轉(zhuǎn)譯
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轉(zhuǎn)譯（translation）又稱(chēng)“翻譯”，是生物按照從脫氧核糖核酸（DNA）轉(zhuǎn)錄得到的信使核糖核酸（mRNA）上的遺傳信息合成蛋白質(zhì)的過(guò)程。即以信使核糖核酸為模板，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過(guò)程。由于mRNA上的遺傳信息是以密碼（見(jiàn)遺傳密碼）形式存在的，只有合成為蛋白質(zhì)才能表達(dá)出生物性狀，因此將蛋白質(zhì)生物合成比擬為轉(zhuǎn)譯或翻譯。
蛋白質(zhì)生物合成包括氨基酸的活化及其與專(zhuān)一轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）的連接；肽鏈的合成（包括起始、延伸和終止）和新生肽鏈加工成為成熟的蛋白質(zhì)3大步驟。其中心環(huán)節(jié)是肽鏈的合成。蛋白質(zhì)生物合成需核糖體、mRNA、tRNA、氨酰轉(zhuǎn)移核糖核酸（氨酰tRNA）合成酶、可溶性蛋白質(zhì)因子等大約200多種生物大分子協(xié)同作用來(lái)完成。
轉(zhuǎn)譯的過(guò)程是：細(xì)胞核中DNA的某一區(qū)段轉(zhuǎn)錄出來(lái)的mRNA從核孔穿出來(lái)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)中，與核糖體結(jié)合起來(lái)。蛋白質(zhì)合成就在核糖體進(jìn)行。蛋白質(zhì)開(kāi)始合成時(shí)，首先核糖體與mRNA結(jié)合在一起，核糖體附著在mRNA的一端（起動(dòng)部位），然后沿著mRNA從5′3′方向移動(dòng)（當(dāng)核糖體向前移動(dòng)不久，另一個(gè)核糖體又結(jié)合上去，所以一個(gè)mRNA可以有多個(gè)核糖體連續(xù)上去）。同時(shí)，游離在細(xì)胞質(zhì)中的tRNA把它攜帶的特定氨基酸放在核糖體的mRNA的相應(yīng)位置上，然后tRNA離開(kāi)核糖體，再去搬運(yùn)相應(yīng)的氨基酸，這樣，按照mRNA上的遺傳密碼，一個(gè)個(gè)由tRNA運(yùn)來(lái)的氨基酸互相連接而成為一條多肽鏈，在合成開(kāi)始時(shí)，總是攜帶甲硫氨酸的tRNA先進(jìn)入核糖體，接著帶有第二個(gè)氨基酸的tRNA才進(jìn)入，此時(shí)帶甲硫氨酸的tRNA把甲硫氨酸卸下，放在mRNA的起始密碼位置上，然后自己離開(kāi)核糖體，甲硫氨酸的－COOH端與第二個(gè)氨基酸的-NH2形成肽鍵。接著攜帶第三個(gè)氨基酸的tRNA進(jìn)入核糖體，第二個(gè)氨基酸的－COOH又與第三個(gè)氨基酸的-NH2形成肽鍵。第二個(gè)tRNA又離開(kāi)核糖體，再去搬運(yùn)相應(yīng)的氨基酸，第四個(gè)氨基酸的tRNA即進(jìn)入核糖體。tRNA進(jìn)入核糖體的順序，是由mRNA的遺傳密碼決定的。就這樣，反復(fù)不已，直到碰到mRNA上的終止密碼時(shí)，肽鏈的合成才結(jié)束。mRNA的遺傳密碼便翻譯為一條多肽鏈，當(dāng)一條多肽鏈合成完畢后，核糖體將多肽鏈釋放下來(lái)，多肽鏈經(jīng)過(guò)盤(pán)曲，折疊形成具有一定空間結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子，同時(shí)核糖體也從mRNA上脫落下來(lái)，再重新與mRNA結(jié)合，參加下一次蛋白質(zhì)的合成，一條mRNA可以有多個(gè)核糖體在上面滑動(dòng)，一個(gè)核糖體可以合成一個(gè)蛋白質(zhì)分子，所以，一個(gè)mRNA可以同時(shí)合成多條多肽鏈。
目錄 |
氨基酸的活化及其與專(zhuān)一tRNA的連接
生物體內(nèi)的氨基酸不能直接反應(yīng)生成肽鏈，而首先由特異性的氨酞tRNA合成酶催化活化的氨基酸的羧基與其對(duì)應(yīng)的tRNA的3′端羥基反應(yīng)，生成含高能酯鍵的氨酰tRNA。氨酰基可連接到tRNA3′端腺苷的3′-羥基（圖 1）或2′-羥基上，并可在兩者之間迅速移動(dòng)，達(dá)到一個(gè)平衡。
氨基酸與tRNA反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程分兩步進(jìn)行（見(jiàn)轉(zhuǎn)移核糖核酸），其總反應(yīng)式表示如下：
氨基酸+ATP＋tRNA氨酰tRNA＋AMP＋Ppi
上述反應(yīng)都是在氨酰tRNA合酶催化下進(jìn)行的。此酶具有高度專(zhuān)一性，每種氨基酸至少有一種氨酰tRNA合成酶。不同氨酰tRNA合成酶在大小、亞基結(jié)構(gòu)和氨基酸組成上各不相同，其分子量大多在85 000～110 000之間，其中有些酶已制得結(jié)晶。
肽鏈的合成
肽鏈的合成分3個(gè)步驟：起始、延伸、終止。合成方向從氨基端（N端）向羧基端（C端）進(jìn)行。 mRNA的翻譯方向則是從5′端→3′端。
1、起始
無(wú)論原核生物還是真核生物都是先由起始因子、鳥(niǎo)三磷（GTP）、核糖體、mRNA和氨酰tRNA形成起始復(fù)合物。起始密碼子都是AUG（或GUG）。
原核生物蛋白質(zhì)生物合成的起始因子有3種——IF－1、IF－2和IF－3，參與起始的氨酰tRNA（也叫起始tRNA）是甲酰甲硫氨酰tRNA（fMet－tRN
AfMet），其中甲酰基是在甲酰化酶催化下加到甲硫氨酰tRNA上的。起始過(guò)程分以下3步：①70S核糖體在起始因子IF－3和IF－1作用下解離，產(chǎn)生30S和50S兩個(gè)亞基。②30S亞基與mRNA起始密碼子部位結(jié)合，fMet－tRNAfMet在IF－2作用下，并有GTP參與，進(jìn)入30S亞基，釋放出IF－3，形成30S起始復(fù)合物。在這個(gè)復(fù)合物中，fMet－tRNAfMet上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子（翻譯開(kāi)始的信號(hào)）之間形成互補(bǔ)堿基對(duì)。③30S起始復(fù)合物與50S亞基結(jié)合，IF－2（具有依賴(lài)于核糖體的GTP水解酶活性）水解GTP，產(chǎn)生GDP和無(wú)機(jī)磷，并釋放出能量，使IF－2，IF－1和GDP等從復(fù)合物中釋放出來(lái)，形成70S起始復(fù)合物（包括70S核糖體、mRNA和fMet－tRNAfMet）。這時(shí)，fMet－tRNAfMet占據(jù)核糖體上的肽基-tRNA位置（P位）。70S起始復(fù)合物巳具備了肽鏈延伸的條件（圖2）。
真核生物肽鏈合成的起始因子比原核的多（如兔網(wǎng)織細(xì)胞至少有9種），起始tRNA是甲硫氨酰tRNA（Met－tRNAMet），不同于原核生物的fMet－tRNAfMet。起始基本步驟與原核生物的相同，也包括核糖體的解離，小亞基（40S）起始復(fù)合物的形成和肽鏈起始復(fù)合物（80S）的形成。主要區(qū)別在于真核生物的核糖體小亞基先與氨酰化的起始tRNA結(jié)合，然后再與mRNA結(jié)合；而原核生物核糖體小亞基在形成起始復(fù)合物時(shí)則先與mRNA結(jié)合，再與起始tRNA結(jié)合。
2、延伸
經(jīng)許多延伸循環(huán)使肽鏈延長(zhǎng)的過(guò)程。每次循環(huán)使核糖體沿mRNA移動(dòng)一個(gè)密碼子（3個(gè)核苷酸）的距離，并使新生肽鏈加上一個(gè)氨基酸。除某些細(xì)節(jié)外，原核和真核生物的延伸循環(huán)大致相同，但前者的延伸因子有EF－Tu、EF－Ts和EF－G，后者則是EF－1和EF－2。每次循環(huán)包括以下3步：①氨酰tRNA與核糖體的結(jié)合。EF－Tu與GTP首先結(jié)合形成復(fù)合物，該復(fù)合物能與除fMet-tRNAfMet外的任何氨酰tRNA相結(jié)合，然后由處于核糖體起始復(fù)合物上A位的mRNA的密碼子選擇帶有與其對(duì)應(yīng)的反密碼子的氨酞tRNA進(jìn)入A位，反密碼子與密碼子通過(guò)氫鍵形成堿基對(duì)。②肽鍵的形成。由于fMet－tRNAfMet占據(jù)了核糖體的P位，氨酰tRNA占據(jù)了核糖體的A位，在核糖體上的肽基轉(zhuǎn)移酶催化下，fMet－tRNAfMet上的甲酰甲硫氨酸的α-羧基與氨酞tRNA上氨基酸的α-氨基之間形成肽鍵。此時(shí)，P位上的起始tRNA（tRNAfMet）不攜帶氨基酸，而A位上的tRNA的3′端則帶有一個(gè)肽，稱(chēng)作肽基tRNA。許多證據(jù)表明，肽基轉(zhuǎn)移酶是核糖體大亞基（為核糖體上的一個(gè)區(qū)域，由許多大分子協(xié)同作用的結(jié)果。不需要可溶性蛋白因子和GTP參與），真核生物肽鍵形成過(guò)程與原核生物基本步驟相同。但由于對(duì)不同的抑制劑的敏感程度不同，因而兩類(lèi)生物的肽基轉(zhuǎn)移酶活性中心的結(jié)構(gòu)可能有差異。③位移。在EF－G（也叫位移酶）和GTP的作用下進(jìn)行。包括3種相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，即失去氨酰基的tRNA（或起始tRNA）離開(kāi)P位；肽基tRNA由A位移至P位；核糖體沿mRNA朝3′端方向移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，mRNA上的下一個(gè)密碼子處在核糖體的A位上
。EF－Tu將氨酰tRNA帶進(jìn)A位后，即從核糖體上脫落下來(lái)，在另一延伸因子EF－Ts的幫助下能與GTP形成新的（EF－Tu.GTP）復(fù)合物，參與第2輪延伸循環(huán)（圖3）。
在肽鏈延伸過(guò)程中，當(dāng)?shù)?個(gè)核糖體沿mRNA移動(dòng)到離起始密碼子較遠(yuǎn)（約40個(gè)核苷酸）時(shí)，第2個(gè)核糖體又與起始密碼子結(jié)合并開(kāi)始另一條新肽鏈的合成，同樣第3、第4個(gè)核糖體相繼與同一mRNA結(jié)合，從而形成多核糖體。體內(nèi)蛋白質(zhì)合成實(shí)際上是以多核糖體的形式進(jìn)行的（圖4）。
3、終止
隨著延伸循環(huán)的不斷進(jìn)行，肽鏈逐漸延長(zhǎng)，最后，mRNA上的終止密碼子（UAA、UAG和UGA）出現(xiàn)在核糖體的A位上，由于細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有識(shí)別這些密碼子的氨酰tRNA，因而肽鏈合成到此停止。此時(shí)，釋放因子RF－1或RF－2和 RF－3在 GTP的參與下能夠辨認(rèn)并結(jié)合終止密碼子，隨之活化肽基轉(zhuǎn)移酶并使其專(zhuān)一性發(fā)生變化，催化P位上的肽基tRNA的酯鍵水解，最后新生的肽鏈和脫去氨酰基的tRNA從核糖體上釋放出來(lái)。釋放因子還具有依賴(lài)核糖體的鳥(niǎo)苷三磷酸水解酶活性，它水解GTP，為釋放因子脫離核糖體提供能量。游離的核糖體即可進(jìn)入下一輪核糖體循環(huán)（圖5）。
新生肽鏈（蛋白質(zhì)前體）的加工
由mRNA翻譯出來(lái)的多肽鏈通常是沒(méi)有生物活性的，稱(chēng)為蛋白質(zhì)前體。前體經(jīng)過(guò)加工改造才能成為有功能的蛋白質(zhì)分子。前體的加工方式大致有以下幾種：除去一般功能蛋白質(zhì)N端所沒(méi)有的甲酰甲硫氨酸（原核）或甲硫氨酸（真核）；切除功能蛋白質(zhì)中不需要的而存在于前體中的肽段；通過(guò)氧化新生肽鏈上的二個(gè)半胱氨酸的巰基生成許多功能蛋白質(zhì)（特別是酶）所必需的二硫鍵；以及蛋白質(zhì)分子內(nèi)某些氨基酸殘基的修飾如磷酰化、糖基化、甲基化。乙酰化和羥基化等等。
蛋白質(zhì)生物合成的調(diào)控
生物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的速度，主要在轉(zhuǎn)錄水平上，其次在翻譯過(guò)程中進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。它受性別、激素、細(xì)胞周期、生長(zhǎng)發(fā)育、健康狀況和生存環(huán)境等多種因素及參與蛋白質(zhì)合成的眾多的生化物質(zhì)變化的影響。由于原核生物的翻譯與轉(zhuǎn)錄通常是偶聯(lián)在一起的，且其mRNA的壽命短，因而蛋白質(zhì)合成的速度主要由轉(zhuǎn)錄的速度決定。弱化作用是通過(guò)翻譯產(chǎn)物的過(guò)量與不足首先影響轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)節(jié)翻譯速度的一種方式。mRNA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也能調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)合成的速度。
真核生物轉(zhuǎn)錄與翻譯不是偶聯(lián)的，通常蛋白質(zhì)合成的速度比原核生物慢。真核生物除了主要通過(guò)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后加工及mRNA的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（如帽子結(jié)構(gòu)和多聚A尾巴等）（見(jiàn)信使核糖核酸）進(jìn)行調(diào)控外，通過(guò)對(duì)珠蛋白生物合成研究表明，真核起始因子eIF－2是翻譯速度的限制因子，因此影響eIF－2的因素能調(diào)節(jié)翻譯的速度。用哺乳動(dòng)物網(wǎng)織紅細(xì)胞的無(wú)細(xì)胞制劑進(jìn)行離體研究指出，當(dāng)缺乏血紅素時(shí)，因?yàn)闊o(wú)法形成血紅蛋白，沒(méi)有必要合成蛋白質(zhì)。實(shí)驗(yàn)證明血紅素的調(diào)控是通過(guò)一種稱(chēng)為血紅素調(diào)控阻遏物（HCR）實(shí)現(xiàn)的。HCR有活潑和不活潑的兩種狀況。
血紅素通過(guò)影響eIF－2對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)血紅素存在時(shí)，抑制了細(xì)胞蛋白質(zhì)合成，而且還能促進(jìn)通常不合成血紅蛋白的細(xì)胞合成蛋白質(zhì)，如促進(jìn)肝癌細(xì)胞、海拉細(xì)胞和腹水瘤細(xì)胞無(wú)細(xì)胞制劑的蛋白質(zhì)合成。
蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑
許多蛋白質(zhì)生物合成抑制劑具有高度專(zhuān)一性，這對(duì)于研究合成機(jī)制很重要。許多臨床有效的抗生素是通過(guò)特異抑制原核生物的蛋白質(zhì)合成而發(fā)揮作用的，它們抑制細(xì)菌生長(zhǎng)而不損害人體細(xì)胞。利用兩類(lèi)生物蛋白質(zhì)合成的差異，可以找出治療細(xì)菌感染引起的疾病的藥物。表中列出一些較為重要的蛋白質(zhì)生物合成抑制劑及其作用部位和專(zhuān)一性。
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