對(duì)“翻譯”過(guò)程中幾個(gè)問(wèn)題的探討

葉 平

(江蘇省南京市第五高級(jí)中學(xué) 210004)

蛋白質(zhì)的合成包括“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”兩個(gè)階段。其中“翻譯”是在核糖體上進(jìn)行的、以mRNA為模板合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)(多肽)的過(guò)程。以下對(duì)該內(nèi)容的幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行探討。

1 細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA有多少種

tRNA的作用是攜帶氨基酸進(jìn)入核糖體，并使氨基酸按mRNA上的密碼子的順序“對(duì)號(hào)入座”。tRNA一端的反密碼子與mRNA上的密碼子通過(guò)堿基互補(bǔ)配對(duì)而相互識(shí)別，但在tRNA中，有一些反密碼子與密碼子的配對(duì)并非嚴(yán)格地一一對(duì)應(yīng)。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(gòu)成。翻譯時(shí)反密碼子與密碼子的堿基在配對(duì)區(qū)內(nèi)的鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?圖1)[1]。

圖1 反密碼子對(duì)密碼子的識(shí)別

在反密碼子與密碼子配成的三個(gè)堿基對(duì)中，有兩對(duì)(密碼子堿基1、2與反密碼子堿基3、2)嚴(yán)格遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，而反密碼子的第1個(gè)堿基(5′端)與密碼子的第3個(gè)堿基(3′端)的配對(duì)具有一定的變通性(柔性)，克里克(Crick)將這種變通性稱為“擺動(dòng)”，具體的配對(duì)方式見(jiàn)表1[2]。

表1 反密碼子的5′端與密碼子的3′端的堿基配對(duì)

由表1可見(jiàn)：反密碼子能夠識(shí)別多少個(gè)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(shí)，只能識(shí)別一種密碼子；第1位堿基為G或U時(shí)，可以識(shí)別兩種密碼子；第1位堿基為I時(shí)，可以識(shí)別三種密碼子[1]。由于密碼子的第三個(gè)堿基允許有某種程度的擺動(dòng)性，所以某些tRNA的反密碼子可以識(shí)別一個(gè)以上的密碼子(幾種同義密碼子)。可見(jiàn)，編碼20種不同的氨基酸的61個(gè)密碼子并不需要61個(gè)反密碼子來(lái)識(shí)別，即反密碼子的個(gè)數(shù)少于61。因此，在細(xì)胞中的tRNA的種數(shù)也少于61種。由于密碼子與反密碼子配對(duì)時(shí)第3位堿基的擺動(dòng)，對(duì)照遺傳密碼表，在理論上可以推測(cè)：當(dāng)反密碼子的5′端堿基是I(次黃嘌呤)時(shí)，最少只需要32種tRNA(反密碼子)來(lái)對(duì)應(yīng)64種密碼子[2]。

根據(jù)現(xiàn)有的資料，在原核生物中有30～45種tRNA，真核細(xì)胞中可能存在50種tRNA[1]。

2 肽鏈合成終止階段對(duì)終止密碼子的識(shí)別是tRNA嗎

遺傳密碼表有3個(gè)終止密碼子：UAA、UAG、UGA，它們是肽鏈合成的終止信號(hào)。終止密碼子一般不能被任何的tRNA識(shí)別，但能被特殊的蛋白質(zhì)(釋放因子)識(shí)別。在肽鏈延伸的過(guò)程中，核糖體沿mRNA由5′→3′移動(dòng)，當(dāng)終止密碼進(jìn)入核糖體A位時(shí)，釋放因子能識(shí)別這些密碼子并與之結(jié)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(jié)束。釋放因子有兩類：Ⅰ類釋放因子識(shí)別終止密碼子，并能催化新合成的多肽鏈從P位點(diǎn)的tRNA上水解釋放出來(lái)；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(lái)[1]。

在終止階段，當(dāng)終止密碼出現(xiàn)在核糖體A位時(shí)，既沒(méi)有攜帶氨基酸的tRNA接上去，也沒(méi)有某種不帶氨基酸的tRNA和終止密碼子配對(duì)[3]。

3 連接在tRNA 3′末端的氨基酸對(duì)密碼子的識(shí)別有無(wú)影響

由以下實(shí)驗(yàn)可以說(shuō)明：在無(wú)細(xì)胞蛋白質(zhì)合成體系中，用多聚(UG)為模板進(jìn)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(yīng)含有半胱氨酸(Cys)，而不含丙氨酸(Ala)。若在這個(gè)體系中加入“雜化”分子*Ala-tRNACys(體外用14C標(biāo)記半胱氨酸-tRNA復(fù)合物中的半胱氨酸，得到*Cys-tRNACys，再用無(wú)機(jī)催化劑鎳將其中的Cys還原成Ala，即得到“雜化”的分子*Ala-tRNACys)，結(jié)果合成的多肽鏈中就有丙氨酸摻入，說(shuō)明在“雜化”分子*Ala-tRNACys上，雖然tRNA攜帶的氨基酸發(fā)生了變化，但其仍可以識(shí)別半胱氨酸的密碼子。進(jìn)一步用血紅蛋白mRNA作模板，在血紅蛋白合成過(guò)程中加入“雜化”的分子*Ala-tRNACys。然后，對(duì)合成的血紅蛋白用胰蛋白酶水解，分析水解后的肽段，發(fā)現(xiàn)原來(lái)含有半胱氨酸的肽段中有同位素標(biāo)記的丙氨酸，而原來(lái)含有丙氨酸的肽段中卻沒(méi)有同位素14C標(biāo)記的丙氨酸[3]。

實(shí)驗(yàn)表明，tRNA上攜帶的氨基酸對(duì)密碼子的識(shí)別沒(méi)有影響，對(duì)密碼子的識(shí)別過(guò)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(kāi)始還是從羧基端開(kāi)始

多肽鏈?zhǔn)蔷哂蟹较蛐缘摹Ｔ诙嚯暮铣傻膱D示中，由于習(xí)慣上將每個(gè)氨基酸的氨基寫在α-C原子的左側(cè)，羧基寫在α-C原子右側(cè)，縮合反應(yīng)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(guī)定了多肽鏈合成的方向。那么在核糖體立體的微空間內(nèi)，真實(shí)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(kāi)始，還是從羧基端(C端)開(kāi)始的？

血紅蛋白中含有較多亮氨酸，有人用3H標(biāo)記的亮氨酸，分析了兔網(wǎng)織紅細(xì)胞在無(wú)細(xì)胞體系中血紅蛋白生物合成的過(guò)程。在血紅蛋白合成開(kāi)始后，加入用3H標(biāo)記的亮氨酸，每隔一段時(shí)間后取樣分析。將帶有標(biāo)記的蛋白質(zhì)分離出來(lái)，用胰蛋白酶水解血紅蛋白，得到長(zhǎng)短不一的許多小肽。用紙層析法分離這些小肽，檢測(cè)帶標(biāo)記的氨基酸在各種小肽內(nèi)的分布情況，發(fā)現(xiàn)放射性氨基酸的含量是羧基端遠(yuǎn)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(biāo)記的實(shí)驗(yàn)表明：多肽鏈的合成的方向是從氨基端(N端)開(kāi)始向羧基端(C端)延伸的。