2020-06-17 16:33:35
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翻译 - 生物学术语 免费编辑 修改义项名

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翻译是蛋白质生物合成(基因表达中的一部分,基因表达还包括转录)过程中的第二步(转录为第一步),翻译是根据遗传密码中心法则,将成熟的信使RNA分子(由DNA通过转录而生成)中"碱基的排列顺序"(核苷酸序列)解码,并生成对应的特定氨基酸序列的过程。但也有许多转录生成的RNA,如转运RNA(tRNA)、核糖体RNA(rRNA)和小核RNA(snRNA)等并不被翻译为氨基酸序列

基本信息

  • 中文名

    翻译

  • 外文名

    translation

  • 所属学科

    生物学

折叠 编辑本段 作用

翻译是中心法则中一个不可或缺的过程,对生物机体的性能有着不可或缺的作用。

折叠 编辑本段 过程简述

翻译过程需要的原料:mRNA、tRNA、21种氨基酸、能量、酶、核糖体

翻译的过程大致可分作三个阶段:起始、延长、终止。翻译主要在细胞质内的核糖体中进行,氨基酸分子在氨基酰-tRNA合成酶的催化作用下与特定的转运RNA结合并被带到核糖体上。生成的多肽链(即氨基酸链)需要通过正确折叠形成蛋白质,许多蛋白质在翻译结束后还需要在内质网上进行翻译后修饰才能具有真正的生物学活性。

游离的碱基以mRNA为直接模板,tRNA为氨基酸运载体,核蛋白体为装配场所,共同协调完成蛋白质生物合成的过程。在翻译过程中mRNA上的每个三联体密码子对应tRNA上的一个三联体反密码子,且这个反密码子只对应一个氨基酸,但是一个氨基酸可有多组密码子(密码子具有简并性)来表示。

一个激活的tRNA进入核糖体的A位(A位用于接受氨基酸,可记忆为Accept)与mRNA相配,肽酰转移酶在邻近的氨基酸间建立一个肽键,此后在P位(peptidyl-tRNA site,即肽酰基位点,也叫做"供点")上的氨基酸离开它的tRNA与A位上的tRNA结合,核糖体则相对于mRNA向前滑动,原来在A位上的tRNA移动到P位上,原来在P位上的空的tRNA移动到E位(释放位点,记忆为Emission)上,然后在下一个tRNA进入A位之前被释放。

当核糖体沿着mRNA分子移动到A位出现终止密码子时,没有相应的氨酰tRNA与之对应,一种释放因子(Release Factor,RF)与终止密码子及核糖体A位结合,另一种释放因子随之结合,改变肽酰转移酶的特异性,催化P位肽酰tRNA水解,从而使肽链从核糖体上释放。

折叠 编辑本段 翻译的起始

折叠 (一)原核细胞

原核细胞的翻译起始过程大概可以分为以下几个过程:

(1)翻译起始因子IF3结合到小亚基的E位点,同时也横跨至P位点;(这一过程在起始之初就已经完成)起始因子IF1结合至A位点;

(2)起始因子IF2·GTP被IF3和IF1招募至P位点;

(3)起始fMet·tRNA一方面被mRNA起始密码子AUG招募,另一方面被已经结合到P位点的IF2·GTP招募,进一步结合到P位点,这一过程伴随着核糖体小亚基通过mRNA上的核糖体结合位点序列(RBS)识别结合到mRNA上;

(4)当tRNA和mRNA配对后,起始因子IF3稳定性降低;

(5)IF2·GTP进一步招募大亚基;

(6)大亚基的结合催化IF2上GTP的水解,形成对P位点亲和力较低的IF2·GDP,后者随后从核糖体上脱离;

(7)由于IF2的脱离,大小亚基结合进一步紧密,置换出IF3和IF1,形成了起始状态的核糖体复合物。

注:实验分析表明,当IF3和IF1不存在时,起始tRNA倾向于在IF2之前结合至P位点,提示起始tRNA可以直接被起始密码子招募;当IF3和IF1存在时,起始tRNA倾向于在IF2之后结合P位点,提示IF2可以被IF3和IF1有力招募,而tRNA也可以进一步被IF2招募。

折叠 (二)真核细胞

真核细胞会涉及到更多的起始因子包括:eIF1,1A,3,5,4(EGAB),2,5B,1A。其中它们和原核细胞起始因子按照功能可以大体划分配对如下:

真核细胞原核细胞
eIF1,eIF3,eIF5IF3
eIF2IF2
eIF5B
eIF4E,eIF4G,eIF4A,eIF4B

-

eIF1AIF1

以核糖体为核心,真核细胞翻译起始过程也可概括成如下步骤:

A. 核糖体的前期准备

(1)eIF1,3,5围绕E位点结合至小亚基,eIF1A围绕A位点结合至小亚基;

(2)eIF2·GTP在胞质中结合Met-tRNA形成三原复合物;

(3)三原复合物进一步结合到小亚基复合物(小亚基以及eIF1,1A,3,5)中小亚基P位点上形成43S复合物;

B. mRNA的准备

(1)eIF4E识别mRNA的5'端帽子;

(2)eIF4G作为支架蛋白结合至eIF4E并连接eIF4A,eIF4A结合至mRNA上;

(3)eIF4B和eIF4A互作,激活eIF4A的活性;

(4)eIF4A利用其解旋酶活性解旋mRNA,去除其二级、三级结构;

C. mRNA的装载

(1)43S复合物通过eIF3和eIF4E互作,eIF1A和eIF4A互作将mRNA进行招募形成48S复合物;

(2)eIF4A利用其解旋酶活性,充当转位酶作用,移动mRNA进行扫描;

(3)遇到第一个起始密码子AUG后,密码子和tRNA配对,阻碍了eIF4A的转位,扫描停止;

(4)二者的配对,刺激eIF2的GTP水解,eIF2·GDP和小亚基亲和力较低,从小亚基复合物上脱离下来,伴随着其他除eIF4A以外的起始因子全部脱离;

(5)eIF5B·GTP被起始tRNA和eIF1A招募;

D. 大亚基的装载

(1)eIF5·GTP招募大亚基;

(2)大亚基的结合刺激eIF5上的GTP水解,eIF5·GDP亲和力较低,从核糖体上脱离下来;

(3)大亚基获得更高亲和力,进一步将eIF1A置换出来,进入起始状态。

注:并非所有真核细胞内的翻译均需要eIF4E对5'端帽子的识别,有下列三种特殊情况利用内部核糖体插入位点(IREs)进行RNA的装配:

Group 1

利用特殊结构直接招募核糖体大小亚基,不需要任何起始因子和起始tRNA。

例:一些病毒如CrPV入侵真核细胞后,通过抑制起始因子进一步抑制真核细胞内部的蛋白表答,但其自身特殊的mRNA结构可以直接招募大小亚基来绕过起始因子和起始tRNA阶段,直接进入翻译的中间延伸状态,获得核糖体翻译的绝对选择性。

Group 2

IREs招募小亚基,但依然需要部分eIF和起始tRNA。

例:部分IREs直接结合eIF4G进一步招募eIF4A。

Group 3

需要IREs特殊的结合蛋白,同时也需要大部分eIF和起始tRNA。

例:细胞凋亡。细胞在凋亡时,希望减少其他蛋白的表达,而大量表达凋亡相关蛋白。如死亡相关蛋白5(DAP5)利用其IREs序列招募相关因子(ITAF),后者充当eIF4G的eIF4A结合区域的作用,绕过eIF4E通路,直接结合eIF4A进行后续装载。通过这样的机制可以巧妙的降低其他蛋白(需要eIF4E)的表达,但是提高凋亡相关蛋白的表达。

折叠 编辑本段 翻译的延伸

此过程在真核细胞和原核细胞中高度类似,下面只以原核细胞为例进行讨论。涉及到的因子主要有EF·Tu和EF·G,在真核细胞中对应的名称分别是是eEF1和eEF2。

A. tRNA的转运和入位

(1)非起始AA·tRNA结合EF·Tu·GTP形成一个三元复合物;

(2)该三元复合物结合至核糖体P位点,tRNA反密码子和mRNA密码子进行配对,伴随着tRNA构象改变;

(3)小亚基RNA中G530、A1492、A1493等位点和密码子及反密码子互作,使其稳定配对;

(4)EF·Tu在核糖体大亚基因子结合位点(FBS)His-84氨基酸残基的刺激下将GTP水解成GDP和Pi;

(5)EF·Tu·GDP对核糖体亲和力较低从中释放;

(6)tRNA进一步发生构象变化,使得其受体臂3'端和P位点上受体臂3'端距离很近,为肽链的转移作准备;

tRNA的特异性配对大多在此过程中得以筛选确认。如果反密码子和密码子不能成功匹配,会影响以下几个因素导致入位不能完成:

①由于tRNA底部密码子配对有误,结构异常,EF·Tu顶部的GTP水解位点不能和HBS完全接触,导致GTP水解不能发生;

②错误的结构,导致tRNA不能发生正确的构象变化,EF·Tu无法释放;

③由于错误的配对,入位时产生的压力底部无法承受,导致入位失败。

B. 肽链的转移

肽链的转移化学本质即氨基和羧基的脱水缩合。很长一段时间人们普遍认为核糖体的rRNA保守序列对于脱水缩合起到关键的化学催化作用,后事实证明,rRNA仅仅起到结构上的物理催化(上千个序列共同作用而形成的结构),和其任何特定保守序列都没有完全的直接关系。而tRNA的结构被认为起到了很重要的化学催化作用。

C. 核糖体的移位

(1)肽链转移后,两个tRNA进行在不稳定的常态和扭转态(hybrid)之间进行摆动;

(2)EF·G·GTP在tRNA处于扭转态时结合到A位点上部,锁定扭转态结构;

(3)在HBS中His-84残基的刺激下,GTP发生水解,产生EF·G·GDP·Pi,伴随着EF·G的构象改变,结构深入A位点,一方面解锁扭转态结构,一方面将两个tRNA推向E位点和P位点;

(4)Pi从EF·G上释放,使得后者构象再次发生变化,回归最初的结合位置;

(5)EF·G·GDP对核糖体亲和力较弱,从核糖体上释放;

(6)进入E位点的tRNA不再维持和mRNA的配对,很快得以释放。

注:扭转态即tRNA底部依然在该位点,但顶部已经进入下一位点的扭曲状态。

折叠 编辑本段 翻译的终止

本过程细胞主要需完成以下目标:

(1)使翻译停止,不再有新的氨基酸掺入;

(2)释放合成的多肽链;

(3)释放结合在mRNA上的各组分;

(4)确保核糖体大小亚基以及重要因子的重复利用。

原核细胞和真核细胞在此过程的处理上有明显不同,下面将分开介绍。

折叠 (一)原核细胞

A.肽链的释放

(1)释放因子RF1/2 (tRNA结构类似)结合A位点,识别并匹配终止密码子;

(2)RF1/2的GGQ 基序(tRNA受体臂结构类似)催化肽链的脱离(以HOH替代HO-进行反应);

(3)RF1/2进一步招募RF3·GDP结合到核糖体大亚基上;

(4)RF3将GDP换成GTP(鸟苷酸交换因子活性),这一过程伴随的构象改变释放RF1/2,使其脱离核糖体;

(5)RF3利用自身的GTP水解活性水解GTP回归GDP结合状态,随后从大亚基上脱离。

B. 两个tRNA的释放

(1)因子RRF(扭转态tRNA结构类似)结合到空出来的A位点;

(2)此时具有扭转态tRNA类似构象的复合物引诱EF·G·GTP结合到大亚基位置并锁定扭转态结构;

(3)EF·G·GTP水解GTP转化为EF·G·GDP·Pi状态,这一步伴随构象改变解锁原本的扭转态结构,将原本E位点的tRNA推出核糖体,将P位点的tRNA推到E位点,将RRF从A位点推到P位点;

(4)Pi从EF·G释放,导致构象进一步变化,EF·G脱离,而E位点的tRNA由于较低亲和性也从核糖体脱离,RRF由于对P位点的亲和性低,也脱离。

C. 大小亚基的分离

(1)由于此时的大小亚基三个位点全空了,翻译起始因子IF3得以进入结合到E位点,降低大小亚基之间的亲和性,使其分离;

(2)IF3继续结合在小亚基上,准备下一轮起始。

折叠 (二)真核细胞

A. 肽链的释放

(1)eRF3充当类似于eEF1(或EF-Tu)的作用,以GTP结合状态结合到eRF1/2上;

(2)通过eRF3的介导,eRF1/2被运输到A位点;

(3)eRF1/2识别终止密码子(类似于tRNA的密码子配对),正确的构象传递使得核糖体FBS和eRF3的GTP结合位点互作;

(4)FBS刺激GTP水解,eRF3转为GDP结合态;

(5)eRF3·GDP很快从核糖体上脱离,伴随着eRF1/2的类似于tRNA的入位过程;

(6)eRF1/2的GGQ基序催化肽链的脱离;

B. 剩余组分的脱离

Rli·ATP具有转位酶活性,通过水解ATP沿着mRNA转位,以一种类似于转录终止的方式,将其他组分从mRNA上推离下来。

目前关于真核细胞翻译过程有普遍的模型。其认为eIF4G可以结合mRNA的5'端poly-A尾,进而将mRNA形成闭环,结合多个核糖体,以提高效率。且在此模型下,核糖体在翻译完毕解离后,可直接在起点重新起始,更符合核糖体的循环利用规律。

折叠 编辑本段 配对原则

翻译过程严格按照碱基互补配对原则进行。值得注意的是,转录组成RNA的碱基中,没有T(胸腺嘧啶),而是U(尿嘧啶),所以配对原则如下所示。

DNA -> RNA

A ,腺嘌呤-> U,尿嘧啶

T ,胸腺嘧啶-> A ,腺嘌呤

G ,鸟嘌呤-> C,胞嘧啶

C,胞嘧啶-> G,鸟嘌呤.

由于密码子的摆动性,反密码子第1位碱基与密码子第3三位碱基之间配对称多样性,可能配对方式如下:

I ->A,U,C

U ->A,G

G ->C,U

其中,I代表次黄嘌呤核苷(inosine)。

折叠 编辑本段 密码特性

折叠 连续性

(Commaless)

编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读,密码间既无间断也无交叉。

折叠 简并性

(degeneracy)

遗传密码中,除色氨酸甲硫氨酸仅有一个密码子外,其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。

折叠 通用性

(universal)

蛋白质生物合成的整套密码,从原核生物到人类都通用。

已发现少数例外,如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。

密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

折叠 摆动性

(wobble)

转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合,但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律,称为摆动配对。

折叠 方向性

(direction)

起始密码总位于编码区5′末端,而终止密码位于3′末端,每个密码的三个核苷酸也是5′至3′方向阅读,不能倒读。

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