转译

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转译(translation)又称“翻译”,是生物按照从脱氧核糖核酸(DNA)转录得到的信使核糖核酸(mRNA)上的遗传信息合成蛋白质的过程。即以信使核糖核酸为模板,合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质的过程。由于mRNA上的遗传信息是以密码(见遗传密码)形式存在的,只有合成为蛋白质才能表达出生物性状,因此将蛋白质生物合成比拟为转译或翻译。

蛋白质生物合成包括氨基酸的活化及其与专一转移核糖核酸(tRNA)的连接;链的合成(包括起始、延伸和终止)和新生肽链加工成为成熟的蛋白质3大步骤。其中心环节是肽链的合成。蛋白质生物合成需核糖体、mRNA、tRNA、氨酰转移核糖核酸(氨酰tRNA)合成酶、可溶性蛋白质因子等大约200多种生物大分子协同作用来完成。

转译的过程是:细胞核中DNA的某一区段转录出来的mRNA从核孔穿出来进入细胞质中,与核糖体结合起来。蛋白质合成就在核糖体进行。蛋白质开始合成时,首先核糖体与mRNA结合在一起,核糖体附着在mRNA的一端(起动部位),然后沿着mRNA从5′3′方向移动(当核糖体向前移动不久,另一个核糖体又结合上去,所以一个mRNA可以有多个核糖体连续上去)。同时,游离在细胞质中的tRNA把它携带的特定氨基酸放在核糖体的mRNA的相应位置上,然后tRNA离开核糖体,再去搬运相应的氨基酸,这样,按照mRNA上的遗传密码,一个个由tRNA运来的氨基酸互相连接而成为一条多肽链,在合成开始时,总是携带甲硫氨酸的tRNA先进入核糖体,接着带有第二个氨基酸的tRNA才进入,此时带甲硫氨酸的tRNA把甲硫氨酸卸下,放在mRNA的起始密码位置上,然后自己离开核糖体,甲硫氨酸的-COOH端与第二个氨基酸的-NH2形成肽键。接着携带第三个氨基酸的tRNA进入核糖体,第二个氨基酸的-COOH又与第三个氨基酸的-NH2形成肽键。第二个tRNA又离开核糖体,再去搬运相应的氨基酸,第四个氨基酸的tRNA即进入核糖体。tRNA进入核糖体的顺序,是由mRNA的遗传密码决定的。就这样,反复不已,直到碰到mRNA上的终止密码时,肽链的合成才结束。mRNA的遗传密码便翻译为一条多肽链,当一条多肽链合成完毕后,核糖体将多肽链释放下来,多肽链经过盘曲,折叠形成具有一定空间结构的蛋白质分子,同时核糖体也从mRNA上脱落下来,再重新与mRNA结合,参加下一次蛋白质的合成,一条mRNA可以有多个核糖体在上面滑动,一个核糖体可以合成一个蛋白质分子,所以,一个mRNA可以同时合成多条多肽链。  

目录

氨基酸的活化及其与专一tRNA的连接

生物体内的氨基酸不能直接反应生成肽链,而首先由特异性的氨酞tRNA合成酶催化活化的氨基酸的羧基与其对应的tRNA的3′端羟基反应,生成含高能酯键的氨酰tRNA。氨酰基可连接到tRNA3′端腺苷的3′-羟基(图 1)或2′-羟基上,并可在两者之间迅速移动,达到一个平衡。

氨酰tRNA的结构

氨基酸与tRNA反应的整个过程分两步进行(见转移核糖核酸),其总反应式表示如下:

氨基酸+ATP+tRNA氨酰tRNA+AMP+Ppi

上述反应都是在氨酰tRNA合酶催化下进行的。此酶具有高度专一性,每种氨基酸至少有一种氨酰tRNA合成酶。不同氨酰tRNA合成酶在大小、亚基结构和氨基酸组成上各不相同,其分子量大多在85 000~110 000之间,其中有些酶已制得结晶。  

肽链的合成

肽链的合成分3个步骤:起始、延伸、终止。合成方向从氨基端(N端)向羧基端(C端)进行。 mRNA的翻译方向则是从5′端→3′端。

1、起始

无论原核生物还是真核生物都是先由起始因子鸟三磷(GTP)、核糖体、mRNA和氨酰tRNA形成起始复合物。起始密码子都是AUG(或GUG)。

原核生物蛋白质生物合成的起始因子有3种——IF-1、IF-2和IF-3,参与起始的氨酰tRNA(也叫起始tRNA)是甲酰甲硫氨酰tRNA(fMet-tRN

原核生物蛋白质合成的起始过程

AfMet),其中甲酰基是在甲酰化酶催化下加到甲硫氨酰tRNA上的。起始过程分以下3步:①70S核糖体在起始因子IF-3和IF-1作用下解离,产生30S和50S两个亚基。②30S亚基与mRNA起始密码子部位结合,fMet-tRNAfMet在IF-2作用下,并有GTP参与,进入30S亚基,释放出IF-3,形成30S起始复合物。在这个复合物中,fMet-tRNAfMet上的反密码子与mRNA上的起始密码子(翻译开始的信号)之间形成互补碱基对。③30S起始复合物与50S亚基结合,IF-2(具有依赖于核糖体的GTP水解酶活性)水解GTP,产生GDP和无机磷,并释放出能量,使IF-2,IF-1和GDP等从复合物中释放出来,形成70S起始复合物(包括70S核糖体、mRNA和fMet-tRNAfMet)。这时,fMet-tRNAfMet占据核糖体上的肽基-tRNA位置(P位)。70S起始复合物巳具备了肽链延伸的条件(图2)。

真核生物肽链合成的起始因子比原核的多(如兔网织细胞至少有9种),起始tRNA是甲硫氨酰tRNA(Met-tRNAMet),不同于原核生物的fMet-tRNAfMet。起始基本步骤与原核生物的相同,也包括核糖体的解离,小亚基(40S)起始复合物的形成和肽链起始复合物(80S)的形成。主要区别在于真核生物的核糖体小亚基先与氨酰化的起始tRNA结合,然后再与mRNA结合;而原核生物核糖体小亚基在形成起始复合物时则先与mRNA结合,再与起始tRNA结合。

2、延伸

肽链合成的循环过程

经许多延伸循环使肽链延长的过程。每次循环使核糖体沿mRNA移动一个密码子(3个核苷酸)的距离,并使新生肽链加上一个氨基酸。除某些细节外,原核和真核生物的延伸循环大致相同,但前者的延伸因子有EF-Tu、EF-Ts和EF-G,后者则是EF-1和EF-2。每次循环包括以下3步:①氨酰tRNA与核糖体的结合。EF-Tu与GTP首先结合形成复合物,该复合物能与除fMet-tRNAfMet外的任何氨酰tRNA相结合,然后由处于核糖体起始复合物上A位的mRNA的密码子选择带有与其对应的反密码子的氨酞tRNA进入A位,反密码子与密码子通过氢键形成碱基对。②肽键的形成。由于fMet-tRNAfMet占据了核糖体的P位,氨酰tRNA占据了核糖体的A位,在核糖体上的肽基转移酶催化下,fMet-tRNAfMet上的甲酰甲硫氨酸的α-羧基与氨酞tRNA上氨基酸的α-氨基之间形成肽键。此时,P位上的起始tRNA(tRNAfMet)不携带氨基酸,而A位上的tRNA的3′端则带有一个肽,称作肽基tRNA。许多证据表明,肽基转移酶是核糖体大亚基(为核糖体上的一个区域,由许多大分子协同作用的结果。不需要可溶性蛋白因子和GTP参与),真核生物肽键形成过程与原核生物基本步骤相同。但由于对不同的抑制剂的敏感程度不同,因而两类生物的肽基转移酶活性中心的结构可能有差异。③位移。在EF-G(也叫位移酶)和GTP的作用下进行。包括3种相关的运动,即失去氨酰基的tRNA(或起始tRNA)离开P位;肽基tRNA由A位移至P位;核糖体沿mRNA朝3′端方向移动一个密码子的距离,mRNA上的下一个密码子处在核糖体的A位上

核糖体沿着mRNA链合成肽链示意图

。EF-Tu将氨酰tRNA带进A位后,即从核糖体上脱落下来,在另一延伸因子EF-Ts的帮助下能与GTP形成新的(EF-Tu.GTP)复合物,参与第2轮延伸循环(图3)。

在肽链延伸过程中,当第1个核糖体沿mRNA移动到离起始密码子较远(约40个核苷酸)时,第2个核糖体又与起始密码子结合并开始另一条新肽链的合成,同样第3、第4个核糖体相继与同一mRNA结合,从而形成多核糖体。体内蛋白质合成实际上是以多核糖体的形式进行的(图4)。

肽链合成的终止

3、终止

随着延伸循环的不断进行,肽链逐渐延长,最后,mRNA上的终止密码子(UAA、UAG和UGA)出现在核糖体的A位上,由于细胞内没有识别这些密码子的氨酰tRNA,因而肽链合成到此停止。此时,释放因子RF-1或RF-2和 RF-3在 GTP的参与下能够辨认并结合终止密码子,随之活化肽基转移酶并使其专一性发生变化,催化P位上的肽基tRNA的酯键水解,最后新生的肽链和脱去氨酰基的tRNA从核糖体上释放出来。释放因子还具有依赖核糖体的鸟苷三磷酸水解酶活性,它水解GTP,为释放因子脱离核糖体提供能量。游离的核糖体即可进入下一轮核糖体循环(图5)。  

新生肽链(蛋白质前体)的加工

由mRNA翻译出来的多肽链通常是没有生物活性的,称为蛋白质前体。前体经过加工改造才能成为有功能的蛋白质分子。前体的加工方式大致有以下几种:除去一般功能蛋白质N端所没有的甲酰甲硫氨酸(原核)或甲硫氨酸(真核);切除功能蛋白质中不需要的而存在于前体中的肽段;通过氧化新生肽链上的二个半胱氨酸巯基生成许多功能蛋白质(特别是酶)所必需的二硫键;以及蛋白质分子内某些氨基酸残基的修饰如磷酰化糖基化甲基化乙酰化和羟基化等等。  

蛋白质生物合成的调控

生物体内蛋白质合成的速度,主要在转录水平上,其次在翻译过程中进行调节控制。它受性别、激素细胞周期生长发育、健康状况和生存环境等多种因素及参与蛋白质合成的众多的生化物质变化的影响。由于原核生物的翻译与转录通常是偶联在一起的,且其mRNA的寿命短,因而蛋白质合成的速度主要由转录的速度决定。弱化作用是通过翻译产物的过量与不足首先影响转录,从而调节翻译速度的一种方式。mRNA的结构和性质也能调节蛋白质合成的速度。

真核起始因子对蛋白质生物合成的调控作用

真核生物转录与翻译不是偶联的,通常蛋白质合成的速度比原核生物慢。真核生物除了主要通过转录和转录后加工及mRNA的结构和性质(如帽子结构和多聚A尾巴等)(见信使核糖核酸)进行调控外,通过对珠蛋白生物合成研究表明,真核起始因子eIF-2是翻译速度的限制因子,因此影响eIF-2的因素能调节翻译的速度。用哺乳动物网织红细胞的无细胞制剂进行离体研究指出,当缺乏血红素时,因为无法形成血红蛋白,没有必要合成蛋白质。实验证明血红素的调控是通过一种称为血红素调控阻遏物(HCR)实现的。HCR有活泼和不活泼的两种状况。

血红素通过影响eIF-2对蛋白质进行调控。当血红素存在时,抑制了细胞蛋白质合成,而且还能促进通常不合成血红蛋白的细胞合成蛋白质,如促进肝癌细胞、海拉细胞和腹水瘤细胞无细胞制剂的蛋白质合成。  

蛋白质生物合成的抑制剂

蛋白质生物合成抑制剂

许多蛋白质生物合成抑制剂具有高度专一性,这对于研究合成机制很重要。许多临床有效的抗生素是通过特异抑制原核生物的蛋白质合成而发挥作用的,它们抑制细菌生长而不损害人体细胞。利用两类生物蛋白质合成的差异,可以找出治疗细菌感染引起的疾病的药物。表中列出一些较为重要的蛋白质生物合成抑制剂及其作用部位和专一性。

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