肽链的延伸

肽链的延伸是指以mRNA为模板，由特异tRNA携带相应的氨基酸运至核糖体的受位，使肽链依次从N端向C端逐渐延长的过程。原核生物肽链延长需要的蛋白质因子称为延长因子（elongation factor，EF），包括EF-T和EF-G。

（一）氨基酸的活化与搬运

在进行肽链合成之前，氨基酸必须通过活化，并经tRNA搬运，才能按照mRNA中的密码有序连接。氨基酸的活化是指氨基酸的α-羧基与特异tRNA的3′末端CCA-OH结合形成氨基酰-tRNA的过程，由氨基酰-tRNA合成酶催化完成。反应分两步进行，第一步是在氨基酰-tRNA合成酶的催化下，由ATP提供能量，在氨基酸羧基上进行活化，形成氨基酰-AMP；第二步在同一个氨基酰-tRNA合成酶催化下，活化的氨基酸被转移到tRNA分子上。所有tRNA的3′端具有相同的3个核苷酸序列（CCA）。活化的氨基酸即与tRNA3′末端的腺苷酸（A）的2′或3′位的-OH以酯键相结合，形成相应的氨基酰-tRNA（图4-9），并被转运参与多肽链的合成。

图4-9　氨基酰-tRNA的合成

氨基酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase）是一类催化氨基酸与tRNA结合的酶。它们既能识别特定氨基酸，又能识别转运该种氨基酸的tRNA。每一种氨基酸至少有一种氨基酰-tRNA，该酶在有ATP和Mg2＋存在下，既能催化氨基酸的活化，又能催化活化氨基酸与相应tRNA结合，形成特定的氨基酰-tRNA。在体内，同一种氨基酸常有数种相应tRNA结合，该酶对tRNA的选择较对氨基酸的选择性稍低。

氨基酰-tRNA合成酶的种类很多，它们在分子大小、一级结构以及亚基数量等方面都不相同。有些氨基酸的结构差异很小，在酶催化氨基酰-tRNA合成时有可能发生错误。此时，氨基酰-tRNA合成酶可发挥校对作用，使错配的氨基酰从tRNA上水解下来，确保特异氨基酰-tRNA的合成，从而保证遗传信息翻译的准确性。

（二）延长因子

大肠埃希菌延长因子（elongation factor，EF）有以下三种。

1．热不稳定的EF（unstable temperature EF，EF-Tu） 其功能是与氨基酰-tRNA以及GTP结合形成三元复合体EF-Tu·GTP·AA-tRNA，将氨酰-tRNA转入核糖体的A位。

2．热稳定的EF（stable temperature EF，EF-Ts） GTP交换蛋白，使EF-Tu·GDP转变为EF-Tu·GTP，后者可再被利用。

3．EF-G 是一种依赖于核糖体的GTPase，能将GTP水解，并具有移位酶作用。在翻译过程中，每加入一个氨基酸并完成连接后，肽酰-tRNA都要从A位移至P位，核糖体与mRNA相对移动一个密码子的距离，并放出游离的tRNA，这个过程需要EF-G和GTP。

（三）肽链的延伸

肽链延长过程是一个循环过程，每个循环包括进位（entrance）、转肽（peptide bond formation）和移位（translocation）3个步骤（图4-10）。

1．进位 与mRNA第二个密码子所对应的氨酰-tRNA进入核糖体A位上称为进位，又称注册（registration）。氨酰-tRNA进入核糖体A位是由延长因子EF-Tu介导的，而EF-Tu介导氨酰-tRNA进入核糖体A位的过程又受到几个因素的控制：①EF-Tu的活性受鸟苷酸状态的调节。结合GTP时，EF-Tu处于活性状态，当GTP被水解为GDP时，EF-Tu就处于无活性状态；②EF-Tu·GTP只有与氨酰-tRNA结合后才会与核糖体结合；③氨酰-tRNA与EF-Tu·GTP形成三元复合物，这种三元复合物只有在核糖体的P位被肽酰-tRNA占据时才会与核糖体的A位结合，从而使肽键能够正确地形成。

氨酰-tRNA-EF-Tu·GTP三元复合物进入到核糖体的A位，通过tRNA的反密码子与mRNA上的第二个密码子（已进入A位）结合，以及tRNA的TψC环与存在于核糖体A位上的5SrRNA的相互作用引起EF-Tu的构象发生改变，水解GTP，EF-Tu·GDP从核糖体释放。EF-Tu·GDP是无活性的，不能有效结合氨酰-tRNA。延长因子EF-Ts可使无活性的EF-Tu再生。EF-Ts取代GDP与EF-Tu结合，随后GTP可取代EF-Ts而与EF-Tu结合，使EF-Tu活化，EF-Tu·GTP又可结合氨酰-tRNA。而被释放的EF-Ts可循环使用。

2．转肽 进位后，核糖体的A位和P位上各结合了一个氨酰-tRNA，在肽酰转移酶（peptidyl transferase）的催化下，P位上的起始tRNA所携带的甲酰甲硫氨酰基的α-羧基与A位上氨基酸的α-氨基形成肽键，从而使P位上的氨基酸连接到A位氨基酸的氨基上，此过程称为转肽反应（transpeptidation）。转肽反应不需要GTP等辅助因子。催化转肽反应的肽酰转移酶位于核糖体大亚基，其中心含有23SrRNA，该rRNA在转肽酶活性中起重要作用。

图4-10　原核生物肽链合成的延长阶段

3．移位 转肽后，肽酰tRNA占据核糖体A位，P位上的是失去氨酰基的tRNA。延长因子EF-G可促使A位的肽酰tRNA移位，进入P位，同时使P位的tRNA释放。延长因子EF-G也是GTP结合蛋白，其活性受GTP调节，EF-G·GTP可结合核糖体，与核糖体结合后，EF-G催化GTP水解，为移位提供能量，使mRNA与核糖体相对移位一个密码子的距离，P位上的tRNA释放，A位上的肽酰-tRNA移到P位，mRNA分子上的第3个密码子进入到A位，为下一个氨酰-tRNA进位做好准备。EF-G·GTP转变为EF-G·GDP后，EF-G即转变为无活性状态，从核糖体释放。

以后，肽链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位、转肽、移位的步骤，核糖体依次沿5′→3′方向阅读mRNA的遗传密码，肽链不断从氨基端向羧基端延长，直至所需长度。