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