数学模型在生物信息学中的应用(4)
1.2.3 中心法则
DNA携带遗传材料，即生物功能所要求的信息(某些病毒除外，它们的遗传材料是RNA)。信息从基因的核苷酸序列中被提取出来，用来指导蛋白质合成的过程对地球上的所有生物是相同的，分子生物学家称之为中心法则(central dogma)。
生物体的遗传信息以密码形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA的复制(replication)使遗传信息从亲代传向子代。在后代的生长发育过程中，DNA分子中的遗传信息转录(transcription)到RNA分子中(即RNA聚合酶以DNA为模板合成RNA)，再由RNA翻译(translation)生成体内各种蛋白质，行使特定的生物功能。翻译过程是在核糖体上进行的。这样，通过遗传信息从亲代传向子代，并在子代表达，使得子代获得了亲代的遗传性状。RNA也能通过复制过程合成出与其自身相同的分子。此外，生物界还存在由RNA指导下的DNA合成过程，即逆转录，这一过程发现于逆转录病毒中。通过基因转录和翻译得到的蛋白质分子可以反过来作用于DNA，调控其它基因的表达。分子生物学的中心法则见图1-3，它说明遗传信息由DNA分子到RNA，再到蛋白质的传递过程。
1-3: 分子生物学中心法则
Fig. 1-3: The central dogma of molecular biology
(1) DNA的复制
DNA的复制，即DNA的生物合成，就是指以原有DNA分子为模板按照碱基配对原则合成出相同分子的过程。DNA的自我复制是细胞周期中的重要事件。一旦复制开始，细胞当然就不能分裂，而DNA复制结束，就会触发细胞的分裂。所有的DNA复制过程都是以半保留方式进行的。在DNA复制过程中，双螺旋解开，两条DNA单链都可作为模板在其上形成新的互补链，这样形成两个与亲代DNA结构完全相同的子代DNA链,并且由于子代DNA中一条链来自亲代DNA,另一条链是新合成的，故该复制方式称为半保留复制。1958年，Meselon和Stahl利用15N同位素标记大肠杆菌DNA最早证明了DNA的半保留复制。
(2) 转录
转录是基因表达的第一个阶段。转录就是以DNA分子为模板，合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程，即DNA指导下的RNA合成。常见的RNA包括信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)和核糖体RNA(rRNA)，它们都是在细胞核内以DNA为模板，按碱基配对原则合成的。
(3) 翻译
蛋白质的生物合成是mRNA链上每3个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链。蛋白质合成过程本质上是遗传信息的翻译过程，是基因表达的第二个阶段。mRNA是蛋白质合成的直接模板，因为合成过程实际上是将mRNA的核苷酸序列转换为蛋白质的氨基酸序列，是两种不同分子“语言”的转换，所以，把以mRNA为模板的蛋白质合成过程成为翻译。
由于DNA中有四种碱基，而蛋白质中有20中氨基酸，显然单个碱基不能为氨基酸编码。如果DNA序列中每2个相邻的碱基决定一个氨基酸残基，则只能表示 4*4=16种氨基酸；如果3个相邻碱基对应一个氨基酸，那么所能表示的氨基酸有64种，可以满足20种氨基酸的编码需要，因此mRNA序列上3个相邻的碱基组成一个密码子(codon)，或称三联体密码，一个密码子对应一个氨基酸。遗传密码的基本特征如下：
(1) 密码无标点符号
即两个密码子之间没有任何起标点符号作用的密码子加以隔离，阅读密码必须按照一定的读码框架(reading frame)，从一个起点开始，逐个顺次向下阅读，直到终止信号处停止，如果插入或缺失一个碱基，就会使这个碱基之后的读码发生错误，这种错误成为移码。
(2) 密码子的简并性
大多数氨基酸所对应的密码子不止一种，20种氨基酸中18个具有多个密码子，这一现象成为密码子的简并性。由于密码子的简并性，在DNA复制和转录过程中发生错误而蛋白质的氨基酸序列却可以不受影响，尤其是当突变(遗传物质发生改变)发生在密码子的第三位时更是如此。通常，三联体密码子一个碱基的改变不足以引起所编码的氨基酸从一类变成另一类。