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催化酶的结构基础

2022.4.19

参与翻译生化反应的有多种酶,但其核心生化反应主要由两类酶参与:催化腺苷化反应和tRNA装载的氨酰-tRNA合成酶、催化肽键合成的核糖体核酶。下面将进一步探讨这两种酶的结构生物学基础,以及它们确保反应准确发生的校正机制。

氨酰-tRNA合成酶

氨酰-tRNA合成酶有四个结构域和三个活性位点。由于每种tRNA只能结合特定氨基酸,所以氨酰-tRNA合成酶必须确保tRNA和氨基酸之间的正确配对。

其四个结构域分别结合tRNA受体臂(第1结构域)、反密码子区域(第2结构域,其中1个碱基用来被识别)、ATP和正确AA(第3结构域)、错误AA(第4结构域)。

三个活性位点分别位于第1结构域(催化tRNA装载)、第3结构域(催化腺苷化反应)、第4结构域(催化错误氨基酸水解)。

错误氨基酸在这里一般指的是和该tRNA不匹配,但又由于化学性质类似而容易被错误装配的氨基酸。氨酰-tRNA第3结构域内的AA结合位点对于匹配的正确AA具有高亲和力,而对错误AA亲和力较低,但依然会有概率结合而催化后续的两步反应。但由于第4结构域对错误AA的高亲和力,可以大概率将周围的错误AA先行“捕捉”并且水解,防止其参与后续反应。这就是氨酰-tRNA合成酶的第一个校正机制,是化学或酶学机制。

第二个校正机制是动力学机制。正确的AA和tRNA组由于在合成酶中处于正确的位置而更容易得以被催化,导致反应的发生。

值得注意的是,翻译和转录的校正机制往往没有基因复制的高保真度。从生物学意义角度来看,翻译的单个氨基酸出错只会影响一个蛋白的功能,而基因复制错误则可能会影响一类蛋白终生的表达。

核糖体核酶

核糖体由大小两个亚基组成,其rRNA占到组分的50%,剩余的50%是一些小型蛋白。蛋白质的主要作用是维持rRNA的正确折叠,但值得注意的是,所有的催化作用都是rRNA介导的。

核糖体有两个通道:mRNA-tRNA通道(贯穿三个tRNA结合位点:A、P、E)和肽链出口通道。大部分新合成的肽链都是在离开核糖体后才开始折叠,而在肽链出口通道可以先行形成α螺旋。

核糖体的三个位点各自结合不同的组分。A位点结合AA-tRNA,P位点结合肽链-tRNA和起始AA-tRNA。E位点结合即将释放的tRNA。最重要的肽键合成发生于A位点和P位点之间,故位于这两个位点的tRNA的受体臂3'端在空间结构上距离很近以方便反应的发生,而E位点则距离较远。在A、P位点的tRNA均和mRNA存在氢键互作,而在E位点的tRNA距离mRNA较远,并无互作,方便其尽快脱离。

在核糖体中,有两个重要的区域:肽酰转移中心(肽键合成)和解码中心(mRNA-tRNA互作)。在tRNA和rRNA的共同作用下,肽酰转移得以催化。而tRNA的正确匹配在肽键合成过程中是必须的(详见下文翻译的延伸)。

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