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主要内容

翻译概览

mRNA的核苷酸序列如何翻译为多肽(蛋白质)的氨基酸序列。

介绍

现在花点时间看看你的手。你所看到的骨头,皮肤和肌肉都是由细胞组成的。而每个这样的细胞都含有数百万个蛋白质start superscript, 1, end superscript。事实上,蛋白质是种对地球上所有生物都很重要的分子结构单元!
这些蛋白质是如何在细胞中生成的?首先,构成蛋白质的指示,以基因的形式被“写”在细胞的DNA中。如果你对这个概念还比较陌生,你可以查看关于DNA到RNA,再到蛋白质 (中心法则),然后再学习蛋白质构造过程的具体细节。
基本上,一个基因被用来通过两个步骤构造蛋白质:
  • 步骤一: 转录!在这一步,一个基因的DNA序列被“重写”成一种RNA的形式。在像你和我这样的真核生物中,RNA经过处理(通常也会有一些片段被截掉)形成最后产物,称为信使RNA,或mRNA。
  • 步骤二:翻译!这一阶段中,mRNA被“解码”,构成一个含有特定氨基酸系列的蛋白质(或是一大块的蛋白质或蛋白质的子单元)。
分子生物的中心法则指出了,在转录的过程中,信息从DNA(基因)传到mRNA中。接着再通过翻译,传到蛋白质中。
_图像改自 “酶分子生物化学的中心法则”, 作者 Daniel Horspool (CC BY-SA 3.0)。改图在 CC BY-SA 3.0 许可证下获得许可。_
在这篇文章中,我们将聚焦在翻译上, 并了解有关翻译的过程和所涉及分子的概述。

遗传密码

在翻译的过程中,一个细胞“读到”信使RNA(mRNA)的信息,并用它来构建蛋白质。其实更专业点来说,mRNA不一定编码(也就是提供指示)成完整的蛋白质。相反,我们可以确定地说mRNA总是编码成多肽,或氨基酸链。
遗传代码表。每三个字母序列的mRNA核苷酸对应一个特定的氨基酸,或停止密码子。UGA、UAA和UAG是停止密码子。AUG是蛋氨酸的密码子,也是蛋氨酸的起始密码子。
_图片来源:“遗传代码” 来自 OpenStax College, Biology, CC BY 3.0_
在mRNA中,构建多肽的指示是三个一组的RNA核苷酸(A、U、C、G), 这些由三个核苷酸组成的组合被称为密码子
氨基酸一共有61种密码子。每个密码子都会被“读取”,来指定成20种常见蛋白质中特定的一个。密码子AUG,指定了一种氨基酸,蛋氨酸。 并且它可以作为一个起始密码子来发出开始构造蛋白质的信号。
还有3个密码子并 指定氨基酸。他们是终止密码子,UAA、UAG、UGA。当多肽完成了,他们会告诉细胞让过程停止。所有这些密码子和氨基酸的关系被称为基因密码,因为它让细胞把mRNA“解码”成氨基酸链。
每个mRNA含有一系列密码子(核苷酸三联体),每个密码子特定一个氨基酸。mRNA密码子和氨基酸间的关系被称为基因密码。
5' AUG - 蛋氨酸 ACG - 苏氨酸 GAG - 谷氨酸 CUU - 亮氨酸 CGG - 精氨酸 AGC - 丝氨酸 UAG - 停止 3'
图片改自 “RNA-密码子-氨基酸,” 作者Thomas Splettstoesser (CC BY-SA 4.0)。改图在 CC BY-SA 4.0 许可证下获得许可。

翻译概览

mRNA是如何被“读取”来构建多肽的?有两种细胞在翻译的过程中具有关键作用,他们是tRNA和核糖体。

转运RNA(tRNA)

转运RNA,或 tRNA,是连接mRNA密码子和他们编码的氨基酸的分子“桥”。 tRNA的一端含有一个由三个核苷酸组成的序列,它被称为反密码子。反密码子可以绑定到特定的mRNA密码子上。tRNA的另一端携带着被密码子指定的氨基酸。
tRNA有很多种类型。每种类型读取一个或多个密码子并使之与相匹配的氨基酸相连。
核糖体由一大一小两个子单元和三个能让tRNA结合到mRNA上的位置(A、P,和E位)组成。每个tRNA带有一种特定的氨基酸,并与和它的反密码子互补的mRNA密码子相连。
图片改自 “翻译:图3,” 作者OpenStax College, Biology (CC BY 4.0)。

核糖体

多肽(蛋白质)是在核糖体构建的。核糖体由蛋白质和RNA(核糖体RNArRNA)组成。每个核糖体有两个子单元,一大一小,围绕在mRNA周围,就类似于两片汉堡面包夹住肉饼的样子。
核糖体提供一组方便的插槽让tRNA找到他们在mRNA模版上相匹配的密码子并传输他们的氨基酸。这些插槽被称为A位、P位和E位。不仅如此,核糖体也作为酶,催化将多个氨基酸连接成链的化学反应。
想了解更多关于tRNAs和核糖体的结构和功能?看看tRNA和核糖体这篇文章!

翻译的步骤

你的细胞每天每秒都在构建新的蛋白质。每个蛋白质都含有正确套数的氨基酸,以正确的顺序相连着。这可能听上去很有挑战性,当幸运的是,你的细胞(和其他动物,植物,细菌的细胞一样)能完成这个任务。
为了理清细胞是如何构建蛋白质的过程,让我们来把翻译分为三个阶段:起始(开始),延长(增加蛋白质链)和终止(结束)。

准备开始:起始

起始这步,核糖体组合了待读取的mRNA和第一个tRNA(带有氨基酸蛋氨酸,它与起始密码子AUG相匹配)。这个结合体,称为起始复合物。需要有它,翻译才能开始。

将链扩展:延长

延长是让蛋白质链更的阶段。在延长时,mRNA一次读取一个密码子,与每个密码子相匹配的氨基酸会被加到增长中的蛋白质链上。
每次暴露新的密码子时:
  • 相匹配的tRNA与密码子结合
  • 现有的氨基酸链(多肽)通过化学反应,与tRNA的氨基酸相连
  • mRNA在核糖体内移动一个密码子,从而暴露出一个新的待读取的密码子。
    延长有三个阶段:
    1)一个正靠近的tRNA的反密码子与在A位上暴露的mRNA密码子相配对。
    2)在新的氨基酸(在A位上)和之前添加的氨基酸(在P位上)之间,形成了肽键。接着多肽从P位移到A位上。
    3)核糖体将一个密码子在mRNA上往下移一个。在A位上的tRNA(带有多肽)移到P位上。在P位上的tRNA移到E位并脱离核糖体。
    图片参考自在Reece et al.squared中的相似图片
如上所述,在延长中,tRNA通过核糖体的A位,P位,和E位。每当新的密码子被读取且新的氨基酸被加到链上,这个过程都会随之重复。
关于延长的更多详情,请看翻译的阶段这篇文章。

完成过程:终止

终止 是完成了的多肽链被释放的阶段。它从一个终止密码子(UAG、UAA、或UGA)进入核糖体开始,随之引起一系列将多肽链和它的tRNA分离并让它脱离核糖体的结果。
在终止阶段之后,多肽可能仍需要折叠成正确的3D形状,经过加工(比如移除氨基酸),被运往细胞中正确的位置,或与其他多肽组合,然后才能作为有功能性的蛋白质完成它自己的工作。