結構生物化學/核酸/翻譯

在遺傳學中，翻譯是指將 mRNA 解碼並翻譯成多肽序列（也稱為蛋白質）的過程。該過程先於 DNA 轉錄成 RNA。這種蛋白質合成方法由 RNA 指導，並在核糖體的幫助下完成。在翻譯過程中，細胞解碼 mRNA 的遺傳資訊並相應地組裝新的多肽鏈。這個遺傳資訊由一系列密碼子組成，密碼子構成 mRNA 鏈。這個資訊的翻譯者是轉移 RNA，或tRNA。tRNA 的主要功能是將遊離氨基酸從細胞質轉移到核糖體，在那裡它被連線到正在生長的多肽鏈上。通常，細胞中充滿了所有 20 種氨基酸，要麼透過自身產生，要麼從我們食用的食物中獲得。核糖體將 tRNA 分子帶來的氨基酸新增到正在生長的多肽鏈的末端。

核糖體

核糖體幫助協調tRNA 反密碼子與mRNA 密碼子在翻譯過程中的結合。核糖體就像一臺分子機器，可以解碼 RNA 並使用這些資訊構建包含精確氨基酸序列的多肽。核糖體的解碼過程可以比作將一種語言翻譯成另一種語言的語言翻譯機。因此，核糖體可以被視為將 mRNA 密碼的語言翻譯成有意義的蛋白質序列，這些序列執行細胞的活動。在真核生物中，核糖體亞基是在細胞的核仁中產生的。核糖體由兩個亞基組成：大亞基和小亞基。這些亞基由蛋白質和稱為核糖體 RNA (rRNA)的 RNA 分子組成。原核生物和真核生物中的 rRNA 在許多方面有所不同。例如，真核生物的大亞基的大小為 60S，而原核生物的大小為 50S，這意味著原核生物的亞基更小。兩個 50S 大亞基和 30S 小亞基可以形成 70S 核糖體。30S 亞基透過促進 mRNA 密碼子與 tRNA 反密碼子之間的鹼基配對來同意同源氨醯 tRNA 的選擇，而活性位點或 PTC 存在於 50S 亞基中。典型的 E. coli 細胞大約有 18,000 個核糖體。PTC 催化蛋白質延伸過程中的肽醯轉移和終止過程中的肽醯 tRNA 水解。在體外，50S 亞基可以像整個 70S 核糖體一樣快速地合成肽鍵，這表明存在催化劑。在人類健康中，核糖體可以作為藥物的藥物靶點，這些藥物透過抑制病原體內的翻譯而起作用，而不會影響宿主生物體。這在醫學上很重要，因為鏈黴素和卡那黴素等抗生素靶向細菌的小亞基，同時保持較大的真核生物亞基不受影響。

核糖體的結構包含一個 mRNA 結合位點和三個 tRNA 結合位點。對於 tRNA，P 位點（肽醯 tRNA 位點）攜帶正在生長的多肽鏈，而 A 位點（氨醯 tRNA 位點）容納攜帶下一個氨基酸的 tRNA，該氨基酸將被新增到正在生長的鏈中。E 位點（退出位點）是已卸下 tRNA 離開核糖體的位點。核糖體將這兩個組分緊密地結合在一起，並將新的氨基酸定位在允許新的氨基酸新增到正在生長的多肽鏈的羧基端的方式。隨著鏈的增長，它會穿過大核糖體亞基中的一個出口通道。鏈完成後，它會通過出口通道釋放到細胞的胞質溶膠中。一個特別具有代表性的關於蛋白質翻譯的影片展示了這個過程。

翻譯

在翻譯中，有三個主要步驟描述了蛋白質解碼和合成過程。這些步驟按順序稱為起始、延伸和終止。

起始

翻譯的第一步稱為起始。在這個步驟中，mRNA、包含多肽第一個氨基酸的 tRNA 和兩個核糖體亞基聚集在一起，開始這個過程。然後，小亞基結合到 mRNA 和特定的起始 tRNA，該 tRNA 包含氨基酸甲硫氨酸 (MET)。接下來，亞基沿著 mRNA 鏈掃描，直到它到達起始密碼子 AUG，該密碼子指示翻譯過程的開始。起始密碼子還建立了 mRNA 鏈的閱讀框，這對合成蛋白質至關重要。閱讀框的偏移會導致 mRNA 的錯誤翻譯。然後，起始 tRNA 透過氫鍵結合到起始密碼子上。

由 mRNA、起始 tRNA 和小核糖體亞基組成的複合體附著到大核糖體亞基上，從而完成起始複合體。這些組分在稱為起始因子的蛋白質的幫助下聚集在一起，這些蛋白質在起始過程中與小核糖體亞基結合。此外，細胞消耗 GTP 能量來幫助形成起始複合體。起始複合體形成完成後，起始 tRNA 附著到核糖體的 P 位點，而空 A 位點已準備好接收下一個氨醯 tRNA。多肽總是從 N 端到 C 端的方向合成。

在細菌中，蛋白質合成的起始是由稱為起始因子 (IF) 的蛋白質與小 30S 亞基結合開始的。隨後是 fMet-tRNA 與其結合。（fmet 是在 N 端添加了甲醯基 (HCOO-) 的 Met，它後來被移除）。蛋白質合成的起始在細菌中需要三種小蛋白，稱為起始因子 (IF1、IF2 和 IF3)。IF3 首先將 mRNA 和 30S 核糖體亞基結合在一起，從而允許核糖體結合位點在其上的 16S rRNA 上找到其互補位點。然後，IF1 結合並阻斷 A 位點。與 GTP 結合的 IF2 然後將起始 N-甲醯甲硫氨醯 tRNA 運送到位於 P 位點的起始密碼子。當起始 tRNA 就位時，IF3 被釋放。然後，50S 亞基與 30S 亞基對接，GTP 被水解，IF1 和 IF2 也被釋放。這個 Ifs-30S-fmet-tRNA 複合體現在與要翻譯的 mRNA 結合。為了建立閱讀框，細菌中的 mRNA 具有一個 8 個核苷酸的富含嘌呤的序列，稱為 Shine-Delgarno 序列，該序列與小 (30S) 亞基的 rRNA 互補，並有助於 mRNA 初始與 30S 亞基複合體的結合。Shine-Delgarno 序列非常靠近 AUG 密碼子，翻譯從該密碼子開始。Shine-Delgarno 序列存在於所有細菌中。

當大 (50S) 亞基與 Ifs-30S-fmet-tRNA 複合體結合時，翻譯起始過程就完成了。50S 亞基的結合是一個需要能量的過程。首先，富含能量的 GTP 與另一種蛋白質 IF2（起始因子 2）結合，形成 GDP-IF2 複合體。GDP-IF2 複合體參與形成最終的蛋白質合成 70S 複合體。在真核生物中，參與了額外的起始因子 (IF)。

延伸

延伸過程從氨醯tRNA開始，它與延伸因子形成三元複合體，被送到A位點。進入的tRNA的反密碼子與A位點mRNA密碼子的互補鹼基配對。tRNA連線到mRNA密碼子編碼的氨基酸。將密碼子與氨基酸聯絡起來的程式碼被稱為遺傳密碼。在這個過程中，需要延伸因子（細菌中為EF-Tu）。GTP水解成GDP的過程釋放出PP_i，這對於準確有效地識別密碼子是必要的。接下來，在A位點的新的氨基酸與正在生長的多肽的羧基之間形成新的肽鍵。肽的形成在大型亞基的rRNA分子的幫助下進行。現在，肽鏈已經延長了一個氨基酸。攜帶延長多肽鏈的tRNA被移動到P位點，而P位點的空tRNA被移動到E位點並離開。這個過程會重複用於下一個進入的tRNA和氨基酸：tRNA攜帶下一個氨基酸連線到A位點，配對，需要GTP水解成GDP的能量，肽鍵形成連線新的氨基酸到多肽鏈，然後進行適當的移動，空的tRNA移動並離開，以便再次進行“旅程”，攜帶延長多肽鏈的tRNA移動到P位點，在那裡等待下一個進入的tRNA。因此，一個接一個地，一個氨基酸被新增到前面的氨基酸上。

釋放因子識別並結合到A位點的終止密碼子，啟用P位點tRNA上多肽的水解和釋放。連線到P位點tRNA上的多肽鏈的C末端受到水分子在酯碳上的攻擊，因此釋放了新合成的多肽。核糖體PTC催化酯鍵的氨解，其中A位點氨醯tRNA的α氨基攻擊P位點肽醯tRNA的羰基。這是因為胺與酯反應更快，形成肽鍵。

注意: P位點之所以被稱為P位點，是因為它只結合Peptidyl-tRNA分子，即固定著正在生長的多肽鏈的tRNA。A位點之所以被稱為A位點，是因為它只結合進入的Aminoacyl-tRNA分子，即包含遊離氨基酸的tRNA。

終止

當任何終止密碼子（一個訊號翻譯結束的密碼子）到達核糖體的A位點時，延伸過程就會停止。A位點不會接受任何進入的tRNA，從而使其能夠自由地與釋放因子結合。釋放因子會水解tRNA和P位點多肽之間的鍵，釋放多肽鏈。隨後，當這兩個核糖體亞基、釋放因子和mRNA完成工作時，它們就會分離。多肽從mRNA模板上釋放出來，並被允許摺疊成其最終的3D構象。此外，核糖體到達編碼區域的末端，而不是RNA的末端。因此，編碼區域的末端由三個終止密碼子之一標記。最後肽鍵的形成以及隨後mRNA的易位導致E位點的tRNA被彈出，並且還將終止密碼子帶入A位點。

在細菌中，它們有兩種I類釋放因子，可以解碼三個終止密碼子：UAG、UAA和UGA。II類釋放因子在肽醯tRNA水解後開始I類釋放因子從終止後核糖體複合體中分離。在真核生物和古細菌中，它們有一種I類釋放因子，可以解碼所有三個終止密碼子。

終止密碼子	序列
RNA (DNA)	U(T)AA
RNA (DNA)	U(T)AG
RNA (DNA)	U(T)GA

真核生物特異性核糖體特徵

顯微鏡研究表明，真核生物的40S和60S核糖體亞基在很大程度上類似於原核生物的30S和50S核糖體亞基。事實上，許多結構上的“地標”是保守的，包括一箇中央突起、兩個柄和一個沙門氏菌-蓖麻毒蛋白環（SRL）。然而，在真核生物和古細菌核糖體中，亞基在特定區域經歷了重塑（例如，40S亞基被分成“頭部”、“喙”、“平臺”、“主體”、“肩部”、“左腳”和“右腳”區域）。蛋白質的新增主要發生在40S和60S真核生物亞基的溶劑暴露面上。關於40S亞基，rRNA擴充套件片段（ES）與各種真核生物特異性蛋白質成分形成網路，從而在亞基頂部形成結構連線。類似地，60S亞基的溶劑暴露面具有兩個擴充套件區域，每個區域都包含高濃度的ES和真核生物特異性蛋白質元件。

真核生物特異性核糖體蛋白內的三級接觸對於產生穩定的亞基構型至關重要。這些蛋白質及其延伸部分負責發生在兩個亞基內的互連。在40S亞基內，rpS10、rpS12、rpS21和rpS7延伸部分的存在連線了11種蛋白質，形成了一個“菊花鏈”結構。同樣，蛋白質調節的亞基連線非常普遍，真核生物特異性延伸部分形成了相互作用的網路。這產生了許多結構效應，包括β片和α螺旋的存在，它們可以切向延伸穿過核糖體亞基，與結構的遠端區域相互作用。

原核生物翻譯和真核生物翻譯之間的差異

•總的來說，參與真核生物翻譯的核糖體比它們在原核生物中的對應物大30%左右。

•相對於原核生物核糖體，真核生物核糖體需要大量的組裝、成熟和起始因子。它們也受到很大程度的調控。雖然原核生物核糖體的組裝和翻譯起始受到少數非核糖體因子的影響，但真核生物核糖體的發育和翻譯起始分別由大約200個成熟因子和至少9個起始因子來調節。

•在原核生物翻譯中，P位點直接位於起始處的AUG，但在真核生物翻譯中，核糖體亞基會掃描鏈，直到到達AUG。

•原核生物翻譯的起始是由Shine-Dalgarno (SD)序列的存在引發的，Shine-Dalgarno (SD)序列是一系列短的鹼基對，它們識別並結合到位於核糖體內16S rRNA亞基末端的反SD序列。另一方面，真核生物翻譯不涉及Shine-Dalgarno (SD)序列，而是依靠一種稱為“掃描機制”的機制中的Poly-A-Binding Protein (PABP)。

•真核生物翻譯中的起始氨基酸是甲硫氨酸。相反，原核生物翻譯中的起始氨基酸是N-甲醯甲硫氨酸 (fMet)。

提高翻譯速度

大多數蛋白質在20秒到幾分鐘內合成。可以透過多種不同的過程來加快這一過程。

•一個mRNA可以被多個核糖體結合，每個核糖體合成它自己的蛋白質。

•核糖體亞基可以被細胞迅速回收。一旦核糖體到達mRNA鏈3'末端的終止密碼子，亞基就可以重新連線到開頭，立即開始合成新的蛋白質。

•多聚核糖體：多聚核糖體是一簇與環狀mRNA分子結合的核糖體。兩種蛋白質結合到5'-CAP和Poly A尾部，使mRNA成為環狀。EIF4結合到5-CAP，而Poly A Binding Protein I (PABPI)結合到Poly A尾部。這兩種蛋白質結合在一起，使mRNA成為環狀，這有助於提高翻譯效率。多聚核糖體中的核糖體可以從5'端向下移動到3'端，並且只有很短的距離跳轉才能回到mRNA鏈5'端的開頭，並重復翻譯。

翻譯中的無義突變

無義突變是DNA序列中的點突變（單鹼基替換/單核苷酸突變），它在序列中引入了過早的終止密碼子。例如，如果一個序列為5' U A C 3'的密碼子編碼酪氨酸，它發生了無義突變，C變成了G，新的密碼子將是5' U A G 3'，它編碼一個終止密碼子，從而截斷蛋白質。如果發生無義突變，細胞可以透過無義介導的衰變來應對。

無義介導的衰變 (NMD) 會降解帶有無義突變的 mRNA。該 mRNA 會首先進行一輪翻譯，細胞會因提前終止密碼子而識別出錯誤，並降解該 mRNA。無義突變透過位於 mRNA 上的外顯子連線複合物 (EJC) 進行識別。

外顯子連線複合物 (EJC) 只是在兩個外顯子連線處物理結合的蛋白質。在翻譯過程中，當核糖體沿著 mRNA 鏈移動時，EJC 會在與核糖體接觸時被“撞掉”。如果翻譯因提前終止密碼子而過早停止，EJC 會保留在 mRNA 上，不會被移除。這向細胞發出錯誤訊號，允許無義介導的衰變降解 mRNA。

無義介導的衰變並不一定總是良性的。它不會檢查截短的蛋白質是否具有功能，而是隻尋找鏈上的無義突變。囊性纖維化疾病就是一個例子。

囊性纖維化是由“囊性纖維化跨膜傳導調節因子”（CFTR）基因中的無義突變引起的，該基因編碼氯離子通道。沒有囊性纖維化的人擁有兩個正常工作的 CFTR 基因，只需要一個基因就能預防該疾病。CFTR 無義突變會產生截短的蛋白質，細胞會對此做出無義介導的衰變反應，降解 CFTR mRNA。CFTR mRNA 的降解會導致 CFTR 通道數量極少或根本沒有，從而導致囊性纖維化。然而，科學家們發現，由於提前終止密碼子而產生的截短蛋白仍然可以作為 CFTR 通道發揮功能。在這種情況下，旨在保護身體的反應最終卻傷害了身體。

參考文獻

Slonczewski, Joan L. Microbiology. "An Evolving Science." 第二版。Klinge, Sebastian; Voigts-Hoffmann, Felix; Leibundgut, Marc; Ban, Nenad. "真核生物核糖體的原子結構"。生物化學趨勢 doi:10.1016/j.tibs.2012.02.007（第 37 卷第 5 期第 189-198 頁）