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一步一步看翻譯

你已經認識了密碼、核糖體和各種 tRNA——現在來看它們如何協同工作。我們將跟隨一個核糖體,從起始密碼子一路走到終止密碼子,一個密碼子一個密碼子地搭出一條蛋白質,最後再看一個能同時造出許多份拷貝的妙招。

所有角色都已就位

到現在為止,你已經分別認識了這一幕中的每位演員。有信使 RNA,一條每次讀三個字母、讀成密碼子的字母帶。有核糖體,那台負責讀取的兩件套機器。還有各種轉運 RNA,每一個都是一個接頭:一端帶著某種特定的胺基酸,另一端帶著相匹配的三字母反密碼子。本篇只做一件事:把它們全都請上同一個舞台,讓機器運轉起來,好讓你即時看著一條蛋白質被拼寫出來。

有一個細節能讓後面的一切都變得容易想象:核糖體有三個供 tRNA 停靠的槽位,從左到右始終讀作 A、P、E。把它想成一條流水線。A 位(A 代表 arrival,到達)是新 tRNA 停靠的地方。P 位(P 代表 peptide,肽)容納那個攜帶著整條正在生長的鏈的 tRNA。E 位(E 代表 exit,離去)是一個被騰空的 tRNA 離場的門。把這三個名字記在腦子裡——下面整套舞蹈,無非就是 tRNA 沿著 A → P → E 行進、而鏈不斷增長。

起始:在起始密碼子處布好局

在機器通電並對準正確的字母之前,什麼都造不出來。這個布局階段就是起始,它的全部工作就是在正確的起始密碼子——幾乎總是三聯體 AUG——之上組裝出一個完整的核糖體。在我們的細胞裡,核糖體小亞基在輔助蛋白的引導下,抓住 mRNA 的前端並沿著它滑行,直到找到第一個位置恰當的 AUG。一個攜帶甲硫胺酸的特殊起始 tRNA 安放到那個密碼子上,此後大亞基才合攏下來,把機器裝配完成。

讓人意外的細節是那第一個 tRNA 最終落在*哪裡*。它並不像之後每一個 tRNA 那樣從 A 位開始——它被直接放進 P 位,已經壓在 AUG 之上,甲硫胺酸蓄勢待發,準備成為鏈的頭部。這是對 A → P → E 規則唯一的例外,而它的存在大有道理:它讓 A 位空著、等待,於是第一個延伸步驟可以在第二個 tRNA 一到達的瞬間就開始。一句話,起始結束時,留下的是一個組裝完整的核糖體、坐在 P 位的鏈的第一個胺基酸,以及一個空著的 A 位。

延伸:那個反覆運行的三步循環

機器布置就緒後,真正的工作便開始了:延伸,正是這個階段真正寫出蛋白質的序列。它不是一個平滑連貫的動作,而是核糖體對每一個密碼子都重複執行的、由三個動作組成的緊湊小循環。同樣這三個動作,一遍又一遍,重複幾百次,就是一串字母如何變成一條胺基酸鏈的過程。

  1. 密碼子識別。一個反密碼子與此刻空置 A 位中的那個密碼子相匹配的 tRNA 到達並停靠在那裡,遞送出它的胺基酸。這次匹配靠鹼基配對來核對——A 配 U、G 配 C——因此只有正確的 tRNA 才會留下。叫做延伸因子的輔助蛋白消耗少量 GTP,把 tRNA 護送進來,並給核糖體一個瞬間去剔除配錯的那些。
  2. 肽鍵形成。核糖體此時通過形成一個肽鍵,把鏈連到新來的胺基酸上。這一步常被人搞反:整條正在生長的鏈,是從 P 位 tRNA 上向前移交到坐在 A 位的那個全新胺基酸上的。所以鏈並不是待在原地、在尾部添上一節——而是作為一個整體,被轉移到新來者身上。此刻鏈長了一個胺基酸,並完全懸掛在 A 位 tRNA 上。
  3. 易位。核糖體沿 mRNA 恰好向前棘進三個鹼基。這一步同時把兩個 tRNA 一起挪位:攜帶鏈的 tRNA 從 A 位滑到 P 位,已經騰空的 tRNA 從 P 位滑到 E 位,並在那裡被放走。A 位再次空出,對準下一個密碼子——循環重新開始。

一個實例:讀 AUG-GUU-AAG-UAA

我們來跑一條真實但極小的信息,一個密碼子一個密碼子地跟著它走。這條 mRNA 讀作 AUG-GUU-AAG-UAA。頭三個字母是起始,所以起始階段把甲硫胺酸放進 P 位。接下來交給延伸。對於 GUU,一個反密碼子與之配對的 tRNA 攜帶纈胺酸進入 A 位;一個肽鍵把甲硫胺酸連到纈胺酸上;易位讓核糖體向前邁一步,把鏈(此刻是 甲硫-纈)滑進 P 位。對於 AAG,一個 tRNA 攜帶離胺酸到達,成鍵,核糖體再邁一步——鏈此刻是 甲硫-纈-離。

mRNA  5'- AUG  GUU  AAG  UAA -3'
          |    |    |    |
          Met  Val  Lys  STOP
          (start)            (no tRNA -> release)

P-site chain grows:  Met -> Met-Val -> Met-Val-Lys -> released
A-site tRNA brings:        Val      Lys      (none: release factor)
三個密碼子拼出 甲硫-纈-離;第四個 UAA 是終止,結束這條鏈。

第四個密碼子 UAA,是故事轉折之處。它是一個終止密碼子,而關鍵的事實是*沒有任何 tRNA 帶著與它對應的反密碼子*。於是當 UAA 來到 A 位時,沒有任何東西停靠。那個空著、無人應答的 A 位本身,就是觸發下一階段的信號。也請留意遺傳密碼剛剛為我們做了什麼:同樣這四個字母若按錯位的閱讀框來讀,本會拼出一條完全不同的鏈——這正是當初在起始密碼子處鎖定閱讀框為何如此重要。

終止:把蛋白質切下放行

終止是收尾的一幕,而它能奏效,正是因為那個空著的 A 位。進入 A 位、壓在終止密碼子之上的,不是 tRNA,而是一種叫做釋放因子的蛋白質,它的形狀恰好能嵌進去。一旦就位,它便促使核糖體做最後一點化學操作:把完工的蛋白質從最後那個 tRNA 上切下來,釋放出這條完整的鏈。隨後核糖體散成它的兩個亞基,鬆開 mRNA,便又可以再次被使用了。

有一個常見的畫面值得誠實地糾正:終止密碼子並不編碼某種「終止胺基酸」。它根本不編碼任何胺基酸。鏈之所以終結,僅僅是因為沒有 tRNA 來應答這個終止密碼子,於是釋放因子補進那個空缺。這也是為什麼一個把普通密碼子變成提前終止的突變會如此有害——它讓蛋白質過早結束,往往造出一段無用的、被截斷的殘片。

多聚核糖體:一條信息造出許多份拷貝

最後一個想法,把這條單一的流水線變成了一座小工廠。在任一時刻,一個核糖體只蓋住 mRNA 上短短一段。所以,只要第一個核糖體越過起始密碼子、騰出了前端,第二個核糖體就能在它後面起始——接著第三個、第四個,以此類推。結果是一條 mRNA 同時被一整串核糖體串了起來,像串在線上的珠子,每一個都沿著同一條信息往前推進了一點。這支長龍就叫做多聚核糖體(或多核糖體,polysome)。

回報就是產量。一條信息可以同時被翻譯成幾十份完全相同的蛋白質拷貝,而不是一次只造一份——這正是細胞在必須迅速大量製造某一種蛋白質時所需要的。請注意什麼不變、什麼變了:串上的每一個核糖體跑的都是你剛學的那同一個 A → P → E 循環,造出彼此相同的鏈;它們之間唯一的區別,只是各自恰好走到信息的哪一段。機制並沒有改變——細胞只是在同一條帶子上同時運行它的許多份拷貝。