蛋白質的生物合成

蛋白質的生物合成內(nèi)容提要：???mRNA和遺傳密碼

tRNA核糖體?參與蛋白質合成的酶及蛋白質因子??多肽鏈生物合成的機理蛋白質翻譯后的加工和定向運輸?shù)鞍踪|的生物合成亦稱為翻譯（Translation），即把mRNA分子中的核苷酸排列順序轉變?yōu)槎嚯逆溨械陌被崤帕许樞?，并形成蛋白質高級結構的過程。轉錄是基因表達的第一步，翻譯是基因表達的第二步。參與蛋白質生物合成的成分至少有200種，其中主要由mRNA、tRNA、核糖核蛋白體以及有關的酶和蛋白質因子共同組成。肽鏈合成完成后，還需要進行折疊、修飾、運輸?shù)冗^程才能執(zhí)行其功能。第一節(jié)mRNA和遺傳密碼mRNA

以

它

分

子

中

的

核

苷

酸

排

列

順

序

攜

帶

從

DNA

傳

遞

來

的遺傳信息，是蛋白質生物合成的模板。不同的蛋白質有不同的mRNA，所以mRNA的種類很多，它決定蛋白質分子中的氨基酸排列順序。mRNA分子中有編碼區(qū)和非編碼區(qū)，直接決定氨基酸排列順序的區(qū)域稱為編碼區(qū)，其它部分稱為非編碼區(qū)。mRNA攜帶從DNA傳遞來的遺傳信息，是蛋白質生物合成的模板。它決定蛋白質分子中的氨基酸排列順序。大腸桿菌Trp前導序列的3種可能的可讀框原核細胞中每種mRNA分子常帶有多個功能相關的蛋白質的編碼信息，以一種多順反子的形式排列，在翻譯過程中可同時合成幾種蛋白質，所以除兩端的非編碼區(qū)外，還有分割不同基因的間隔區(qū)。真核細胞每種mRNA一般只帶有一種蛋白質編碼信息，是單順反子形式。mRNA兩端有非編碼區(qū)，非編碼區(qū)對于mRNA的模板活性是必需的，特別是5′端非編碼區(qū)在蛋白質合成中被認為是與核糖體結合的部位，其頭部帽子結構在蛋白因子的協(xié)助下識別并結合核糖體。a

多順反子;b

單順反子遺傳密碼（genetic

code）是指DNA或mRNA中的堿基序列與蛋白質中氨基酸序列的相互關系。mRNA分子上以5′→3′方向，從AUG開始每三個連續(xù)的核苷酸組成一個密碼子，mRNA中的4種堿基可以組成64種密碼子，這些密碼不僅代表了20種氨基酸，還決定了翻譯過程的起始與終止位置。指DNA或mRNA中的堿基序列,決定蛋白質中氨基酸的排列順序。遺傳密碼破譯遺傳密碼的突破性工作主要包括：一是體外翻譯系統(tǒng)的建立；

二是核酸的人工合成：三是核糖體結合技術。

遺傳信息是如何儲藏在4種核苷酸中的？一、核酸的人工合成：1955年

紐約大學Grunberg-Manago將核苷酸連接起來的酶形成RNA聚合體polyA

polyCpolyGpolyUpolyAU二、體外翻譯系統(tǒng)的建立：1960年

Matthei

31歲

德國人美國國家健康研究所

老板

33歲的Nirenberg將ATP和游離的氨基酸加入到從細胞中提取的核糖體、DNA、mRNA、tRNA和AA-tRNA合成酶的混合物中，在試管中合成多肽---多肽鏈的無細胞合成體系問題：poly

U主要利用了

哪些氨基酸呢？

不同的氨基酸分別加入到poly

U試管系統(tǒng)中

5天通宵達旦，

Matthei得到了答案：poly

U合成的肽

鏈全部是苯丙氨酸（Phe）

世界上破譯第一個遺傳密碼的人

Nirenberg

莫斯科

第五屆國際生物化學大會不善于推銷自己

小組會上

Meselson認為非同小可Francis

Crick

全體大會上重新做學術報告Nirenberg全力組織其他遺傳密碼的破譯Nirenberg發(fā)現(xiàn)并定義了3個核苷酸為一個密碼子，決定一個氨基酸的翻譯

Khorana按需要連接任意核苷酸

ACACACACACACACthr-his-thr-his鏈

ACA——蘇氨酸的密碼子

CAC——組氨酸的密碼子14三、核糖體結合技術Nirenberg和Leder還用核糖體結合技術來解決密碼問題。以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等為模板，在含核糖體、AA-tRNA的適當離子強度的反應液中保溫，然后使反應液通過硝酸纖維素濾膜。發(fā)現(xiàn)游離的AA-tRNA因相對分子質量小而能自由通過濾膜，加入三核苷酸模板可以促使其對應的AA-tRNA結合到核糖體上，體積超過膜上的微孔而被滯留，這樣就能把已經(jīng)結合到核糖體上的AA-tRNA和未結合的分開。若用20種AA-tRNA做20組同樣的實驗，每組都含20種AA-tRNA和各種三核苷酸，但只有一種氨基酸用

C標記，看哪一種AA-tRNA被滯留在濾膜上，進一步分析這一組的模板是哪個三核苷酸，從模板三核苷酸與氨基酸的關系可測知該氨基酸的密碼子。

1966年，Nirenberg和Khorana

全部遺傳密碼字

典

64個密碼子61個負責20種氨基酸翻

譯，3個無義密碼子

Nirenberg

和

Khorana1968年

諾貝爾獎遺傳密碼特點：（1）起始與終止密碼子。AUG是起始密碼子，代表合成肽鏈的第一個氨基酸在mRNA上的位置，位于mRNA

5′端附近。原核細胞中起始AUG編碼N-甲酰甲硫氨酸。真核生物AUG作為甲硫氨酸的密碼子。密碼子UAA，UAG，UGA是肽鏈合成的終止密碼子（無義密碼子），不代表任何氨基酸。它們單獨或同時存在于mRNA3′端，其功能是提示肽鏈合成的結束。（2）讀碼的連續(xù)性。三聯(lián)體密碼子無交叉重疊，兩個密碼子之間沒有任何間隔，從起始碼AUG開始，每三個堿基代表一個氨基酸，這就構成了一個連續(xù)不斷的閱讀框，直至終止密碼。如果閱讀框中插入或缺失一個堿基就會造成移碼突變，引起突變位點下游氨基酸全部序列的錯誤。（3）密碼的簡并性。除三個終止密碼子外，61個密碼子編碼20種氨基酸，所以出現(xiàn)了多種密碼子（最多為6個）編碼一個氨基酸的現(xiàn)象，這稱為密碼子的簡并性（degeneracy）。這種簡并性主要是由于密碼子的第三個堿基發(fā)生擺動現(xiàn)象形成的，即密碼子的專一性主要由前兩個堿基決定，有時即使第三個堿基發(fā)生突變也能翻譯出同一種氨基酸，這對于保證物種的穩(wěn)定性有一定意義。如：GCU，GCC，GCA，GCG都是丙氨酸的密碼子。同一種氨基酸的一組密碼子中，各個密碼子的使用頻率是不相同的，而且原核生物和真核生物對同一組密碼子的使用頻率相差很大。（4）密碼的通用性。密碼子在所有的生物體中（除一些古細菌和粒線體以外）通用，各種低等和高等生物基本上都使用同一套遺傳密碼。例如，大腸桿菌的蛋白質合成系統(tǒng)可以正確閱讀人珠蛋白mRNA的密碼系統(tǒng)，合成出人珠蛋白。第二節(jié)tRNA遺傳信息的正確翻譯需要一個適配分子的承接過程：①氨基酸需要正確選擇并附著到對應的tRNA上。②正確連接氨基酸的tRNA能夠被mRNA正確識別。Francis

Crick提出，密碼信息的翻譯需要經(jīng)過一個適配分子來實現(xiàn)。適配分子攜帶一種特定氨基酸和對應的密碼子(反密碼子），該密碼子可以與mRNA的密碼子互補。體外蛋白質合成和標記遺傳密碼實驗顯示，氨基酸短暫地連接到一些低分子量RNA片段上。tRNA的結構：tRNA的結構相當保守，各種物種的tRNA均含有70-80個堿基，

tRNA均具有三葉草形的二級結構和L形狀的三級結構。從二級結構上看，

tRNA分子可分為5個主要的臂：攜帶氨基酸的接受臂、T

loop、反密碼子臂、雙氫尿嘧啶臂和附加臂。前四種序列保守性強，而附加臂大小不一。附加臂的大小反映了整個tRNA分子的大小。根據(jù)附加臂的大小，可將tRNA分為兩類：大約3/4的tRNA只含有3-5個堿基的附加臂，稱為第I類tRNA；其余的tRNA常含有13-21個堿基的附加臂，稱為第II類tRNA。tRNA的二級結構tRNA的三維空間結構（a）及模型（b）在

L

形

結

構

中

，

接

受

臂

和

反

密

碼

子

臂

分

別

位

于

兩

條

雙

螺

旋

的

頂

端

，

這

樣

使

得

tRNA

所

攜帶的氨酰

基

靠

近

核

糖

體

大

亞

基

的

肽

基

轉

移

酶

位

點

，

而

反

密

碼

子

能

夠

與

小

亞

基

上

的

mRNA

密

碼

子

配對。三維結構主要是靠堿基之間的氫鍵力維持，此外，相鄰堿基堆集力也是維持其空間結構的重要因素。tRNA

能轉移氨基酸到延長

的多肽中的小分子RNA。在

模

板

mRNA

的

編

碼

信

息

與

蛋

白

質

的

氨

基

酸

序

列

之

間起承接作用。通

過

反

密

碼

環(huán)

上

反

密

碼

子

的

三

個

堿

基

與

mRNA

分

子

上

密

碼

子

的

三

個

堿

基

反

向

配

對

形

成

氫

鍵

，

達

到

相

互

識別的目的。反密碼子（anticodon）與副密碼子（paracodon）：由于有61個密碼子分配給20種氨基酸，因此出現(xiàn)了有多種密碼子（最多6個）編碼一個氨基酸的現(xiàn)象，即密碼子的簡并性。一種tRNA分子常常能夠識別一種以上的同一種氨基酸的密碼子（同義密碼子），這是因為tRNA分子上的反密碼子與密碼子的配對具有搖擺性（密碼子的變偶性）（wobble），即在密碼子的3′端位置和反密碼子的5′端位置的核苷酸堿基之間可能發(fā)生非標準的堿基配對。配對的搖擺性完全是由tRNA反密碼子loop的空間結構所決定的。在tRNA分子的空間結構中，相鄰堿基存在著堿基堆集力。然而，反密碼子5′端的一個堿基卻處在一連串堆集堿基的末端，它受的堿基堆集力較小，因此有較大的自由度。而且，反密碼子5′端堿基常為修飾過的堿基，很少有U，而幾乎沒有A；A被修飾為I（次黃嘌呤），它可以和U，C，A配對。加上RNA中常見的G-U配對，因此配對情況就復雜得多.由于變偶性，只需要32種

tRNA就能識別61個編碼氨基酸的密碼子。單一tRNA的氨基酸只有組氨酸、色氨酸和硒代半胱氨酸。同工tRNA，如精氨酸和纈氨酸有7個tRNA，而亮氨酸有8個tRNA。這些不同tRNA接受相同的特定氨基酸。tRNA分子上與多肽合成有關的位點

3′端CCA上的氨基酸接受位點

識別氨酰-tRNA合成酶的位點

核糖體識別位點

反密碼子位點

(P107)tRNA分子上能被氨酰基-tRNA合成酶所識別，并決定其攜帶氨基酸的區(qū)域被稱為副密碼子。其特點：（1）是一種堿基對結構，具有一定的保守性，如G3：U70

堿基對；（2）沒有固定的位置，也可能不止一個堿基對；（3）副密碼子與氨基酸的側鏈基團有某種相應性。成酯鍵。D環(huán)（二氫尿嘧啶環(huán)）：在這一區(qū)域總是含有修飾的尿嘧啶可變環(huán)：

位于TΨC環(huán)和反密碼子環(huán)之間，由3-21個堿基組

堿基。受成體。臂：包含tRNA的兩個末端，且互補配對（常為7bp）。反3密’-碼末子端環(huán)不：變能的與序m列RNA是的CCA密，碼突子出進于行5堿’-基末互端補。配氨對基，酸破的譯-mRNACOOH上與的接核受苷臂酸末語端言的。腺嘌呤核苷酸的2’-或3’-OH相連，形TΨC環(huán)：

Ψ代表修飾堿基假尿嘧啶，通過堿基上的5-C而不是1-N與核糖相連接。第三節(jié)

核糖體的特性與功能核糖體

由幾種rRNA和幾

十種蛋白質組成的亞細

胞顆粒。作用

蛋白質合成的場

所。一、核糖體的存在形式在真核生物細胞內(nèi)核糖體以兩種形式存在：一

是

附

著

在

內(nèi)

質

網(wǎng)

的

膜

表

面

，

稱

為

附

著

核

糖

體

，它

與

內(nèi)

質

網(wǎng)

形

成

復

合

細

胞

器

，

即

粗

面

內(nèi)

質

網(wǎng)

，

合

成

三類

蛋

白

質

：

溶

酶

體

蛋

白

質

、

分

泌

到

胞

外

的

蛋

白

質

和

構成質膜骨架的蛋白質。二

是

自

由

的

存

在

于

胞

質

中

，

呈

游

離

狀

態(tài)

，

稱

游

離核

糖

體

（

見

下

圖

）

，

合

成

細

胞

溶

質

或

細

胞

器

膜

的

蛋

白質，主要參與細胞固有蛋白質的合成。在

原

核

生

物

細

胞

內(nèi)

核

糖

體

也

以

兩

種

形

式

存

在

：

一是

附

著

在

質

膜

內(nèi)

側

的

核

糖

體

，

即

附

著

核

糖

體

；

二

是

游離狀態(tài)的核糖體，分布在細胞質基質內(nèi)。圖

：

真核生物細胞內(nèi)核糖體以兩種形式存在二、核糖體的組成和來源核糖體是一種顆粒狀的結構，沒有被膜包裹，直徑約為25nm，主要成分是蛋白質和RNA。核糖體的蛋白質稱為r蛋白，

含

量

約

占

4

0%

，

主

要

分

布

在

核

糖

體

的

表

面

。

核

糖

體

的RNA

稱

為

rRNA，

含

量

約

占

6

0%

，

位

于

內(nèi)

部

。

rRNA

與

r

蛋

白以

共

價

鍵

相

連

。

無

論

是

原

核

生

物

還

是

真

核

生

物

，

它

們

的

基因

組

中

都

含

有

大

量

的

、

串

聯(lián)

重

復

的

rRNA

基

因

，這是

與蛋白質合成中需要大量的核糖體相適應的。原

核

生

物

有

5

S、16S、23S

三

種

rRNA，

由

前

體

rRNA

經(jīng)

過一系列的加工修飾獲得了具有生物功能的rRNA（圖1-2）。圖1-2原核生物核糖體RNA的產(chǎn)生真

核

生

物

中

有

5

.8S、18S、28S

和

5

S

四

種

rRNA，

前

三

種rRNA

為

主

體

rRNA，

它

們

由

RNA

聚

合

酶

I

轉

錄

而

來

，

主

體rRNA

基

因

組

成

重

復

單

位

，

轉

錄

出

一

個

4

5S

rRNA，

然

后

通過

加

工

處

理

成

為

5

.8S

rRNA、18S

rRNA

和

2

8S

rRNA。5SrRNA

是

由

RNA

聚

合

酶

III

轉

錄

而

來

，

它

與

主

體

rRNA

基

因

的組織形式不同（圖1-3）。真

核

生

物

核

糖

體

蛋

白

質

在

細

胞

質

中

產(chǎn)

生

，

然

后

轉

運

到細

胞

核

中

，

在

核

內(nèi)

與

核

糖

體

RNA

結

合

成

為

大

小

亞

基

，

并

分別轉運到細胞質中（圖1-4）。圖1-3

真核生物核糖體RNA的產(chǎn)生圖1-4

真核生物核糖體兩個亞基產(chǎn)生的過程2+三、核糖體的類型有

兩

種

類

型

的

核

糖

體

：

一

種

是

7

0S

的

核

糖

體

。

原

核

細

胞

的

核

糖體是7

0S，真核細胞中線粒體和葉綠體內(nèi)的核糖體接近7

0S，由50S和30S大小兩個亞基組成（圖1-5；表1-1）。另一種是80S的核

糖

體

，

真

核

細

胞

的

核

糖

體

（

除

線

粒

體

和

葉

綠

體

核

糖

體

外）都為

8

0S，

由

6

0S和40S大小兩個亞基組成（圖1

-5

）。體外實驗表明

，

70S

核

糖

體

的

兩

個

亞

基

在

溶

液

中

的

解

離

與

否

取

決

于

Mg

的濃度（圖1-6）。圖1-5原核生物與真核生物核糖體成分的比較表1-1

大腸桿菌細胞中核糖體的組成成分圖1-6

E.coli細胞中核糖體的組成(A)小亞基

(B)大亞基

(1)頭部(2)平臺

(3)底部

(4)脊

(5)中央的突起

(6)背面

(7)莖

(8)前面四、核糖體的結構與功能核糖體是合成蛋白質的場所，由大小兩個亞基組成（圖1

-7

）。功能核糖體的形成是一個自我裝配過程，不需要其它大分

子

的

參

與

，

大

小

亞

基

都

是

由

核

糖

體

蛋

白

質

與

rRNA

組

裝

而成

，

但

是

這

種

裝

配

表

現(xiàn)

出

先

后

層

次

性

。

研

究

表

明

，

不

同

生

物中

r

蛋

白

之

間

普

遍

存

在

很

高

的

同

源

性

。

對

rRNA

特

別

是

1

6SrRNA結構（圖1-8、9、10）的研究發(fā)現(xiàn)，16S

rRNA一級結構和

二

級

結

構

是

非

常

保

守

的

。

由

于

各

種

生

物

體

都

含

有

1

6

SrRNA，

因

此

，

有

人

主

張

對

生

物

界

的

劃

分

以

1

6S

rRNA

是

科

學的

，

并

提

出

了

有

影

響

的

“

三

界

系

統(tǒng)

進

化

樹

”

和

“

內(nèi)

共

生

假

說

”

。核

糖

體

上

具

有

一

系

列

與

蛋

白

質

合

成

有

關

的

結

合

位

點

與

催

化

位點，見圖1-11、12、13、14。核

糖

體

中

rRNA

的

主

要

功

能

有

：

①

具

有

肽

酰

轉

移

酶

的活

性

；

②

為

tRNA

提

供

結

合

位

點

（

A

位

點

、

P

位

點

和

E

位點

）

；

③

為

多

種

蛋

白

質

合

成

因

子

提

供

結

合

位

點

；

④

在

蛋

白質

合

成

起

始

時

參

與

mRNA

選

擇

性

地

結

合

以

及

在

肽

鏈

的

延

伸中

與

mRNA

結

合

。

⑤

核

糖

體

大

小

亞

基

的

結

合

、

校

正

閱

讀

等都與rRNA有關。核

糖

體

中

r

蛋

白

的

主

要

功

能

有

：

①

對

rRNA

折

疊

成

有

功能

的

三

維

結

構

是

必

須

的

；

②

在

蛋

白

質

合

成

中

，

核

糖

體

的

空間

構

象

發(fā)

生

一

系

列

的

變

化

，

某

些

r

蛋

白

可

能

對

核

糖

體

的

構

象起

“

微

調

”

作

用

；

③

在

核

糖

體

的

結

合

位

點

上

甚

至

可

能

在催化作用中，r蛋白與rRNA共同行使功能。圖1-7

E.

coli

核糖體大小亞基及不同功能位點立體模式圖圖1-8

E.

coli核糖體小亞基中核糖體蛋白與16S

rRNA的分布圖1-9E.coli

16S

rRNA、5S

rRNA的二級結構圖1-10

經(jīng)X射線晶體學所推測的16S

rRNA的三級結構圖1-11

核糖體中主要功能部位示意圖主要功能部位有：與mRNA的結合位點、A位點（氨?；猼RNA結合位點）、P位點（肽?；猼RNA結合位點）、E位點（肽酰轉移酶位點），以及轉肽酶活性部位等。mRNA結合位點

位于30S小亞基頭部，負責與mRNA的結合P位點

肽?；鵷RNA位點，結合起始氨基酰tRNA，并在延伸中向A位給出肽基的位置A位點

氨酰tRNA位點，結合一個新進入的氨基酰tRNA

的位置

E位點

延伸的多肽鏈轉移到氨酰tRNA上釋放的空tRNA的位點轉肽酶活性部位

位于P位點和A位點的連接處。參與蛋白質合成的各種蛋白因子的結合位點延伸因子Tu-tRNA復合物、轉位因子EF-G、釋放因子RF1/2-RF3結合到相同的核糖體位點上圖1-14

蛋白質合成過程中其它重要因子的結合位點核糖體能容納兩個tRNA分子和35個堿基左右的mRNA分子。圖1-12核糖體和tRNA大小的比較圖1-13

tRNA和mRNA以相同的方向通過核糖體五、多聚核糖體在

細

胞

內(nèi)

多

個

核

糖

體

串

聯(lián)

在

一

條

mRNA

分

子

上

，

并

高

效

地

進行

肽

鏈

的

合

成

，

這

種

具

有

特

殊

功

能

與

形

態(tài)

結

構

的

核

糖

體

與mRNA

分

子

的

聚

合

體

稱

為

多

聚

核

糖

體

（

polysome），mRNA的

長

度

決

定

了

多

聚

核

糖

體

上

的

核

糖

體

數(shù)

目

。

原核細

胞中，

在mRNA

合成的同時，核糖體就結合到mRNA上，即由DNA轉錄

mRNA

和

由

mRNA

翻

譯

成

蛋

白

質

是

同

時

并

幾

乎

在

同一部位進

行

，

所

分

離

的

多

聚

核

糖

體

常

常

與

DNA

結

合

在

一

起

（

圖

1

-15）。真核細胞中，多聚核糖體或附著在內(nèi)質網(wǎng)上，或游離在

細

胞

質

基

質

中

。

研

究

表

明

，

游

離

的

多

聚

核

糖

體

結

合

在

細

胞骨架上（圖1-16）。圖1-15E.coli

細胞中的多聚核糖體

多核糖體循環(huán)

在細胞內(nèi)一條mRNA鏈上結合著多個核糖體，多達幾百個。每個核糖體都獨立完成一條多肽鏈的合成，在一條mRNA鏈上同時合成多條相同的多肽鏈，這就大大提高了翻譯的效率。mRNA的最大利用率是每80個核苷酸有一個核糖體。圖1-16

真核細胞中的多聚核糖A：一系列的核糖體能同時翻譯相同的真核生物mRNA分子B：來自真核細胞中的一個多聚核糖體的電子顯微鏡照片第四節(jié)參與蛋白質合成的酶及蛋白質因子氨?；?tRNA合成酶：tRNA

作

為

“

承

接

器

”

分

子

，

能

夠

使

mRNA

分

子

上

核

苷

酸

序

列

的遺

傳

密

碼

轉

變

為

多

肽

鏈

的

氨

基

酸

序

列

，

其

關

鍵

在

于

氨

酰tRNA

合

成

酶

專

一

性

的

正

確

識

別

tRNA

分

子

，

并

結

合

特

定

的氨基酸到tRNA分子的接受臂的3′端。氨酰tRNA合成酶催化反應分兩步：第

一

步

是

識

別

它

所

催

化

的

氨

基

酸

以

及

另

一

底

物

ATP，

在

它

的

催

化

下

，

氨

基

酸的羧基與AMP上的磷酸之間形成一個酯鍵，同時釋放出一分子PPi：氨基酸

+

ATP→氨酰－AMP

+

PPi第二步是通過形成酯鍵，將氨基酸連接到tRNA

3′端腺苷酸的核糖上：氨酰-

AMP

+

tRNA→氨酰-tRNA

+

AMP氨基酸與核糖之間形成的高能酯鍵對于蛋白質合成中肽鍵的形成是十分重要的。絕

大

多

數(shù)

細

胞

內(nèi)

有

2

0

種

不

同

的

氨

酰

tRNA

合

成

酶

，

每

種

酶

對

應

一

種

氨

基酸，但可以和該氨基酸的多個同工受體tRNA結合。蛋白質生物合成過程第二步反應氨基酰-AMP-E＋tRNA

氨基酰

-tRNA＋AMP＋E第二節(jié)1氨基酸的活化第一步反應

氨基酸

＋ATP-E

氨基酰-AMP-E

＋

AMP

＋

Ppi點

回擊

返

氨酰tRNA合成酶的結構與類型每個氨酰tRNA合成酶都包含3個區(qū)域：1.

催化域（ATP和氨基酸結合位點）

2.

tRNA受體螺旋結合域3.

tRNA反密碼子結合域20種氨酰tRNA合成酶被區(qū)分為兩類第一類：具有一個N-末端

催化域，均包含一個

Rossman折疊，大部分是

單體酶，將氨基酸的羧基

結合在tRNA

3′端腺苷酸

的2′-OH上，然后通過轉

酯作用轉移到3′-OH上。

如Tyr-tRNA合成酶，Tyrosyl-

tRNA

合成酶第

二

類

：

二

聚

體

或

四

聚

體

，

其

催

化

結

構

域

有

一

個

反

平

行

的

β-

折

疊

片

，

α-

螺

旋

在

側

面

，

而

且

是

將

氨

基

酸

直

接

結

合

在

tRNA

3′

端

腺

苷

酸

核

糖

的

3′-OH

上

。

Ser-tRNA

合

成

酶

就

屬

于

第

Ⅱ

類

酶

，

它

有

一

個

中

央

的

反

平

行

β-折

疊

片

，

而

不

是

Rossman

折

疊

，該酶由

兩

個

相

同

的

亞

基

形

成

一

個

二聚體。Ser-tRNA合成酶兩類不同的氨?；?tRNA合成酶兩種酶分別識別tRNA分子的不同部位，而tRNA的CCA臂在復合體中則選取不同的形態(tài)蘇氨酰-tRNA合成酶的空間結構蘇氨酰-tRNA合成酶的編輯和激活位點AB蘇氨酰-tRNA合成酶與tRNA的接受臂和反密碼子結合后的復合體A：結構圖B：空間模型

氨酰tRNA合成酶的識別功能氨基酰tRNA合成酶需要識別tRNA和氨基酸，它對氨基酸是絕對專一的，對tRNA可以識別所有同工受體tRNA。兩類氨基酰tRNA合成酶似乎都對氨基酸的側鏈使用剛性的鎖鑰機理，而對其它底物使用誘導契合機理，包括ATP、tRNA和氨基酸的成肽部分。氨基酰tRNA合成酶對tRNA的識別被稱為第二遺傳密碼。氨基酰tRNA合成酶對同工tRNA的識別1.識別tRNA的反密碼子一種氨基酰tRNA合成酶可以識別一組同工tRNA，識別部位就是tRNA的反密碼子。如谷氨酸氨酰-tRNA合成酶，它要求tRNA的反密碼環(huán)保持不變，否則不識別。

2.不是識別tRNA的反密碼子有實驗表明，即使反密碼子發(fā)生了改變，照常可被識別。這類酶識別tRNA分子的特殊堿基部位。以絲氨酸為例，Ser-tRNA合成酶識別的是tRNA

Ser反密碼環(huán)和TψC環(huán)之間的額外環(huán)或其它堿基部位。蛋白質因子：參

與

翻

譯

的

蛋

白

質

因

子

是

在

蛋

白

質

的

合

成

過

程

中

起

協(xié)

助

作

用

的

輔

助

蛋白

，

而

不

是

核

糖

體

的

組

成

成

分

。

包

括

起

始

因

子

（

initiationfactor,IF）、

延

長

因

子

（

elongation

factor,EF）

和

終

子

或

釋

放

因

子（release

factor,RF）。起始因子：原核生物的起始因子有IF1、IF2、IF3真核生物的起始因子（eIF）更多（見下圖）延長因

子：有三種：一種是熱不穩(wěn)定的叫EF-Tu；一種是熱穩(wěn)定的叫EF-TS

，

促

進

AA-tRNA

進

入

A

位

；

第

三

種

是

依

賴

于

GTP

的

叫

EF-G，

又

稱

轉

位

因子。終

止

或

釋

放

因

子

：

無

論

原

核

生

物

還

是

真

核

生

物

都

有

三

種

終

止

密

碼

子UAG、UAA、UGA。

沒

有

一

個

tRNA

能

夠

與

終

子

密

碼

子

作

用

，

而

是

由

特

殊

的蛋白因子促成終止作用。這類蛋白質因子叫釋放因子。原核生物有三種釋

放

因

子

：

RF1

識

別

UAA

和

UAG；RF2

識

別

UGA

和

UAA；RF3

能

夠

刺

激

RF1

和RF2的活性。真核生物中只有一種釋放因子eRF。eRF需要GTP與之結合才能

結

合

于

核

糖

體

上

。

釋

放

因

子

都

是

作

用

于

A

位

點

，

并

且

需

要

P

位

被

肽

基-tRNA所占據(jù)。圖1-34延伸因子Tu的結構及與氨?；?tRNA結合的部位圖1-35

延伸因子EF-G的空間結構模型圖1-36真核生物的釋放因子結構圖圖1-37核糖體釋放因子空間結構Met

MetfmMetf2ffMet

Valm第五節(jié)多肽鏈生物合成的機理一、原核生物多肽鏈合成的過程合成的起始密碼子為AUG（在細菌中偶爾也有用GUG的）。細菌（包括線粒體）中有兩種tRNA能夠攜帶甲硫氨酸（Met）。一種是tRNA

，它只能識別起始密碼子AUG，一種是tRNA

，它只能識別內(nèi)部AUG密碼子。tRNA

首先與Met結合，然后在Met的NH

上產(chǎn)生甲酰化作用從而封閉了這個氨基，形成了N-甲酰-甲硫氨酰-tRNA，簡寫為fMet-tRNA

。起始密碼子AUG和GUG均由這種tRNA

所識別，若這兩個密碼子在mRNA的內(nèi)部則分別由tRNA

和tRNA

所識別。甲硫酰氨tRNA甲?；?/p>

始

tRNA

與

甲

硫

氨

酸

反

應

生

成

甲

硫

酰

氨

tRNA（Met-tRNAf），

再

進

一

步

酰

基

化

生

成

N-甲酰-甲硫酰氨tRNA（fMet-tRNAf）f只有fMet-tRNA

能被30S亞基用于肽鏈合成的起始；

其它氨?；?tRNA才能被70S的核糖體用于肽鏈的延伸。圖1-27典型的原核生物多順反子mRNA分子結構原核生物多順反子mRNA分子結構（圖1-27）決定了蛋白質的合成可以在一條mRNA分子的多處同時進行（圖1-28）圖1-28

在含多順反子的mRNA分子中，每個順反子可以獨立起始蛋白質的翻譯原核生物多肽鏈合成的過程?

生物蛋白質的合成可分為三個主要的階段：起始、延伸和終止（圖1-30、31、32、33）。原核生物蛋白質合成的起始、延伸和終止都需要一些蛋白因子參與，和自由存在的大小核糖體亞基。fMet

起始（intiation）核糖體大小亞基、mRNA、起始tRNA和起始因子共同參與肽鏈合成的起始。

70S核糖體分開成為兩個亞基。

起始位點的識別。

30S起始復合物的形成。30S·IF-1·IF-2.GTP·fMet-tRNA

·mRNA

核糖體的大亞基(50S)加入這個復合物。IF-1蛋白質生物合成過程第二節(jié)2.1原核生物翻譯的起始2.1.1

核蛋白體大小亞基分離起始因子IF-1和IF-3識別30S小亞基50S大亞基與30S小亞基分離IF-3蛋白質生物合成過程IF-1第二節(jié)2.1.2

mRNA在小亞基定位結合mRNA識別并與30S小亞基結合5'IF-3A

U

G3'（SD）序列:在大腸桿菌的mRNA序列中，緊靠起始密碼子上游8-13個堿基的位置是互補于核糖體小亞基rRNA（16S

rRNA）的一個區(qū)域，叫做

SD

序列。這些序列的堿基配對幫助mRNA緊緊地連接到核糖體小亞基上，協(xié)助尋找起始tRNA的反密碼子。蛋白質生物合成過程第二節(jié)S-D序列圖1-29原核生物蛋白質合成起始位點包含S-D序列和起始密碼子IF-1蛋白質生物合成過程第二節(jié)2.1.3.

起始氨基酰-tRNA與小亞基結合在起始因子IF-2的作用下，起始氨基酰-tRNA與30S小亞基結合IF-2GTP5'A

U

G3'IF-3IF-1蛋白質生物合成過程GDP第二節(jié)2.1.4.

核蛋白體大亞基結合GTP水解，起始因子從30S小亞基上釋放，IF-2GTPPi30S小亞基與50S大亞基

重新結合5'A

U

G3'IF-3IF-1A

U

G蛋白質生物合成過程第二節(jié)IF-2-GTPPiGDP5'IF-33'起始過程消耗1個GTPIF的性質IF大約MWGTP結合能力生物學活性IF322000-1.形成三元復合物.2.解離因子活性，使70S核糖體顆粒解離為30S和50S亞基IF2120000+識別起始氨?；鵷RNA,

協(xié)助結合到mRNA上，形成30S前起始復合物IF19000-無特異功能，但具有加強

IF2和IF3的活性作用。

延長（Elongation）一

些

蛋

白

質

因

子

協(xié)

助

延

長

，

稱

為

延

長

因

子

。

在

大

腸

桿

菌

中

，

一

種

是

熱

不

穩(wěn)

定

的

叫

EF-Tu；

一

種

是

熱

穩(wěn)

定

的

叫

EF-TS

，

促

進

AA-tRNA

進

入

A

位

；

第

三

種

是

依

賴

于GTP的叫EF-G，又稱轉位因子。肽

鏈

每

加

一

個

氨

基

酸

就

是

一

個

循

環(huán)

，

所

以

多

肽

鏈

在

核

糖

體

上

的

合

成

過

程

又

稱

核

糖體循環(huán)：第一步：新的氨酰tRNA進入A位。

第二步：轉肽作用第三步：移位tRNAA第二個氨酰

入位進EF-Tu.GTP護送氨基酰tRNA至核糖體的A

位蛋白質生物合成過程第二節(jié)Tu

TsGTPTsTu

GDPGTP5'AU

G3'在延伸因子的作用下，特異的氨基酰-tRNA進入核糖體的A位點圖1-32

原核生物蛋白質合成的延伸—肽鍵的形成和轉位①

肽

鍵

的

形

成

肽

基

轉

移

酶

把

位

于

P

位

點

的

甲

酰

甲

硫

氨

?；?/p>

或

肽

基

轉

移

到

A

位

點

的氨?；?

tRNA的氨基上，形成了第一

個

肽

鍵

或

新

的

肽

鍵

。

②

轉

位

當

肽

鍵

在

A

位

點

上

形

成

之后

，

延

伸

因

子

EF-G（

也

稱

轉

位

因

子

G）

和

GTP

的

復

合

物

才

能夠

結

合

到

核

糖體上，然后，由核糖體中具有GTP酶活性的某種

蛋

白

質

將

GTP水解，在A位點生成的肽基-tRNA才能轉移到P

位

點

，

同

時

將

原

來

P

位

點

上

空

載

的

tRNA

逐

出

核

糖

體

，

mRNA也

移

動

了

一

個密碼子。在轉位之后，EF-G和GDP必須釋放出來，下一個氨?；?tRNA的三元復合物才能進入A位點。轉肽和移位蛋白質合成的轉肽作用EF-Tu\EF-Ts能夠促進AA-tRNA進入A位；EF-G促進移位和去氨酰tRNA的卸載，都有GTP酶活性。PGTPPP轉肽作用移

位確配對的氨?；鵷RNA

進入A位。MetLysMetLysMetLysEAEAEAAUGAUGAUGEF-G轉EF-Tu,肽酶連—接—與到核GTP糖體結的上合大促,

協(xié)亞進助基核與的糖A部體位分相新將對密fMet于碼m子RNA從正位于的P滑位動的，t同RNA時，上EF-G轉移連到接位的于GATP位的水氨解酰為基GDPtRNA，能上量，用在于A

驅位t使RNA這個上過形程成。二然肽后。，失去肽?；膖RNA和EF-G從核糖體釋放。蛋白質生物合成過程在延伸因子作用下，E位點的tRNA脫落，新的特異的氨基酰-tRNA重新進入核糖體A位點。第二節(jié)在酶的作用下，P位點的fMet轉移到A位點的氨

基酰-tRNA上，形成肽鍵。原先P位點的tRNA進入E

位點，核糖體沿mRNA5’→3’方向移動1個密碼子。fMetfMetTu

GTP5'A

U

G3'蛋白質生物合成過程第二節(jié)進位成肽轉位蛋白質生物合成過程第二節(jié)肽鏈延伸肽鏈的延長下一頁

終止原核生物和真核生物，終止密碼子UAG、UAA和UGA。tRNA不能與終止密碼子作用，而是靠特殊的蛋白質因子促成終止，這類蛋白質因子叫做釋放因子。當終止密碼子出現(xiàn)在A位時，沒有相應的AA-tRNA能與之結合，而RF能識別這些密碼子并與之結合，水解P位上多肽鏈與tRNA之間的二酯鍵。具有GTP酶活性，使肽鏈與核糖體解體。原核生物有三種釋放因子：RF1，RF2和RF3。RF1識別UAA和UAG；RF2識別UAA和UGA。RF3的作用還不明確。解離后的大小亞基又重新參加新的肽鏈的合成，循環(huán)往復。蛋白質生物合成過程COO第二節(jié)原核肽鏈合成終止過5'釋放因子RF識別終止密碼子，并將合-

成

的肽鏈從肽酰-tRNA上水解下來。mRNA

離開核糖體，核糖體大小亞基再RF次分

離。

U

A

G3'程MetMet二、真核生物多肽鏈合成的過程真核生物中起始密碼子只有AUG，負責起始AUG識別的是tRNAi

，負責內(nèi)部AUG識別的是tRNAm

。但Met-tRNAi并不被甲酰化。起始：真核生物蛋白質合成起始復合物首先在mRNA的5′末端形成，其

識

別

信

號

就

是

5

′

末

端

的

帽

子

結

構

，

還

需

要

3

′

末

端

poly(A)

的

參

與

。在

帽

子

處

形

成

復

合

物

后

，

沿

著

mRNA

移

動

，

直

到

發(fā)

現(xiàn)

起

始

密

碼

子AUG，

起

始

因

子

從

小

亞

基

上

解

離

，

60S

亞

基

結

合

上

來

，

才

形

成

8

0S

核

糖體

。

其

過

程

與

原

核

生

物

有

許

多

相

似

之

處

，

只

不

過

參

與

的

起

始

因

子

更多

。

主

要

有

eIF1、eIF2、eIF3、eIF4A、eIF4B、eIF4C、eIF4D、eIF4E、eIF4G、eIF5等。延伸：過程和機理同原核生物。終

止

：

蛋

白

質

合

成

中

肽

鏈

的

終

止

過

程

、

終

止

機

理

與

原

核

生

物

的

相

似

。不

同

的

是

在

真

核

生

物

中

，

只

有

一

種

釋

放

因

子eRF。eRF

需

要

GTP

與之結合

才

能

結

合

于

核

糖

體

，

GTP

可

能

在

終

止

反

應

后

被

水

解

，

這

一

作

用

可

能與eRF與核糖體的解離有關。圖1-38

真核生物蛋白質的合成是小亞基識別mRNA的5′末端，然后沿著mRNA移動，在起始密碼子處形成起始復合物。

起始①

核

糖

體

分

離

成

40S

和

60S兩個亞基。②43S

前

起

始

復

合

物

的

形成。③

mRNA

連

接

到

前

起

始

復合物上。④60S

亞

基

與

前

起

始

復

合

物

結

合

共

同

形

成

80S

起始復合物。圖1-39

真核生物蛋白質合成的起始GTP

首

先

與

eIF2

結

合

，

使

得

eIF2

與

起

始

tRNA

的

親

合

力

增

強

，

然

后

三

者

便

結

合

成

一

個

三

元

復

合

物

。

三

元

復

合

物

直

接

與

4

0S

亞

基

結合，這一過程不需要

mRNA的存在。有效的翻譯需要mRNA兩端有必須的結合蛋白。如3′poly(A)尾巴結合有PAB（多聚A結合蛋白

）

，

5

′

端

結

合

有

起

始

因

子

eIF4G、eIF4E。eIF4G

與PAB

相互作用，以確認mRNA

的完整性。然后，在起始因子eIF3

的參與下帶有

起

始

因

子

的

mRNA

5′

端與4

0S亞基-

三元復合物結合，這樣起始復合物就形成了。在ATP

水解釋放的能量作用下，起始復合物沿

著

mRNA

向

起

始

密

碼

子

AUG

移

動

，

一

旦

到

達

AUG，

反

密

碼

子

配

對

，

起

始

復

合

物

上

的

起

始

因

子

脫

離

，

這

時

核

糖

體

大

亞

基

與

之

結合，形成完整的80S的核糖體。新的氨?；?tRNA占據(jù)核糖體上的A位點，隨后第一個肽鍵形成。蛋白質生物合成過程第二節(jié)真核生物翻譯起始過程點

回擊

返

延長包

括

進

位

、

轉

肽

和

移

位

三

個

階

段

。

延

長

因

子

為

eEF

。

每

個將

要

進

位

的

氨

酰

tRNA

被

eEF-1α-GTP

復

合

物

帶

到

核

糖

體上。當

正確的

氨酰tRNA進入A位置的時候，GTP水解，并且eEF-1α-GDP

復合物分離。真

核

生

物

的

轉

肽

作

用

與

原

核

生

物

類

似

，

移

位

過

程

被

eEF-2催化，同時伴隨GTP

水解，伴隨著易位過程eEF-2從核糖體被釋放，循環(huán)再次開始。

終止終止釋放因子為eRF，它可以識別三個終止密碼子UAG，UAA

和

UGA

。eRF

連

同

GTP

結

合

到

核

糖

體

的

A

位

置

，

刺

激

肽基轉移酶活性變?yōu)檗D移肽酰基到水分子（水解），而不是

氨

酰

tRNA

，

此

時

合

成

終

止

。

80S

復

合

物

分

離

成

為

40S和60S亞基，準備下一個翻譯過程。蛋白質生物合成過程第二節(jié)生物體細胞內(nèi)蛋白質合成過程模擬視頻(Howard

Hughes

Medical

Institute)三、蛋白質合成的抑制劑許

多

被

用

于

治