属于小亚基，定位 mRNA 是小亚基的活儿），也解释了 0.5 里为什么说核糖体是核酶（成键那一步的催化中心是 23S rRNA，不是蛋白质）。

核糖体上有三个 tRNA 结合位点，名字就是它们各自的职责：

A 位（aminoacyl，氨酰基位）——新来的氨酰-tRNA 进这里。

P 位（peptidyl，肽酰基位）——挂着已经长好的那段肽链的 tRNA 待在这里。

E 位（exit，出口位）——卸完货的空载 tRNA 从这里离场。

一轮延伸：进位、成肽、转位

肽链每加长一个氨基酸，机器走完同样的三步。

先把名字对齐，因为不同教材和答案解析用的词不一样，对不上会以为是两套东西。第一步叫进位，也叫注册、结合；第二步叫成肽，也叫转肽、肽键形成；第三步叫转位，也叫移位。三套词说的是同一件事，答题时用哪套都行——但顺序绝不能反：先成肽，后转位。

这三步真正容易糊的地方不是化学，是每一步走完之后，三个位点上分别坐着什么。所以先把状态摆出来，再回头讲化学。

整张表只有第②行需要特别记住：成肽刚完成的那一瞬间，长了的肽链在 A 位，卸了货的空载 tRNA 在 P 位。这是整个延长循环里唯一一个“肽链不在 P 位”的时刻，也正是所有判断题动手脚的地方。紧接着第③步核糖体一动，肽链就回到 P 位，循环复位。

拿起始阶段的第一个肽键走一遍，就具体了。P 位上坐着 fMet-tRNA_f^Met，A 位进来一个 Ala-tRNA^Ala。成肽之后，A 位上是二肽 fMet-Ala-tRNA^Ala，P 位上剩下一个卸了货的 tRNA_f^Met。转位之后，fMet-Ala-tRNA^Ala 挪到 P 位，空载的 tRNA_f^Met 离场，A 位空出来等第三个氨基酸。

第一步，进位。 EF-Tu 结合 GTP，押着氨酰-tRNA 送进空着的 A 位。密码子与反密码子在这里接受检验，检验通过之后 GTP 才水解、EF-Tu 才离开。这段“已经进来了但还不能往下走”的延时是保真机制的一部分，留到 0.5 讲。

第二步，成肽（转肽）。用状态表来说，这一步就是从第①行走到第②行：肽链从 P 位那个 tRNA 上被整段摘下来，接到 A 位那个新氨基酸上。

为什么方向是这样，而不是反过来？因为反应里充当亲核体的是 A 位新氨基酸的α-氨基——只有游离的氨基才能做亲核体，而 P 位那个氨基酸的氨基早就用掉、变成肽键了。它进攻的对象是 P 位肽酰-tRNA 上酯键的羰基碳。亲核体主动进攻谁，产物就挂在亲核体这一边——所以产物挂在 A 位的 tRNA 上。

这也是酶名的由来：被转移的是肽酰基（整条肽链），不是氨基酸，所以叫肽酰转移酶。

顺便对齐一个方向问题。新氨基酸是接在肽链的哪一端？接在C 端。肽链的 N 端始终是最先做出来的那个氨基酸，从头到尾不动。这就是 0.1 里那条 N→C，在分子层面上的落点。

这一步不消耗任何高能磷酸键，用的是氨酰-tRNA 酯键里早就存好的能量。

第三步，转位（移位）。 EF-G 结合 GTP，推动核糖体相对 mRNA 前进一个密码子。前进的后果是三个位点上的东西各挪一格：原来在 A 位的肽酰-tRNA 挪到 P 位，原来在 P 位的空载 tRNA 挪到 E 位并离场，A 位重新空出来等下一个。

空载 tRNA 的去向有两种讲法：三位点模型说它先挪到 E 位再离场，有些教材直接说它从 P 位脱落。两种说法描述的是同一件事，只是详略不同，答题按所用教材即可。

起始：三个 IF 各管一件事，还有一个化学封堵

原核的起始因子只有三个，各管一件事，而且每一件都被填空题问过。

IF-3结合在小亚基上，干两件事：防止大亚基提前合上来（不然 mRNA 就装不进去了），以及协助 mRNA 的 SD 序列与 16S rRNA 配对。

IF-2结合 GTP，押着起始 tRNA 进入P 位。注意是 P 位，不是 A 位。

IF-1占住 A 位，防止起始 tRNA 坐错位置。三个因子完成任务后依次离开，大亚基合上，70S 起始复合物形成，延伸开始。

真核这一步复杂得多，起始因子有十余种（eIF 家族），其中 eIF-4 家族负责识别 5′ 帽子、装载小亚基，对应的正是 0.2 里说的“帽子装载后扫描”。因子数目的差别不是记忆负担，它就是“找起点的方式不同”这一件事的后果：原核靠一段序列配对一步定位，真核要先认帽子、再装载、再扫描，步骤多，因子自然多。

还有一个细节值得单独想清楚：原核的起始氨基酸为什么要甲酰化？

甲酰基封住了甲硫氨酸的 α-氨基。而上一段刚讲过，转肽反应里充当亲核体的正是 α-氨基。α-氨基被封住的氨基酸没法去进攻别人，也就意味着它永远不可能被接到某条肽链的后面，只能当第一个。一个化学封堵，实现了“专用于起始”这个功能约束。

这也给出了一道填空的答案：大肠杆菌合成的所有未经修饰的多肽链，N 端氨基酸都是 fMet。至于成熟蛋白质，甲酰基（常常连同那个 Met 一起）在翻译后会被切掉，所以成品的 N 端不一定是 Met。

终止：全部密码子里唯一不靠配对读的那三个

64 个密码子，61 个由 tRNA 的反密码子通过碱基配对读取。剩下三个——UAA、UAG、UGA——没有对应的 tRNA。

这件事值得停一下。0.1 说过，配对是细胞识别序列的唯一工具；现在出现了例外。但例外本身合乎那条逻辑：需要接头的地方才需要配对。终止这一步不需要接上任何氨基酸，也就不需要接头分子；它需要的只是一个“停，把肽链放下来”的判决。承担这件事的，是蛋白质。

原核有两个识别型释放因子，分工是交叉的：RF-1 识别 UAA 和 UAG，RF-2 识别 UAA 和 UGA。UAA 被两者共同识别，UAG 只归 RF-1，UGA 只归 RF-2。

它们干活的方式很漂亮。RF 进入空着的 A 位，在形状上模拟一个 tRNA——但它带来的不是氨基酸，而是把一个水分子引到肽酰转移酶中心。于是肽酰转移酶这一次的亲核受体是水，不是氨基：P 位那个酯键被水解，整条肽链被放出来。

所以终止并不是另起一套化学，而是让同一个酶换一个受体：受体是氨基就成肽键（延伸），受体是水就水解酯键（终止）。这就是上一节那个“肽酰转移酶还具有酯酶活性”填空的真正用处。

RF-3 不识别任何终止密码子。它是一个 GTPase，负责在肽链释放之后把 RF-1／RF-2 从核糖体上撵下来。

真核把识别这件事合并了：eRF-1 一个因子就识别全部三种终止密码子，eRF-3 相当于原核的 RF-3。

最后还有回收。肽链放出去之后，核糖体还卡在 mRNA 上，得拆开才能再用。原核由核糖体再循环因子 RRF配合 EF-G 来拆。RRF 是原核特有的，真核没有同源物、用的是另一套机制，所以“核糖体释放因子 RRF 是原核生物和真核生物翻译过程所必需的”这句判断题是错的。

这张表里真正要记的是最后一列。因子的名字会忘，“谁占位、谁押送、谁换电池、谁推车、谁读终止信号、谁善后”这六种角色不会忘——而且一旦按角色记，原核和真核那一栏的对应关系是自己浮出来的。

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0.4肽键必须先付钱：活化与那四个高能磷酸键

肽键的形成是一个缩合反应，在水溶液里方向不利。细胞遇到这类反应从来只有一种解法：先把底物挂到一个高能载体上，再做缩合。

这个套路在前面所有代谢专题里出现过。糖原合成不直接用葡萄糖-1-磷酸，要先做成 UDP-葡萄糖；脂肪酸氧化前要先活化成脂酰-CoA；尿素循环要先做出氨甲酰磷酸；蛋白质合成要先把氨基酸活化成氨酰-tRNA。四个例子，一个思路。以后看到“活化”两个字，它说的都是这件事：用高能键把一个热力学上不情愿的反应变成情愿的。

氨基酸的活化：两步，两个高能磷酸键

氨酰-tRNA 合成酶催化的反应分两步进行，两步都在同一个活性中心里完成。

第一步，氨基酸与 ATP 反应，生成氨酰腺苷酸（氨酰-AMP）和焦磷酸。这一步的平衡常数大约等于 1——也就是说它几乎不往前推。ATP 的磷酸酐键释放的能量并没有丢掉，而是保存在氨酰-AMP 这个混合酸酐里，中间产物则一直紧贴在酶的表面不离开。真正把这一步拉到不可逆的，是随后焦磷酸酶对 PP_i 的水解。

这就是“每合成一分子氨酰-tRNA 消耗 2 个高能磷酸键”的来历：ATP→AMP＋PP_i 断掉一个，PP_i 再被水解断掉第二个。

第二步，tRNA 进入活性中心，氨基酸从 AMP 上转到 tRNA 的 3′ 末端，生成氨酰-tRNA，放出 AMP。连接方式是酯键：氨基酸的 α-羧基与 tRNA 3′ 末端腺苷酸核糖上的羟基成酯。

这里有两个填空题必考的细节。一是 tRNA 3′ 末端接受氨基酸的序列是 —CCA。二是连接键是酯键，不是肽键、不是硫酯键；“氨酰-tRNA 合成酶可以把氨基酸随机连到 tRNA 的 3′ 羟基或 5′ 羟基上”这句判断题是错的，位置是确定的 3′ 端。

延伸：进位一个 GTP，移位一个 GTP

肽链每延长一个残基，在核糖体上要花两个 GTP。

一个花在进位：EF-Tu·GTP 把氨酰-tRNA 送进 A 位，GTP 随后水解。另一个花在移位：EF-G·GTP 推动核糖体相对 mRNA 前进一个密码子，GTP 水解。

夹在两者之间的转肽反应本身不消耗任何高能磷酸键。它用的是氨酰-tRNA 酯键里原本就存着的那份能量——那份能量在第一节的活化步骤里已经付过账了。

为什么延伸因子用 GTP 而不是 ATP

EF-Tu 和 EF-G 都属于 G 蛋白家族（B 组判断题“EF-G 属于 G 蛋白家族”是对的）。G 蛋白的共同特征是：结合 GTP 时是一种构象，水解成 GDP 后换成另一种构象，于是它天然就是一个双态开关。

这一点很关键，因为在翻译里，GTP 的主要角色其实不是供能，而是计时。GTP 结合态把因子锁在核糖体上，水解事件给出一个“可以往下走了”的信号。谁走得慢、在这段时间里掉了下去，就被筛掉了。下一节就讲这件事。

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0.5精度是买来的：三道筛子

大肠杆菌二十分钟分裂一次，每个细胞要做出三千种蛋白质，而翻译的错误率低于 10^-5。这个数字需要解释，因为单靠“结合得更紧”是达不到的。

为什么结合特异性有上限

一个酶要在结构相似的底物里挑出正确的那一个，能依靠的只有结合自由能的差别。差别有多大，取决于两个底物差多少。

酪氨酰-tRNA 合成酶区分酪氨酸和苯丙氨酸，靠的是那个羟基。一个羟基能多贡献几个氢键，于是酶对酪氨酸的结合是对苯丙氨酸的 10⁴ 倍——这已经是相当漂亮的成绩，靠单纯的结合特异性就够用了，这个酶甚至不需要校对功能。

但异亮氨酸和缬氨酸只差一个甲基。一个甲基能买到的选择性只有百倍量级，离 10^-5 差了三个数量级。

所以细胞必须再加筛子。它加的这两道筛子不是翻译独有的招数，而是整个生物化学里反复出现的两种通用策略。

第二道：化学校对——做错了就拆掉

氨酰-tRNA 合成酶的反应分两步走，这个两步结构本身就是为校对留的余地。tRNA 进入活性部位之后，酶会复查挂上来的氨基酸对不对；发现错了，就水解氨酰腺苷酸，或者水解已经生成的氨酰-tRNA，看具体是哪个酶。甲硫氨酸、异亮氨酸和缬氨酸的合成酶对这一招依赖最重——正因为它们的底物最难分辨。

第三道：动力学筛——让错误的那个来不及

合成酶对 tRNA 的分辨用的就是这一招。正确的 tRNA 结合快、解离慢，而且结合后能引起酶的构象改变，氨酰化随即发生；不相关的 tRNA 结合慢、解离快，不引起构象改变，氨酰化进行得很慢，于是它在反应发生之前就先离开了。

同一招在核糖体上再用一次，而且用得更精巧。前面说过，EF-Tu 上的 GTP 是在氨酰-tRNA 进入 A 位之后才水解的。这段“已经进来了但还不能往下走”的延时，正是给配对检验留的时间：配对正确的那一个稳定地留在 A 位，等到 GTP 水解、EF-Tu 离开，接着成肽；配对不正确的那一个在这段时间里解离掉了。

核糖体自己也是筛子的一部分

密码子与反密码子之间只有三对碱基，结合常数本身很小，远撑不起 10^-5 的精度。补足这个缺口的是 16S rRNA：它伸出两个碱基，贴在密码子—反密码子小螺旋前两个碱基对的浅沟上，把正确的配对稳住。配对不正确时这种稳定作用不成立，而且 rRNA 的构象改变触发不了下一步，GTP 也就不会及时水解。

答“保真机制”这道题的完整骨架

33(3) 里这道大题被多校反复问到（合肥工业大学 2025、2026 连考两年）。多数答案只写了氨酰-tRNA 合成酶的双重校对，丢掉了后两层。完整的骨架应当分三层答：

第一层，氨基酸活化层。合成酶的双重识别（既识别氨基酸、又识别 tRNA 上的“第二套遗传密码”），加上动力学校对与化学校对，把这一层的错误率压到 10^-5 以下。

第二层，解码层。 16S rRNA 稳定正确的密码子—反密码子配对；EF-Tu 的 GTP 水解提供动力学延时，筛掉配错的氨酰-tRNA。此外，密码本身的简并性和防错编排让残余错误的后果变轻。

第三层，终产物层。已经做错的蛋白质会折叠异常，被泛素-蛋白酶体系统选择性清除。异常血红蛋白在网织红细胞里半衰期只有十分钟，正常的能陪红细胞活 120 天——这是第 25 章的内容，但它是翻译保真的最后一道防线。

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0.6肽链下线之后：折叠、修饰、送货

翻译结束时得到的是一条伸展的肽链，它还不是一个能干活的蛋白质。33 的第（4）部分讲的就是从“一条链”到“一个在岗的分子”之间发生的事。这一段的地基只有一条，来自专题 3。

一级结构决定高级结构，所以伴侣不可能决定构象

1957 年 Anfinsen 用核糖核酸酶 A 做的实验：这个酶有 124 个残基、8 个半胱氨酸。先在含 β-巯基乙醇的 8 mol/L 尿素里让它彻底变性——二硫键还原、构象散开；再透析除去尿素和还原剂，在 pH 8 下用氧气氧化。结果酶活性和物理性质完全恢复。

这个“完全”是关键。8 个半胱氨酸如果听任随机配对，可能的二硫键组合有 105 种，只有 1 种是天然的那一套，活性最多只能恢复到百分之一左右。既然恢复到了百分之百，就说明二硫键的配对不是随机的，是这条链的氨基酸序列本身决定的。

从这个结论直接可以推出分子伴侣是什么、不是什么。既然构象信息已经全写在序列里，伴侣就不可能再往里添信息。它能做的只有一件事：在折叠过程中挡住歧路。

两类伴侣的机制值得各记一句。Hsp70 家族是单体，靠水解 ATP 完成对未折叠肽链的结合—释放循环，多轮循环之后肽链找到天然构象；Hsp40 促进 Hsp70 的作用，GrpE 负责把 Hsp70 上的 ADP 换成 ATP。伴侣蛋白家族是寡聚体：大肠杆菌的 GroEL（即 Hsp60）是 14 聚体，分上下两环、每环 7 个亚基，围成一个中空圆筒，筒内表面的疏水区段结合未折叠的肽链；GroES（Hsp10）由 7 个亚基组成，盖在筒口当帽子，肽链在筒内完成折叠。

还有一个时序问题。新生肽是边合成边折叠的：N 端先出核糖体，就先开始折，随着链的延伸不断调整。“肽链的折叠在蛋白质合成结束以后才开始”是错的。这也解释了为什么细胞需要伴侣——一条只露出一半的链，它的疏水面暴露在外，正是最容易聚集的时候。

修饰这一层：毛坯之外的开关、标签和地址

一级结构给出的是毛坯。翻译后修饰给的是三样东西，用这三个词分类比按修饰种类罗列好记得多：

开关。磷酸化是最常见的可逆共价修饰，由蛋白激酶催化，在真核里主要发生在 Ser、Thr、Tyr 三种残基上；对微生物而言，被磷酸化的主要是 His 和 Asp。可逆是它当开关的前提。

标签。泛素化发生在赖氨酸的 ε-氨基上，是降解信号——这是第 25 章的内容，在这里它是“翻译后修饰”的一个例子。

地址与稳定性。糖基化决定分泌蛋白的去向和寿命；脂酰化把蛋白质拴到膜上。

还有一类修饰专门用在组蛋白上：乙酰化、甲基化，作用于 Lys 和 Arg。这就接到了专题 34 的表观遗传。

定位：真核细胞被膜切成了很多间

真核细胞的每一个细胞器都被膜围着。一条肽链做出来之后必须带着地址才能“各就各位”。

分泌蛋白、溶酶体蛋白和膜蛋白走的是共翻译转运：肽链 N 端的信号肽一露出来就被信号识别颗粒 SRP 认出，SRP 把整个核糖体拉到内质网膜上的 SRP 受体处，肽链边合成边穿过膜，信号肽随后被信号肽酶切掉。信号肽的 C 端一侧富含小 R 基的氨基酸残基，那里就是被切的部位。

线粒体、叶绿体和核内的蛋白质走的是翻译后转运：肽链先在细胞溶胶里做完，再凭导向序列被送进去。

这里有一个很值得注意的因果。线粒体的导向序列进去以后会被切掉，而核定位信号不被切除。为什么？因为细胞每次分裂，核膜都要解体重建，核蛋白得重新进核一次——信号切不切，取决于这个蛋白质以后还要不要再定位一次。

原核细胞没有这些区室，所以它基本不存在这套定位问题。这句话看起来只是一句对比，其实是下一节的引子：同一个“有没有膜把细胞隔开”的事实，在 33 里决定了定位机制，在 34 里决定了调控的层数。

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0.7调控的语法：顺式与反式、正与负、诱导与阻遏

专题 34 里的名词特别多——操纵子、阻遏蛋白、操纵基因、弱化子、增强子、沉默子、锌指、亮氨酸拉链、CRP。但这些名词全部挂在同一个句式上：

一个信号分子改变了一个蛋白质的构象，这个蛋白质因此松开或抓住了一段 DNA，于是这段 DNA 下游的基因被关掉或打开。

这一节就是把这个句式的每一格讲清楚。讲清楚了，34 的题基本都能推。

先把“基因表达”这个词界定准

B 组第一道选择题问的就是“下列关于基因表达概念的叙述，错误的是”。把基因表达等同于“合成蛋白质”是错的——tRNA 基因、rRNA 基因的表达产物是 RNA，没有蛋白质这一步。

另外两个配套的概念：只要细胞活着就大体恒定表达的那些基因叫管家基因，对应的酶叫组成酶；只在需要时才表达的叫可调基因，对应的酶叫可调酶或适应酶。Jacob 和 Monod 当年研究的就是适应酶——加诱导物酶量立刻上来，撤诱导物立刻停。

顺式与反式：判据只有一条

“顺式”指与被调节对象在同一个分子上，“反式”指在不同分子上。判据就这一条，不用记名单。但把名单推一遍有好处：

启动子、操纵基因、增强子、沉默子、弱化子、TATA 盒、CAP 结合位点——都是 DNA 序列，都只管自己那条 DNA，所以全部是顺式元件。

这条判据还能直接推出一个高频考点。增强子为什么没有位置效应和方向效应？因为它的工作方式是：被反式因子结合后，靠 DNA 的回折把这个因子递到启动子附近。既然靠回折，那么它在基因上游、下游还是内含子里都不要紧，正着放反着放也不要紧——只要在同一条 DNA 分子上。所以“增强子和沉默子是具有位置与方向效应的 DNA 元件”是错的。

正调控、负调控、诱导、阻遏：四个词两个维度

这是 34 里最容易混的地方，因为四个词其实分属两个互相独立的维度。

正／负说的是调节蛋白的作用方向：它结合到 DNA 上以后，转录是变强（正调控，激活蛋白）还是变弱（负调控，阻遏蛋白）。

诱导／阻遏说的是小分子信号带来的净效果：加入这个小分子之后，目标基因是被打开（诱导）还是被关掉（阻遏）。

两个维度交叉，得到表 0.5 的四格。

别构：全部调控机制的同一个分子基础

把上面四格里的例子排在一起看，会发现它们是同一个机制的三次复现：

诱导物异乳糖（或实验室常用的安慰诱导物 IPTG）结合到 LacI 上，改变它的构象，降低它对操纵基因的亲和力；辅阻遏物色氨酸结合到 TrpR 上，改变构象，提高它对操纵基因的亲和力；cAMP 结合到 CRP 上，改变构象，使它能够结合 CAP 位点。

三个例子，一个机制：信号分子结合 → 反式因子构象改变 → 对顺式元件的亲和力改变 → 转录速率改变。

这就是专题 8 里学的别构效应，换了个应用场景而已。在专题 8 里，别构改变的是酶对底物的亲和力；在专题 34 里，别构改变的是调节蛋白对 DNA 的亲和力。

调节蛋白怎么认出那一段 DNA

调节蛋白对靶序列的亲和力，比对一般序列高10⁴~10⁶ 倍。这个差别来自互补的空间关系：Asn、Gln、Glu、Lys、Arg 这些侧链能与暴露在 DNA 大沟里的碱基对形成特异氢键。

同源域是第三类，约 60 个残基、三条 α 螺旋，其中螺旋 2 和螺旋 3 构成的正是一个 HTH 关系，所以它可以看成 HTH 的一个变体。编码它的约 180 bp 序列叫同源框，最早在果蝇控制形态发育的基因里找到。

另外一类结构域不认 DNA，专管蛋白质之间的结合：亮氨酸拉链由约 35 个残基形成两性的卷曲螺旋，每两圈螺旋出现一个 Leu，两个单体靠 Leu 侧链的疏水作用拉在一起；螺旋-突环-螺旋是两条两性 α 螺旋中间连一段柔性突环，靠疏水侧链结合成二聚体。这两类结构域的 N 端往往紧接一段碱性氨基酸，用来结合 DNA，所以叫 bZip 和 bHLH。

阀门装在哪：把流水线摊开看

现在把 0.1 到 0.6 那条流水线摊开（图 0.4），从染色质一直到在岗的蛋白质。每一个环节都可以装一个阀门，而原核和真核装的位置不一样——原因还是那一条：有没有核膜。

原核：没有核膜，转录和翻译在同一个空间连着做。于是转录起始成了调控的主战场，操纵子模型就长在这个前提上。而正因为转录与翻译耦联，才可能有弱化作用这种机制：前导区一边被转录、一边被翻译，核糖体在前导肽上走得快还是慢（取决于该氨基酸的氨酰-tRNA 够不够），决定了下游的 RNA 会折成终止型茎环还是通读型茎环。

这就给出了一道判断题的真正理由：弱化子这种调控模式不可能出现在真核细胞。原因不是真核“用不上”，而是真核的转录在核内、翻译在核外，一条正在被转录的 RNA 身上不可能同时挂着核糖体——物理上做不到。

真核：核膜把转录和翻译隔开，于是每一道界面都变成了可调的关口。朱圣庚教材把它归纳成多级调节系统，一共六级：染色质结构的调节、RNA 转录的调节、转录后加工的调节、RNA 降解的调节、蛋白质合成的调节、蛋白质合成后加工的调节。

真核多出来的最重要那一层是染色质。DNA 缠在组蛋白上，必须先变得“可及”，才谈得上转录。DNA 的甲基化（主要在 CpG 上）和组蛋白的乙酰化、甲基化改变染色质的松紧程度。松紧有一个很方便的实验指标：DNase I 敏感性——转录活跃的区域染色质疏松，对 DNase I 更敏感。所以“某一个基因的转录活性越强，则该基因所处的 DNA 序列对 DNase I 就越敏感”是对的。

最后一层阀门装在 RNA 上。反义 RNA、miRNA 和 siRNA 靠什么找到自己的靶 mRNA？靠碱基配对。核糖开关——mRNA 自身直接结合小分子代谢物、借构象改变开关下游基因的那一段序列——靠什么改变构象？也是靠 RNA 自身的配对与回折。

这一层的机制可以再具体一句。小 RNA 单独并不干活，它要装进以 Argonaute 蛋白（哺乳动物主要是 AGO2）为核心的复合物里，由这个复合物拿着它去扫 mRNA；配得完全互补就把靶 mRNA 切开降解，配得不完全就压住它的翻译。所以“哺乳动物 miRNA 依赖 AGO2 作用，与靶 mRNA 特定序列准确互补配对降解目标 mRNA”这句判断题，前半对、后半过于绝对——完全互补才走降解，不完全互补走的是翻译抑制。

于是绕了一整圈，34 的机制又落回 0.1 的第二条语法。这不是巧合：细胞手里能用的特异性识别工具本来就只有两种——蛋白质认形状，核酸认序列。认序列那一套，从复制一直用到 RNA 干扰，一路没换。

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0.8衔接：这几块地基各撑起哪些题

前面六节都在讲同一件事：33 和 34 里绝大部分“结论”，都可以从四块地基推出来，不必单独记。表 0.6 把对应关系列齐，复习时可以倒着用——遇到一道题先问它踩在哪一块地基上。

最后留一句话。这两个专题的考题里，问“是什么”的占少数，问“为什么这样”“两者有何不同”的占多数。后一类题没法靠罗列取分，只能靠把因果链讲出来。而那些因果链的起点，几乎全在这七节里——方向性、配对、活化、保真、序列决定构象、区室、别构。七个词，把 33 和 34 兜住了。

这张表是给考前一天用的。平时复习要走的是反方向——从一道具体的题追回到它踩着的那一块地基，追到能一口说出因果链为止。