互动科普

复制生命设计图DNA的酶

生物体的每个细胞里都有DNA。DNA中储存着生命活动的基本信息，是生物体内最重要的物质之一。生物体以DNA中储存的蛋白质设计信息为模板，合成包括酶在内的所有蛋白质。

多细胞生物通过细胞分裂而不断成长。细胞分裂时则需准确地复制DNA。DNA聚合酶在复制DNA的过程中发挥了重要作用。

DNA分子是由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）4种碱基连接而成的一条长链。在人体细胞内，两条DNA分子通过碱基对结合在一起，形成稳定的双螺旋结构。根据碱基的互补配对原则，腺嘌呤（A）一定与胸腺嘧啶（T）配对、鸟嘌呤（G）一定与胞嘧啶（C）配对。 

DNA聚合酶利用腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对、鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对的特点来复制DNA。首先，解旋酶解开DNA分子链的双螺旋结构，然后DNA聚合酶分别与两条单链DNA结合，于是每一条单链DNA上的碱基都通过互补原则补齐配对的碱基，最后形成2条DNA链。

由此可见，酶是DNA复制过程中必不可少的重要角色。同时，酶的合成，包括DNA聚合酶在内，也离不开DNA。DNA与酶（蛋白质）的关系就像“鸡和鸡蛋”，两者缺一不可。我们不禁会问：如此复杂的机制究竟是怎样形成的呢？令人遗憾的是，这依然是现代科学无法破解的一个巨大的谜团。

图1. DNA的复制机制

图片描绘了DNA聚合酶复制DNA的过程。解开双螺旋结构后的两条DNA单链的复制方法各不相同。图片描绘了其中一条链（前导链）的复制过程。左侧为DNA聚合酶：以解开的DNA链为模板排列碱基。DNA聚合酶结合到一条DNA链上，如果“飞来”的碱基（核苷酸）与这条DNA链相对应的话，则引发化学反应使其配对。DNA聚合酶每秒钟可催化1000个碱基配对结合，而且配对精度非常高。与前导链的碱基错误配对的情况，在100万个碱基中只出现1次。右侧为滑动夹：帮助DNA聚合酶持续进行复制。滑动夹是一种蛋白质，位于DNA聚合酶的后面。滑动夹能够帮助DNA聚合酶长时间进行复制。

识别对方是否正确的酶

酶是由氨基酸按照一定的顺序聚合而成的（参考第38～39页）。氨基酸的序列信息则储存在DNA上。即便只有1个氨基酸的排列顺序与DNA中储存的信息不符的话，也会使酶的形状出现错误或者丧失功能。    

核糖体是蛋白质的“制造工厂”，转运RNA（tRNA）则是负责向核糖体运送氨基酸的“搬运工”。氨基酰-tRNA合成酶负责将特定的氨基酸“装载”到相应的tRNA分子上。当然，它首先要识别tRNA和氨基酸是否正确，之后才“允许”两者结合在一起。

由于氨基酸有20种，所以也有20种不同的氨基酰-tRNA合成酶。每一种酶各司其职，负责催化一种氨基酸与其相应的tRNA结合。其中，催化异亮氨酸与其相应的tRNA结合的酶具有一套特殊机制，可以识别是否选择了正确的氨基酸。

首先，如果氨基酸准确无误地进入了酶的凹槽的话，异亮氨酸的氨基酰-tRNA合成酶就会认定这个氨基酸是异亮氨酸，于是“允许”它与相应的tRNA结合。不过，另外一种氨基酸——缬氨酸与异亮氨酸的形状非常相似，因此，当缬氨酸恰巧进入酶的凹槽时，异亮氨酸的氨基酰-tRNA合成酶有时会误将其当作异亮氨酸，“允许”其与tRNA结合。

因此，这种酶在释放出tRNA之前要进行“确认工作”，也就是说，要确认一下与tRNA结合的氨基酸能否进入酶的第二个凹槽中。缬氨酸刚好能进入这个凹槽，异亮氨酸则无法进入。当氨基酸进入了凹槽时，酶就会“意识”到“错误地结合了缬氨酸”，并立即切断该结合。与此相反，当氨基酸无法进入凹槽时，酶则认为“正确地结合了异亮氨酸”，于是就“爽快”地释放出tRNA。通过“确认工作”，缬氨酸代替异亮氨酸错误结合的几率能从1/150下降到1/3000。

要想按照DNA储存的信息合成蛋白质的话，有一个条件必须满足，那就是tRNA必须搬运来正确的氨基酸，这关系到氨基酰-tRNA合成酶的合成准确性。

图2. 是否选择了正确的氨基酸

氨基酸与tRNA结合后，异亮氨酸的氨基酰-tRNA合成酶要再次“确认”一下与tRNA结合的氨基酸是否正确。首先酶催化异亮氨酸与所对应的tRNA结合。如果没有与异亮氨酸结合，而是与缬氨酸结合的话，则出现错配的tRNA。然后借助于第2个凹槽来确认是否正确地结合了异亮氨酸，当tRNA与异亮氨酸准确无误地结合时，因为形状与第2个凹槽不吻合，所以很快就会离开。与此相反，当错误地与缬氨酸结合时，因为形状与第2个凹槽吻合，于是，酶会立即切断tRNA与缬氨酸的结合。当tRNA与氨基酸的结合被切断后，tRNA被释放出来。直到再次遇到氨基酰-tRNA合成酶，这个tRNA与氨基酸一直处于游离状态。当氨基酸无法进入第2个凹槽时，tRNA被释放出来，将在核糖体中被用来合成蛋白质。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）