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主要内容

tRNA和核糖体

转移RNA和核糖体的结构和作用。密码子,反密码子和摇晃。氨酰合成酶。

介绍

翻译需要一些专用装备。正如你不能在没有球拍和球的情况下玩网球。一个细胞不能在缺少两种分子:核糖体和tRNA的情况下将一个mRNA翻译为蛋白质。
  • 核糖体提供了一个可以在其中进行翻译的结构。它们还催化连接氨基酸的反应,以制造新的蛋白质。
  • tRNA (转运 RNA)携带氨基酸到核糖体。它们充当“桥梁”,将mRNA中的密码子与其编码的氨基酸相匹配。
在这篇文章中,我们将深入研究核糖体和tRNA。如果您还不熟悉RNA (核糖核酸),我强烈建议您首先查看核酸章节,以便您可以从本文中获得最大的收获!

核糖体:翻译发生的地方

翻译发生在称为核糖体的结构内部,核糖体是由RNA和蛋白质组成的。核糖体组织翻译并催化连接氨基酸形成蛋白质链的反应。
蛋白质翻译所涉及的分子的图解。核糖体与mRNA和tRNA一起显示。氨基酸正在形成蛋白质链。
图片来源: "Translation: Figure 1," by OpenStax College, Concepts of Biology, CC BY 4.0.

核糖体的结构

核糖体由两个基本部分组成:一个大的亚基和一个小的亚基。在翻译过程中,两个亚基围绕着一个mRNA分子聚集在一起,形成一个完整的核糖体。核糖体在mRNA上向前移动,一个密码子接一个密码子,因为它被读出并翻译成多肽(蛋白质链)。然后,一旦翻译完成,这两个部分又会分开,可以重复使用。
总体而言,核糖体大约由三分之一的蛋白质和三分之二的核糖体RNA(rRNA)组成。rRNA似乎负责核糖体的大部分结构和功能,而蛋白质则帮助rRNA在催化化学反应时改变形状1
下图,你可以看到一张核糖体的3D模型图。蛋白质是蓝色的,而rRNA链是棕色和橙色的。绿点标记活性位点,它们催化连接氨基酸以生成蛋白质的反应。看到核糖体的皱纹使我有点惊讶,有点像大脑的表面!
核糖体的小亚基和大亚基的模型。这两个亚基都由核糖体RNA和蛋白质组成。大亚基包含催化肽键形成的活性位点。
图片更改自 "Ribosome," by Redondoself (CC BY 2.0).

核糖体有tRNA“插槽”

正如我们在导言中简要看到的那样,称为转移RNA(tRNAs)的分子将氨基酸带到核糖体。在下一节中,我们将了解更多关于tRNA以及它们如何工作的信息。
现在,只需记住核糖体有三个tRNA插槽:A位点,P位点和E位点。tRNA在翻译过程中通过这些位点(从A到P到E),以提供氨基酸。
核糖体由小亚基和大亚基组成。小亚基与mRNA转录本结合,两个亚基一起为tRNA结合提供三个位置(A位点,P位点和E位点)。在图中,A、P和E站点按A-P-E顺序从右到左显示。
在第一个tRNA与P位点初始结合之后,进入的负载tRNA将在A位点结合。肽键的形成将第一个tRNA(Met)的氨基酸转移到第二tRNA(在这种情况下,Trp)的氨基酸。这两条氨基酸链将连接到A位点的tRNA上。然后核糖体将沿着mRNA模板移动一个密码子。A位点中的tRNA(具有多肽链)将移至P位点,先前在P位点中的空tRNA将移至E位点(其将退出核糖体)。新的tRNA(在这种情况下,一个含有Phe的)将与A位点中新暴露的密码子结合,然后可以重复该过程。
图片来自 "Translation: Figure 3," 由 OpenStax College, Biology (CC BY 4.0).
要了解有关每个站点独特的“工作”的更多信息,请查看关于翻译的阶段]的文章

tRNA究竟是什么?

转运 RNA (tRNA) 是特殊类型的 RNA分子. 它的工作是将mRNA密码子与它所编码的氨基酸相匹配。 你可以把它看作是两者之间的一种分子“桥梁”。
每个tRNA包含一组三个核苷酸,称为反密码子。特定tRNA的反密码子可以与一个或几个特定的mRNA密码子结合。tRNA分子还携带一种氨基酸:具体地说,就是与tRNA结合的密码子编码的氨基酸。
图像显示tRNA充当连接mRNA密码子和氨基酸的适配器。tRNA的一端具有3‘-UAC-5’反密码子,并通过互补碱基配对与具有5‘-AUG-3’序列的mRNA中的密码子结合。tRNA的另一端携带氨基酸蛋氨酸(Met),这是mRNA密码子AUG指定的氨基酸。
图片来自 "Translation: Figure 3," 由 OpenStax College, Biology (CC BY 4.0).
细胞中漂浮着许多不同类型的tRNA,每一种都有自己的反密码子和匹配的氨基酸。事实上,通常有4060种不同的类型,数量取决于物种3。tRNA与核糖体内的密码子结合,在那里它们提供氨基酸以添加到蛋白质链中。

一些tRNA与多个密码子绑定("摆动")

一些tRNA可以与不止一个密码子形成碱基对。乍一看,这似乎很奇怪:A碱基不是对应U,G不是对应C吗?
好吧...这不一定。 (生物学充满意外,不是吗?) 非典型的碱基对应——除A-U和G-C之间的配对——可以在密码子的第三个位置出现,这种现象被称为摆动
摆动配对不遵循正常的规则,但它确实有自己的规则。例如,反密码子中的G可以与密码子第三位的C或U(但不是A或G)配对,如下4所示。这样的规则确保密码子在摆动的情况下被正确读取。
摆动配对使相同的tRNA能够识别其携带的氨基酸的多个密码子。例如,苯丙氨酸的tRNA反密码子为3‘-AAG-5’。它可以与5‘-UUC-3’或5‘-UUU-3’的mRNA密码子配对(这两种密码子都是苯丙氨酸的特定密码子)。tRNA可以与这两个密码子结合,因为它可以与第三密码子位置(5‘-UUC-3’密码子与3‘-AAG-5’反密码子)形成正常碱基对,也可以与第三密码子位置(5'-UUU-3'于3'-AAG-5'反密码子)形成非典型碱基对。
摆动配对的规则确保tRNA不会与错误的密码子结合。苯丙氨酸的tRNA具有3‘-AAG-5’的反密码子,其可以与苯丙氨酸的两个密码子配对(如上所述),但不能与5‘-UUA-3’或5‘-UUG-3’密码子配对。这些密码子指定的是亮氨酸,而不是苯丙氨酸,因此这是摆动配对规则如何允许单个tRNA与相同氨基酸的多个密码子结合的例子,但不会导致氨基酸被传递到不确定的密码子的事件发生。
图片来自 "Translation: Figure 3," 由 OpenStax College, Biology (CC BY 4.0).
你可能在想:为什么地球上的细胞会想“要”像摆动这样的复杂因素?答案可能是摆动配对可以让更少的tRNA覆盖遗传密码里的所有密码子,同时可以确保正确的读取密码。

tRNA的3D结构

我喜欢把tRNA画成小矩形,以便弄清楚正在发生什么(并且有足够的空间来容纳反密码子的字母)。但真正的tRNA实际上有一个更有趣的形状,一个帮助它完成工作的形状
tRNA,就像下面的模型一样,是由一条RNA链组成的(就像mRNA一样)。然而,链具有复杂的3D结构,因为在分子的不同部分的核苷酸之间形成碱基对。这就产生了双链区域和环,将tRNA折叠成L形。
tRNA分子具有由tRNA序列中不同部分中的碱基之间的氢键连接在一起的“L”结构。tRNA的一端与特定的氨基酸(氨基酸结合位点)结合,另一端具有将与mRNA密码子结合的反密码子。
_图片源自 "TRNA-Phe yeast," by Yikrazuul CC BY-SA 3.0. 修改图片按照 CC BY-SA 3.0 条款的要求获得许可._
L形的一端具有反密码子,而另一端具有氨基酸的连接位点。不同的tRNA具有稍微不同的结构,这对于确保它们装载正确的氨基酸很重要。

在tRNA中连入氨基酸。

正确的氨基酸如何连接到正确的tRNA上(确保密码子被正确读取)? 称为氨酰tRNA合成酶的酶具有这一非常重要的任务。
每种氨基酸都有不同的合成酶,一种只能识别这种氨基酸及其tRNA(不能识别任何其他氨基酸)的合成酶。一旦氨基酸及其tRNA都附着在酶上,酶就会将它们连接在一起,在“能量源”分子三磷酸腺苷(ATP)的推动下进行反应。
每个氨基酰基tRNA合成酶的活性位点适合相关的tRNA和特定的氨基酸,就像“锁和钥匙”。然后ATP被使用以将氨基酸连接到tRNA上。
_图片源自 "Charge tRNA," by Boumphreyfr (CC BY-SA 3.0). 图表修改授权遵守CC BY-SA 3.0 ._
偶尔,氨酰tRNA合成酶会出错:它与错误的氨基酸结合(看起来与正确的靶标“相似”)。例如,苏氨酸合成酶有时会意外地捕获丝氨酸并将其连接到苏氨酸tRNA上。幸运的是,苏氨酸合成酶有一个校对位点,如果是不正确的氨基酸,它会将错误的氨基酸从tRNA上弹出5

把所有方法放在一起

一旦它们装载了正确的氨基酸,tRNAs如何与mRNAs和核糖体相互作用来构建一个全新的蛋白质?在下一篇文章翻译的阶段.]中了解有关此过程如何工作的更多信息

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