中心法则表明,DNA转录成为RNA,然后被翻译成蛋白质。为什么不能直接以DNA做为模板来合成蛋白质呢?这样岂不是效率更高?为什么要加入RNA呢?这样有什么好处呢? 【傅渥成的回答(30票)】: 中间经历 RNA 的步骤个人认为更可能是历史原因造成的(RNA世界學說)。 我写一点我临时想到的,如果还想到了其他的再来继续补充。 总的来看,经历的步骤数目越少,效率自然会越高,但是可供调节的选择就变少了,某一个反应可能成为控制许多个生物反应过程的关键,这就增加了调控的难度(例如,对新生肽链的翻译后修饰的重要性提高)。 当然,如果全部用 DNA ,效率方面的优化如果真的会起到好得多的效果的话,那么还是有可能进化出全部由 DNA 来转录翻译的生物来的,可是仍然有很多问题,我所想到的一些主要可能存在的问题包括: (A)最极端的情况,所有 RNA 进行的工作全靠 DNA (催化功能假如都由蛋白质)来完成:
(B)假设核糖体进入细胞核,在 DNA 上直接翻译,可能出现的问题包括:
(C)假设使用先翻译成 DNA,然后再进行翻译,可能出现的问题包括:
【知乎用户的回答(9票)】: DNA合成需要蛋白质,蛋白质合成需要DNA,那么最早的生物是先有蛋白质还是现有DNA?后来发现RNA既可以做遗传物质,又可以做酶,所以最早的生物只有RNA。摔成你的问题应该是为什么有DNA而不是为什么DNA要先合成RNA。 1 效率问题。你可以把RNA和DNA想成内存和硬盘的关系。内存快,但是不能长时间保存数据,用完很快可以擦掉重用。硬盘稳定存储量大。DNA是一种很稳定的结构,比RNA稳定得多,所以能够成为存储基因的主要载体。缺点就是慢,每次要解开。用来合成蛋白质的核糖体只能塞进小段RNA,所以即使用超长链RNA作为主要遗传物质,还是要先从RNA上面复制出mRNA的片段的。而如果用长链DNA复制mRNA,那么一段dna可以复制出几百条RNA,这样效率就上去了。 而且,RNA的不稳定性也是有用的。用完就被分解掉,不会影响后面的表达。你想,如果RNA一直存在那里合成蛋白质,一个细胞分裂周期只要几十分钟,你把分裂时期分开细胞的蛋白质生产活动保留到正常周期那不是乱套了? 2 就是DNA的表达,需要一个调控。大部分基因在细胞里面是不表达的,除了顾家基因外只表达剩下的小部分基因,这样才能带来每个细胞的不同和分化。而控制基因是否表达,一个最重要的方式,就在于控制能否把dna转录为RNA,每次转录多少,这比dna里面拥有多个基因拷贝要更精细、更容易控制,更容易有多种逻辑。 比如说我可以用一个激素来控制某个dna是否打开,然后用这个dna转录的RNA制备的蛋白质来控制另外基因是否打开,如此等等。比如我可以控制在发热的情况下分泌热休克蛋白,正常温度就不必分泌;怀孕的时候抑制免疫;根据昼夜周期决定是否分泌激素来启动发情,等等。 3 如果你有一种办法,可以让RNA像DNA一样稳定还可以调控mRNA的转录,还有一个问题,越复杂的生物DNA越多,以大多数生物的遗传信息量,存在的DNA或者RNA数量会非常大,你如果冲过果冻或者米粉就知道,最低只要有千分之一以下质量的长链分子,水就会凝固成半固体。生物解决这种问题的办法就是细胞核,平时把DNA用蛋白质包起来成为稳定的半固体,关在细胞核里面,这样就不会让细胞核以外的细胞液凝固了。只有简单的细菌才没有细胞核。你把DNA换成RNA,问题是一样的。为了细胞不凝固,长链RNA一样平时要锁起来,需要时解开。 【Alds Nick的回答(3票)】: 直接以DNA为模版并不会提高效率。 以DNA与mRNA引物的结合为例,DNA必须先解旋再和mRNA结合 这样说来,如果直接以DNA作为模版,合成蛋白质,每次解螺旋都会很麻烦。 mRNA这样的中间物质很好的解决了问题。 另外,真核生物的DNA大部分在核内,而蛋白质的合成基本在核外进行。 核内外物质交换通过核孔进行,若以DNA为模版,合成的蛋白质运输也需要很多的能量。 以上,非专业,有问题欢迎指出。 【树八哥的回答(1票)】: 细胞是非常讲究效率,目前人类没有任何一个组织能够比拟细胞工作效率——xx老师 >.< 当然如果你能够把转录的过程全部弄明白之后也就很容易明了(细胞生物学会讲),如果说以DNA为模板复制出单链,然后呢?是不是还需要个t-dna(不存在)然后与单链进行结合,但t-dna(不存在)怎么知道哪个家伙是你作为模板的单链,要是咔嚓一下子把模板的单链个结合上去,那模板dna还能不能回到原来的双链结构?显然不行啊。 所以问题就在于,作为控制细胞的核心,那么他是需要通过某种方式去将信息准确的释放出去,同时,作为储存信息的介质,也要保证自己的稳定性。而通过多种rna的作用就能实现这个功能。 【张堤的回答(1票)】: 为什么需要mRNA,这是个有趣的问题。从进化的事实上看,其实最早的生命形式是RNA,DNA是后来才产生的。当然就算这样,这个问题仍然存在,因为如果mRNA纯属多余,进化大约会将其淘汰。 我的理解是: 1. 在一个细胞内,基因的信息在DNA上一般以单/双拷贝存在。 1.1 数量上的劣势:对于最终的蛋白质产物,如果直接在DNA上进行的翻译,会受限于模版数而无法迅速大量产生。所以mRNA作为一种中间产物,能够为翻译提供更多拷贝的模版(高若干个数量级)。 1.2 无法提供空间分布的信息:受精卵发育时,卵细胞内来自母体的几种基因mRNA的浓度梯度分布决定了受精卵的极性,也就是头尾、腹背的区别。单/双拷贝的DNA无法提供这种信息。 2. 转录比翻译更有效率。 当然,不是所有基因都在胞内有mRNA的库存。如果说直接从DNA翻译有模版数低的困难,那么对于转录这些困难同样存在。所以必须知道一个事实:转录比翻译简单。简单来说,转录类似于复制,模版和核苷酸之间依赖碱基(A-T, C-G)识别。而翻译需要tRNA的辅助,tRNA一边是3核苷酸密码子负责识别模版,一边是特定的氨基酸。 以上印象流,抛砖迎玉。 【肖伟科的回答(1票)】: 其实可不可以这么想。为啥会有DNA而不以RNA直接作为遗传物质呢。 个人比较支持RNA world hypothesis. 上面有提到。非常有意思的理论。建议题主浏览一下。 题主在多阅读RNA相关的材料之后会发现。部分RNA分子“残留”与DNA和蛋白质类似功能。 而在这个问题上我认为合理的理解方式应该是。 在进化过程中蛋白质和DNA的出现为生物的复杂性提供了基本条件。 三者(加上RNA)在进化过程中只保留了其结构带来最有效的功能。 DNA遗传物质。蛋白质功能物质。RNA作为连接桥梁。 根据这个思路。我们可以大概想象一下如果没有RNA会如何。 高级脊椎动物染色体中有很多基因。再加上基因之间无效DNA片段(不翻译成蛋白质)。 染色体中的DNA分子量是非常惊人的。(人类基因组大约有10^9数量级bp的DNA) 而几乎所有细胞都拥有全套基因。细胞内的DNA都是高度折叠的。只有需要的时候才会选择性表达。 如果从DNA直接翻译蛋白质。细胞要么需要足够大来容纳展开的DNA使得所需要的基因得到表达(但细胞大小受面积体积比限制)。要么DNA总量就会受到限制。结果导致生物体的复杂性受限。 mRNA的存在使得在DNA上某些基因不再表达之后。依然可以被翻译成蛋白质。而且可以是高效地。因为mRNA可以有多条。 其他方面进化方面的理由还有很多。 例如蛋白质更加多样更加高效。所以有蛋白质的生物出现之后RNA的生物就活不下去了。 例如DNA比RNA结构上更加稳定。更加能将生存必需的基因完整地保存下去。 而RNA因为功能上被替代。所以现在看来就变成了打杂的角色(mRNA, tRNA, rRNA, snRNA等) 效率方面就不赘述了。上面都有提到。 推荐读物《细胞分子生物学》。‘molecular biology of cell’ — Bruce Alberts et al. 【陌晓马的回答(0票)】: 可能是因为怕断裂复制后搞混掉吧 【薇恩的回答(0票)】: 这个问题想想细胞结构就清楚啦!高等生物的细胞都是真核细胞,DNA平时都待在细胞核内。需要制造蛋白质时候必须要有个信使分子(也就是RNA)把藏在细胞核内的DNA信息转录出来,交给核糖体去破译生产蛋白质。 另外,如果真像你说的直接去转录的话。那就好比把DNA链拆开,还要一直放在核糖体那里去合多肽。整个细胞就会乱掉,而且可能也会影响细胞的生命周期。比如没法进行细胞分裂等。 【叶子羽的回答(0票)】: 基本上排名第一的说的已经比较全面了,我就稍微说一下我想到的原因。 第一,安全原因,由于DNA的结构很稳定,所以不容易有太大的变异问题,如果直接由DNA来合成蛋白质,DNA必定要长期解螺旋开链,碱基长时间暴露发生突变的可能性比螺旋式结构的可能性大的多,不利于稳定遗传。 第二,当DNA需要进行其他活动例如复制时,细胞还是需要各种蛋白质来维持生命活动的,这时之前转录的RNA就派上用场了。 【皇甫南的回答(0票)】: 通俗解释,简而言之:为了细胞的安全,其次是效率。 1.DNA作为重要遗传物质不可以频繁进出细胞核。 2.蛋白质合成不可能在细胞核中完成。 你说效率问题,一条DNA链上照样可以同时串上好多酶进行蛋白质合成,原因必然是因为细胞的功能分化。遗传物质就要有遗传物质的样子,搞运输就要有搞运输的样子,提供能量就要有提供能量的样子。高度分化的社会才能够提高效率,要不然一团粥DNA什么都干细胞估计也活不长。 【江暑添的回答(0票)】: DNA是在细胞核里具有高度保守性(也就是性质稳定不易变化)先转录出mRNA可以DNA突变的可能性(因为翻译出蛋白质须在胞浆,而胞浆环境不稳定) 因此为了人类能稳定遗传so…… |
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