對“翻譯”過程中幾個問題的探討

葉 平

(江蘇省南京市第五高級中學 210004)

蛋白質的合成包括“轉錄”和“翻譯”兩個階段。其中“翻譯”是在核糖體上進行的、以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(多肽)的過程。以下對該內容的幾個知識點進行探討。

1 細胞內轉運氨基酸的tRNA有多少種

tRNA的作用是攜帶氨基酸進入核糖體，并使氨基酸按mRNA上的密碼子的順序“對號入座”。tRNA一端的反密碼子與mRNA上的密碼子通過堿基互補配對而相互識別，但在tRNA中，有一些反密碼子與密碼子的配對并非嚴格地一一對應。在tRNA中，除了有A、U、G、C四種堿基，還有一些稀有堿基，其中的I堿基(次黃嘌呤)參與了反密碼子5′端堿基的構成。翻譯時反密碼子與密碼子的堿基在配對區內的鏈是反向平行的(圖1)[1]。

圖1 反密碼子對密碼子的識別

在反密碼子與密碼子配成的三個堿基對中，有兩對(密碼子堿基1、2與反密碼子堿基3、2)嚴格遵守堿基互補配對原則，而反密碼子的第1個堿基(5′端)與密碼子的第3個堿基(3′端)的配對具有一定的變通性(柔性)，克里克(Crick)將這種變通性稱為“擺動”，具體的配對方式見表1[2]。

表1 反密碼子的5′端與密碼子的3′端的堿基配對

由表1可見：反密碼子能夠識別多少個密碼子是由反密碼子的第1位(5′端)堿基決定的：第1位堿基為A或C時，只能識別一種密碼子；第1位堿基為G或U時，可以識別兩種密碼子；第1位堿基為I時，可以識別三種密碼子[1]。由于密碼子的第三個堿基允許有某種程度的擺動性，所以某些tRNA的反密碼子可以識別一個以上的密碼子(幾種同義密碼子)。可見，編碼20種不同的氨基酸的61個密碼子并不需要61個反密碼子來識別，即反密碼子的個數少于61。因此，在細胞中的tRNA的種數也少于61種。由于密碼子與反密碼子配對時第3位堿基的擺動，對照遺傳密碼表，在理論上可以推測：當反密碼子的5′端堿基是I(次黃嘌呤)時，最少只需要32種tRNA(反密碼子)來對應64種密碼子[2]。

根據現有的資料，在原核生物中有30～45種tRNA，真核細胞中可能存在50種tRNA[1]。

2 肽鏈合成終止階段對終止密碼子的識別是tRNA嗎

遺傳密碼表有3個終止密碼子：UAA、UAG、UGA，它們是肽鏈合成的終止信號。終止密碼子一般不能被任何的tRNA識別，但能被特殊的蛋白質(釋放因子)識別。在肽鏈延伸的過程中，核糖體沿mRNA由5′→3′移動，當終止密碼進入核糖體A位時，釋放因子能識別這些密碼子并與之結合，水解P位上多肽鏈與tRNA之間的二酯鍵，于是新合成的肽鏈和tRNA從核糖體上釋放，核糖體大、小亞基解體，肽鏈的合成結束。釋放因子有兩類：Ⅰ類釋放因子識別終止密碼子，并能催化新合成的多肽鏈從P位點的tRNA上水解釋放出來；Ⅱ類釋放因子在多肽鏈釋放后刺激Ⅰ類釋放因子從核糖體中解離出來[1]。

在終止階段，當終止密碼出現在核糖體A位時，既沒有攜帶氨基酸的tRNA接上去，也沒有某種不帶氨基酸的tRNA和終止密碼子配對[3]。

3 連接在tRNA 3′末端的氨基酸對密碼子的識別有無影響

由以下實驗可以說明：在無細胞蛋白質合成體系中，用多聚(UG)為模板進行多肽合成。由于在此模板上有半胱氨酸的密碼子UGU，不含丙氨酸的密碼子GCX(X可以為U、C、A、G)，故在一般情況下，合成的肽鏈中應含有半胱氨酸(Cys)，而不含丙氨酸(Ala)。若在這個體系中加入“雜化”分子*Ala-tRNACys(體外用14C標記半胱氨酸-tRNA復合物中的半胱氨酸，得到*Cys-tRNACys，再用無機催化劑鎳將其中的Cys還原成Ala，即得到“雜化”的分子*Ala-tRNACys)，結果合成的多肽鏈中就有丙氨酸摻入，說明在“雜化”分子*Ala-tRNACys上，雖然tRNA攜帶的氨基酸發生了變化，但其仍可以識別半胱氨酸的密碼子。進一步用血紅蛋白mRNA作模板，在血紅蛋白合成過程中加入“雜化”的分子*Ala-tRNACys。然后，對合成的血紅蛋白用胰蛋白酶水解，分析水解后的肽段，發現原來含有半胱氨酸的肽段中有同位素標記的丙氨酸，而原來含有丙氨酸的肽段中卻沒有同位素14C標記的丙氨酸[3]。

實驗表明，tRNA上攜帶的氨基酸對密碼子的識別沒有影響，對密碼子的識別過程中tRNA分子本身起著決定作用。

4 多肽鏈合成的方向是從氨基端開始還是從羧基端開始

多肽鏈是具有方向性的。在多肽合成的圖示中，由于習慣上將每個氨基酸的氨基寫在α-C原子的左側，羧基寫在α-C原子右側，縮合反應是由前面的氨基酸的羧基與后面的氨基酸的氨基“就近”脫水縮合形成了肽鍵，這樣就“人為”規定了多肽鏈合成的方向。那么在核糖體立體的微空間內，真實的多肽鏈合成的方向是怎樣的呢？即多肽的合成是從氨基端(N端)開始，還是從羧基端(C端)開始的？

血紅蛋白中含有較多亮氨酸，有人用3H標記的亮氨酸，分析了兔網織紅細胞在無細胞體系中血紅蛋白生物合成的過程。在血紅蛋白合成開始后，加入用3H標記的亮氨酸，每隔一段時間后取樣分析。將帶有標記的蛋白質分離出來，用胰蛋白酶水解血紅蛋白，得到長短不一的許多小肽。用紙層析法分離這些小肽，檢測帶標記的氨基酸在各種小肽內的分布情況，發現放射性氨基酸的含量是羧基端遠高于氨基端，而且從氨基端至羧基端的放射性逐漸增加[3]。

放射性同位素標記的實驗表明：多肽鏈的合成的方向是從氨基端(N端)開始向羧基端(C端)延伸的。