结构生物化学/核酸/翻译

在遗传学中，翻译是指将 mRNA 解码并翻译成多肽序列（也称为蛋白质）的过程。该过程先于 DNA 转录成 RNA。这种蛋白质合成方法由 RNA 指导，并在核糖体的帮助下完成。在翻译过程中，细胞解码 mRNA 的遗传信息并相应地组装新的多肽链。这个遗传信息由一系列密码子组成，密码子构成 mRNA 链。这个信息的翻译者是转移 RNA，或tRNA。tRNA 的主要功能是将游离氨基酸从细胞质转移到核糖体，在那里它被连接到正在生长的多肽链上。通常，细胞中充满了所有 20 种氨基酸，要么通过自身产生，要么从我们食用的食物中获得。核糖体将 tRNA 分子带来的氨基酸添加到正在生长的多肽链的末端。

核糖体

核糖体帮助协调tRNA 反密码子与mRNA 密码子在翻译过程中的结合。核糖体就像一台分子机器，可以解码 RNA 并使用这些信息构建包含精确氨基酸序列的多肽。核糖体的解码过程可以比作将一种语言翻译成另一种语言的语言翻译机。因此，核糖体可以被视为将 mRNA 密码的语言翻译成有意义的蛋白质序列，这些序列执行细胞的活动。在真核生物中，核糖体亚基是在细胞的核仁中产生的。核糖体由两个亚基组成：大亚基和小亚基。这些亚基由蛋白质和称为核糖体 RNA (rRNA)的 RNA 分子组成。原核生物和真核生物中的 rRNA 在许多方面有所不同。例如，真核生物的大亚基的大小为 60S，而原核生物的大小为 50S，这意味着原核生物的亚基更小。两个 50S 大亚基和 30S 小亚基可以形成 70S 核糖体。30S 亚基通过促进 mRNA 密码子与 tRNA 反密码子之间的碱基配对来同意同源氨酰 tRNA 的选择，而活性位点或 PTC 存在于 50S 亚基中。典型的 E. coli 细胞大约有 18,000 个核糖体。PTC 催化蛋白质延伸过程中的肽酰转移和终止过程中的肽酰 tRNA 水解。在体外，50S 亚基可以像整个 70S 核糖体一样快速地合成肽键，这表明存在催化剂。在人类健康中，核糖体可以作为药物的药物靶点，这些药物通过抑制病原体内的翻译而起作用，而不会影响宿主生物体。这在医学上很重要，因为链霉素和卡那霉素等抗生素靶向细菌的小亚基，同时保持较大的真核生物亚基不受影响。

核糖体的结构包含一个 mRNA 结合位点和三个 tRNA 结合位点。对于 tRNA，P 位点（肽酰 tRNA 位点）携带正在生长的多肽链，而 A 位点（氨酰 tRNA 位点）容纳携带下一个氨基酸的 tRNA，该氨基酸将被添加到正在生长的链中。E 位点（退出位点）是已卸下 tRNA 离开核糖体的位点。核糖体将这两个组分紧密地结合在一起，并将新的氨基酸定位在允许新的氨基酸添加到正在生长的多肽链的羧基端的方式。随着链的增长，它会穿过大核糖体亚基中的一个出口通道。链完成後，它会通过出口通道释放到细胞的胞质溶胶中。一个特别具有代表性的关于蛋白质翻译的视频展示了这个过程。

翻译

在翻译中，有三个主要步骤描述了蛋白质解码和合成过程。这些步骤按顺序称为起始、延伸和终止。

起始

翻译的第一步称为起始。在这个步骤中，mRNA、包含多肽第一个氨基酸的 tRNA 和两个核糖体亚基聚集在一起，开始这个过程。然后，小亚基结合到 mRNA 和特定的起始 tRNA，该 tRNA 包含氨基酸甲硫氨酸 (MET)。接下来，亚基沿着 mRNA 链扫描，直到它到达起始密码子 AUG，该密码子指示翻译过程的开始。起始密码子还建立了 mRNA 链的阅读框，这对合成蛋白质至关重要。阅读框的偏移会导致 mRNA 的错误翻译。然后，起始 tRNA 通过氢键结合到起始密码子上。

由 mRNA、起始 tRNA 和小核糖体亚基组成的复合体附着到大核糖体亚基上，从而完成起始复合体。这些组分在称为起始因子的蛋白质的帮助下聚集在一起，这些蛋白质在起始过程中与小核糖体亚基结合。此外，细胞消耗 GTP 能量来帮助形成起始复合体。起始复合体形成完成后，起始 tRNA 附着到核糖体的 P 位点，而空 A 位点已准备好接收下一个氨酰 tRNA。多肽总是从 N 端到 C 端的方向合成。

在细菌中，蛋白质合成的起始是由称为起始因子 (IF) 的蛋白质与小 30S 亚基结合开始的。随后是 fMet-tRNA 与其结合。（fmet 是在 N 端添加了甲酰基 (HCOO-) 的 Met，它后来被移除）。蛋白质合成的起始在细菌中需要三种小蛋白，称为起始因子 (IF1、IF2 和 IF3)。IF3 首先将 mRNA 和 30S 核糖体亚基结合在一起，从而允许核糖体结合位点在其上的 16S rRNA 上找到其互补位点。然后，IF1 结合并阻断 A 位点。与 GTP 结合的 IF2 然后将起始 N-甲酰甲硫氨酰 tRNA 运送到位于 P 位点的起始密码子。当起始 tRNA 就位时，IF3 被释放。然后，50S 亚基与 30S 亚基对接，GTP 被水解，IF1 和 IF2 也被释放。这个 Ifs-30S-fmet-tRNA 复合体现在与要翻译的 mRNA 结合。为了建立阅读框，细菌中的 mRNA 具有一个 8 个核苷酸的富含嘌呤的序列，称为 Shine-Delgarno 序列，该序列与小 (30S) 亚基的 rRNA 互补，并有助于 mRNA 初始与 30S 亚基复合体的结合。Shine-Delgarno 序列非常靠近 AUG 密码子，翻译从该密码子开始。Shine-Delgarno 序列存在于所有细菌中。

当大 (50S) 亚基与 Ifs-30S-fmet-tRNA 复合体结合时，翻译起始过程就完成了。50S 亚基的结合是一个需要能量的过程。首先，富含能量的 GTP 与另一种蛋白质 IF2（起始因子 2）结合，形成 GDP-IF2 复合体。GDP-IF2 复合体参与形成最终的蛋白质合成 70S 复合体。在真核生物中，参与了额外的起始因子 (IF)。

延伸

延伸过程从氨酰tRNA开始，它与延伸因子形成三元复合体，被送到A位点。进入的tRNA的反密码子与A位点mRNA密码子的互补碱基配对。tRNA连接到mRNA密码子编码的氨基酸。将密码子与氨基酸联系起来的代码被称为遗传密码。在这个过程中，需要延伸因子（细菌中为EF-Tu）。GTP水解成GDP的过程释放出PP_i，这对于准确有效地识别密码子是必要的。接下来，在A位点的新的氨基酸与正在生长的多肽的羧基之间形成新的肽键。肽的形成在大型亚基的rRNA分子的帮助下进行。现在，肽链已经延长了一个氨基酸。携带延长多肽链的tRNA被移动到P位点，而P位点的空tRNA被移动到E位点并离开。这个过程会重复用于下一个进入的tRNA和氨基酸：tRNA携带下一个氨基酸连接到A位点，配对，需要GTP水解成GDP的能量，肽键形成连接新的氨基酸到多肽链，然后进行适当的移动，空的tRNA移动并离开，以便再次进行“旅程”，携带延长多肽链的tRNA移动到P位点，在那里等待下一个进入的tRNA。因此，一个接一个地，一个氨基酸被添加到前面的氨基酸上。

释放因子识别并结合到A位点的终止密码子，激活P位点tRNA上多肽的水解和释放。连接到P位点tRNA上的多肽链的C末端受到水分子在酯碳上的攻击，因此释放了新合成的多肽。核糖体PTC催化酯键的氨解，其中A位点氨酰tRNA的α氨基攻击P位点肽酰tRNA的羰基。这是因为胺与酯反应更快，形成肽键。

注意: P位点之所以被称为P位点，是因为它只结合Peptidyl-tRNA分子，即固定着正在生长的多肽链的tRNA。A位点之所以被称为A位点，是因为它只结合进入的Aminoacyl-tRNA分子，即包含游离氨基酸的tRNA。

终止

当任何终止密码子（一个信号翻译结束的密码子）到达核糖体的A位点时，延伸过程就会停止。A位点不会接受任何进入的tRNA，从而使其能够自由地与释放因子结合。释放因子会水解tRNA和P位点多肽之间的键，释放多肽链。随后，当这两个核糖体亚基、释放因子和mRNA完成工作时，它们就会分离。多肽从mRNA模板上释放出来，并被允许折叠成其最终的3D构象。此外，核糖体到达编码区域的末端，而不是RNA的末端。因此，编码区域的末端由三个终止密码子之一标记。最后肽键的形成以及随后mRNA的易位导致E位点的tRNA被弹出，并且还将终止密码子带入A位点。

在细菌中，它们有两种I类释放因子，可以解码三个终止密码子：UAG、UAA和UGA。II类释放因子在肽酰tRNA水解后开始I类释放因子从终止后核糖体复合体中分离。在真核生物和古细菌中，它们有一种I类释放因子，可以解码所有三个终止密码子。

终止密码子	序列
RNA (DNA)	U(T)AA
RNA (DNA)	U(T)AG
RNA (DNA)	U(T)GA

真核生物特异性核糖体特征

显微镜研究表明，真核生物的40S和60S核糖体亚基在很大程度上类似于原核生物的30S和50S核糖体亚基。事实上，许多结构上的“地标”是保守的，包括一个中央突起、两个柄和一个沙门氏菌-蓖麻毒蛋白环（SRL）。然而，在真核生物和古细菌核糖体中，亚基在特定区域经历了重塑（例如，40S亚基被分成“头部”、“喙”、“平台”、“主体”、“肩部”、“左脚”和“右脚”区域）。蛋白质的添加主要发生在40S和60S真核生物亚基的溶剂暴露面上。关于40S亚基，rRNA扩展片段（ES）与各种真核生物特异性蛋白质成分形成网络，从而在亚基顶部形成结构连接。类似地，60S亚基的溶剂暴露面具有两个扩展区域，每个区域都包含高浓度的ES和真核生物特异性蛋白质元件。

真核生物特异性核糖体蛋白内的三级接触对于产生稳定的亚基构型至关重要。这些蛋白质及其延伸部分负责发生在两个亚基内的互连。在40S亚基内，rpS10、rpS12、rpS21和rpS7延伸部分的存在连接了11种蛋白质，形成了一个“菊花链”结构。同样，蛋白质调节的亚基连接非常普遍，真核生物特异性延伸部分形成了相互作用的网络。这产生了许多结构效应，包括β片和α螺旋的存在，它们可以切向延伸穿过核糖体亚基，与结构的远端区域相互作用。

原核生物翻译和真核生物翻译之间的差异

•总的来说，参与真核生物翻译的核糖体比它们在原核生物中的对应物大30%左右。

•相对于原核生物核糖体，真核生物核糖体需要大量的组装、成熟和起始因子。它们也受到很大程度的调控。虽然原核生物核糖体的组装和翻译起始受到少数非核糖体因子的影响，但真核生物核糖体的发育和翻译起始分别由大约200个成熟因子和至少9个起始因子来调节。

•在原核生物翻译中，P位点直接位于起始处的AUG，但在真核生物翻译中，核糖体亚基会扫描链，直到到达AUG。

•原核生物翻译的起始是由Shine-Dalgarno (SD)序列的存在引发的，Shine-Dalgarno (SD)序列是一系列短的碱基对，它们识别并结合到位于核糖体内16S rRNA亚基末端的反SD序列。另一方面，真核生物翻译不涉及Shine-Dalgarno (SD)序列，而是依靠一种称为“扫描机制”的机制中的Poly-A-Binding Protein (PABP)。

•真核生物翻译中的起始氨基酸是甲硫氨酸。相反，原核生物翻译中的起始氨基酸是N-甲酰甲硫氨酸 (fMet)。

提高翻译速度

大多数蛋白质在20秒到几分钟内合成。可以通过多种不同的过程来加快这一过程。

•一个mRNA可以被多个核糖体结合，每个核糖体合成它自己的蛋白质。

•核糖体亚基可以被细胞迅速回收。一旦核糖体到达mRNA链3'末端的终止密码子，亚基就可以重新连接到开头，立即开始合成新的蛋白质。

•多聚核糖体：多聚核糖体是一簇与环状mRNA分子结合的核糖体。两种蛋白质结合到5'-CAP和Poly A尾部，使mRNA成为环状。EIF4结合到5-CAP，而Poly A Binding Protein I (PABPI)结合到Poly A尾部。这两种蛋白质结合在一起，使mRNA成为环状，这有助于提高翻译效率。多聚核糖体中的核糖体可以从5'端向下移动到3'端，并且只有很短的距离跳转才能回到mRNA链5'端的开头，并重复翻译。

翻译中的无义突变

无义突变是DNA序列中的点突变（单碱基替换/单核苷酸突变），它在序列中引入了过早的终止密码子。例如，如果一个序列为5' U A C 3'的密码子编码酪氨酸，它发生了无义突变，C变成了G，新的密码子将是5' U A G 3'，它编码一个终止密码子，从而截断蛋白质。如果发生无义突变，细胞可以通过无义介导的衰变来应对。

无义介导的衰变 (NMD) 会降解带有无义突变的 mRNA。该 mRNA 会首先进行一轮翻译，细胞会因提前终止密码子而识别出错误，并降解该 mRNA。无义突变通过位于 mRNA 上的外显子连接复合物 (EJC) 进行识别。

外显子连接复合物 (EJC) 只是在两个外显子连接处物理结合的蛋白质。在翻译过程中，当核糖体沿着 mRNA 链移动时，EJC 会在与核糖体接触时被“撞掉”。如果翻译因提前终止密码子而过早停止，EJC 会保留在 mRNA 上，不会被移除。这向细胞发出错误信号，允许无义介导的衰变降解 mRNA。

无义介导的衰变并不一定总是良性的。它不会检查截短的蛋白质是否具有功能，而是只寻找链上的无义突变。囊性纤维化疾病就是一个例子。

囊性纤维化是由“囊性纤维化跨膜传导调节因子”（CFTR）基因中的无义突变引起的，该基因编码氯离子通道。没有囊性纤维化的人拥有两个正常工作的 CFTR 基因，只需要一个基因就能预防该疾病。CFTR 无义突变会产生截短的蛋白质，细胞会对此做出无义介导的衰变反应，降解 CFTR mRNA。CFTR mRNA 的降解会导致 CFTR 通道数量极少或根本没有，从而导致囊性纤维化。然而，科学家们发现，由于提前终止密码子而产生的截短蛋白仍然可以作为 CFTR 通道发挥功能。在这种情况下，旨在保护身体的反应最终却伤害了身体。

参考文献

Slonczewski, Joan L. Microbiology. "An Evolving Science." 第二版。Klinge, Sebastian; Voigts-Hoffmann, Felix; Leibundgut, Marc; Ban, Nenad. "真核生物核糖体的原子结构"。生物化学趋势 doi:10.1016/j.tibs.2012.02.007（第 37 卷第 5 期第 189-198 页）