细胞内转录、翻译和代谢时间表:哺乳动物细胞每分钟复制10⁹个核苷酸

基本生物过程的时间尺度对比

  • 细菌(大肠杆菌)
    • DNA复制速率:每秒10⁸个核苷酸;细胞周期约1小时。
    • 分子扩散(1微米距离):10-100毫秒;细胞移动速度:10微米/秒。
    • 转录与翻译:约1分钟完成一个基因(1 kbp)的转录,1分钟合成一个蛋白质(300氨基酸)。
  • 哺乳动物细胞(HeLa)
    • DNA复制速率:每分钟10⁹个核苷酸;细胞周期约1天。
    • 分子扩散(10微米距离):1-10秒;细胞移动速度:1微米/分钟。
    • 转录与翻译:约10分钟完成一个基因(10 kbp,含内含子)的转录。

关键时间尺度的生物学意义

  • 代谢与基因表达的协调
    代谢物周转时间(细菌约1秒,哺乳动物约1分钟)远快于基因表达调控(分钟级),因此代谢调控主要依赖变构效应和翻译后修饰,而非基因表达。
  • 蛋白质功能的时间延迟
    如GFP表达需经历转录、翻译、折叠和成熟(氧化与环化)过程,总耗时数分钟至数十分钟,成熟步骤是主要限速环节。
  • 细胞组分的半衰期
    • 代谢物(秒级)、mRNA(分钟至小时级)、蛋白质(小时至天级),其中蛋白质的周转多由细胞分裂稀释主导,而非降解。
  • 细胞大小与时间尺度的关系
    哺乳动物细胞因体积更大(比细菌大1000倍)、基因更长(含内含子),导致扩散和转录时间显著延长。例如,蛋白质跨细胞扩散在细菌中需0.1秒,哺乳动物中需10秒。

特殊场景下的时间尺度

  • 神经元内运输
    1厘米长的轴突中,蛋白质通过扩散需超过一个月,而分子马达(1微米/秒)仅需数小时;对于长达1米的神经元(如长颈鹿),运输需数天。
  • 细胞移动的速度限制
    肌动蛋白聚合的理论极限速度(如李斯特菌:1微米/秒)高于实际细胞(如成纤维细胞:0.01微米/秒),因膜张力、细胞黏附等因素限制了运动效率。
  • 人体细胞寿命差异
    • 快速更新:肠道上皮(<1周)、皮肤表皮(1周至1月)。
    • 长期稳定:红细胞(4个月)、脂肪细胞(约10年)、中枢神经元(终身不更新)。

细胞内转录、翻译和代谢时间表:哺乳动物细胞每分钟复制10⁹个核苷酸

本文来自http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.02.058,本文观点不代表OUQ技术分享立场,转载请联系原作者。

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