对“翻译”过程中几个问题的探讨

叶 平

(江苏省南京市第五高级中学 210004)

蛋白质的合成包括“转录”和“翻译”两个阶段。其中“翻译”是在核糖体上进行的、以mRNA为模板合成具有一定氨基酸顺序的蛋白质(多肽)的过程。以下对该内容的几个知识点进行探讨。

1 细胞内转运氨基酸的tRNA有多少种

tRNA的作用是携带氨基酸进入核糖体，并使氨基酸按mRNA上的密码子的顺序“对号入座”。tRNA一端的反密码子与mRNA上的密码子通过碱基互补配对而相互识别，但在tRNA中，有一些反密码子与密码子的配对并非严格地一一对应。在tRNA中，除了有A、U、G、C四种碱基，还有一些稀有碱基，其中的I碱基(次黄嘌呤)参与了反密码子5′端碱基的构成。翻译时反密码子与密码子的碱基在配对区内的链是反向平行的(图1)[1]。

图1 反密码子对密码子的识别

在反密码子与密码子配成的三个碱基对中，有两对(密码子碱基1、2与反密码子碱基3、2)严格遵守碱基互补配对原则，而反密码子的第1个碱基(5′端)与密码子的第3个碱基(3′端)的配对具有一定的变通性(柔性)，克里克(Crick)将这种变通性称为“摆动”，具体的配对方式见表1[2]。

表1 反密码子的5′端与密码子的3′端的碱基配对

由表1可见：反密码子能够识别多少个密码子是由反密码子的第1位(5′端)碱基决定的：第1位碱基为A或C时，只能识别一种密码子；第1位碱基为G或U时，可以识别两种密码子；第1位碱基为I时，可以识别三种密码子[1]。由于密码子的第三个碱基允许有某种程度的摆动性，所以某些tRNA的反密码子可以识别一个以上的密码子(几种同义密码子)。可见，编码20种不同的氨基酸的61个密码子并不需要61个反密码子来识别，即反密码子的个数少于61。因此，在细胞中的tRNA的种数也少于61种。由于密码子与反密码子配对时第3位碱基的摆动，对照遗传密码表，在理论上可以推测：当反密码子的5′端碱基是I(次黄嘌呤)时，最少只需要32种tRNA(反密码子)来对应64种密码子[2]。

根据现有的资料，在原核生物中有30～45种tRNA，真核细胞中可能存在50种tRNA[1]。

2 肽链合成终止阶段对终止密码子的识别是tRNA吗

遗传密码表有3个终止密码子：UAA、UAG、UGA，它们是肽链合成的终止信号。终止密码子一般不能被任何的tRNA识别，但能被特殊的蛋白质(释放因子)识别。在肽链延伸的过程中，核糖体沿mRNA由5′→3′移动，当终止密码进入核糖体A位时，释放因子能识别这些密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的二酯键，于是新合成的肽链和tRNA从核糖体上释放，核糖体大、小亚基解体，肽链的合成结束。释放因子有两类：Ⅰ类释放因子识别终止密码子，并能催化新合成的多肽链从P位点的tRNA上水解释放出来；Ⅱ类释放因子在多肽链释放后刺激Ⅰ类释放因子从核糖体中解离出来[1]。

在终止阶段，当终止密码出现在核糖体A位时，既没有携带氨基酸的tRNA接上去，也没有某种不带氨基酸的tRNA和终止密码子配对[3]。

3 连接在tRNA 3′末端的氨基酸对密码子的识别有无影响

由以下实验可以说明：在无细胞蛋白质合成体系中，用多聚(UG)为模板进行多肽合成。由于在此模板上有半胱氨酸的密码子UGU，不含丙氨酸的密码子GCX(X可以为U、C、A、G)，故在一般情况下，合成的肽链中应含有半胱氨酸(Cys)，而不含丙氨酸(Ala)。若在这个体系中加入“杂化”分子*Ala-tRNACys(体外用14C标记半胱氨酸-tRNA复合物中的半胱氨酸，得到*Cys-tRNACys，再用无机催化剂镍将其中的Cys还原成Ala，即得到“杂化”的分子*Ala-tRNACys)，结果合成的多肽链中就有丙氨酸掺入，说明在“杂化”分子*Ala-tRNACys上，虽然tRNA携带的氨基酸发生了变化，但其仍可以识别半胱氨酸的密码子。进一步用血红蛋白mRNA作模板，在血红蛋白合成过程中加入“杂化”的分子*Ala-tRNACys。然后，对合成的血红蛋白用胰蛋白酶水解，分析水解后的肽段，发现原来含有半胱氨酸的肽段中有同位素标记的丙氨酸，而原来含有丙氨酸的肽段中却没有同位素14C标记的丙氨酸[3]。

实验表明，tRNA上携带的氨基酸对密码子的识别没有影响，对密码子的识别过程中tRNA分子本身起着决定作用。

4 多肽链合成的方向是从氨基端开始还是从羧基端开始

多肽链是具有方向性的。在多肽合成的图示中，由于习惯上将每个氨基酸的氨基写在α-C原子的左侧，羧基写在α-C原子右侧，缩合反应是由前面的氨基酸的羧基与后面的氨基酸的氨基“就近”脱水缩合形成了肽键，这样就“人为”规定了多肽链合成的方向。那么在核糖体立体的微空间内，真实的多肽链合成的方向是怎样的呢？即多肽的合成是从氨基端(N端)开始，还是从羧基端(C端)开始的？

血红蛋白中含有较多亮氨酸，有人用3H标记的亮氨酸，分析了兔网织红细胞在无细胞体系中血红蛋白生物合成的过程。在血红蛋白合成开始后，加入用3H标记的亮氨酸，每隔一段时间后取样分析。将带有标记的蛋白质分离出来，用胰蛋白酶水解血红蛋白，得到长短不一的许多小肽。用纸层析法分离这些小肽，检测带标记的氨基酸在各种小肽内的分布情况，发现放射性氨基酸的含量是羧基端远高于氨基端，而且从氨基端至羧基端的放射性逐渐增加[3]。

放射性同位素标记的实验表明：多肽链的合成的方向是从氨基端(N端)开始向羧基端(C端)延伸的。