第6章 分子生物學(xué)翻譯

第6章翻譯翻譯:

是蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中的第一步。翻譯是根據(jù)遺傳密碼的中心法則，將成熟的mRNA分子中堿基的排列順序（核苷酸序列）解碼，并生成對(duì)應(yīng)的特定氨基酸序列的過(guò)程。但也有許多轉(zhuǎn)錄生成的RNA，如tRNA、rRNA和snRNA等并不被翻譯為氨基酸序列。

翻譯分作三個(gè)階段：起始、延長(zhǎng)、終止。翻譯主要在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的核糖體中進(jìn)行，氨基酸分子通過(guò)tRNA被帶到核糖體上。生成的多肽鏈（即氨基酸鏈）需要通過(guò)正確折疊形成蛋白質(zhì)，許多蛋白質(zhì)在翻譯結(jié)束后還需要進(jìn)行翻譯后修飾才能具有真正的生物學(xué)活性。mRNA的遺傳信息是來(lái)自于DNA，經(jīng)由核糖體被各種tRNA所識(shí)別。tRNA可以識(shí)別mRNA上以三個(gè)核苷酸為代碼的密碼子，與它們相配的tRNA上的三個(gè)核苷酸被稱(chēng)為反密碼子。帶有特定反密碼子的tRNA攜帶特定的氨基酸。因此通過(guò)翻譯機(jī)制，mRNA上的密碼子就可以被“翻譯”為對(duì)應(yīng)的氨基酸。氨酰tRNA合成酶是催化將與tRNA相連的氨基酸連到一起組成蛋白質(zhì)的酶。UCAGUUCAGTCAGATCGAUCAGUATCGAUCAARNADNA5’3’Directionoftranscription3’TCGA5’圖6.1轉(zhuǎn)錄時(shí)DNA可以直接作為生產(chǎn)RNA的模板，因?yàn)楹颂求w核苷酸能與脫氧核糖核苷酸結(jié)合6.1遺傳密碼mRNADirectionoftranslationAUCUCAGCGUUCA5’3’UGHistRNAUAlaNH2fMetCysNH2ACGAAUGCAUGAGCU圖6.2翻譯時(shí)RNA不能直接作為生產(chǎn)氨基酸模板遺傳密碼是一組規(guī)則，將DNA或RNA序列以三個(gè)核苷酸為一組的密碼子翻譯為蛋白質(zhì)的氨基酸序列，以用于蛋白質(zhì)合成。幾乎所有的生物都使用同樣的遺傳密碼，稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼；即使是非細(xì)胞結(jié)構(gòu)的病毒，它們也是使用標(biāo)準(zhǔn)遺傳密碼。但是也有少數(shù)生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。圖6.3遺傳密碼UUUUUCUUAUUGCUUCUCCUACUGAUUAUCAUAAUG=MetGUUGUCGUAGUGUCUUCCUCAUCGCCUCCCCCACCGACUACCACAACGGCUGCCGCAGCGUAUUACUAA=StopUAG=StopCAUCACCAACAGAAUAACAAAAAGGAUGACGAAGAGUGUUGCUGA=StopUGG=TrpCGUCGCCGACGGAGUAGCAGAAGGGGUGGCGGAGGGUCAGUCAGPheLeuLeulleValAspGluAsnLysAlaGlySerArgArgHisGlnSerProThrTyrCysUCAGUCAGUCAGUCAGFirstposition(5’end)Thirdposition(3’end)Secondposition64種密碼子以及氨基酸的標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)。第二位堿基UCAG第

一

位

堿

基UUUU(Phe/F)苯丙氨酸

UUC(Phe/F)苯丙氨酸

UUA(Leu/L)亮氨酸

UUG(Leu/L)亮氨酸

UCU(Ser/S)絲氨酸

UCC(Ser/S)絲氨酸

UCA(Ser/S)絲氨酸

UCG(Ser/S)絲氨酸

UAU(Tyr/Y)酪氨酸

UAC(Tyr/Y)酪氨酸

UAA終止

UAG終止

UGU(Cys/C)半胱氨酸

UGC(Cys/C)半胱氨酸

UGA終止

UGG(Trp/W)色氨酸

CCUU(Leu/L)亮氨酸

CUC(Leu/L)亮氨酸

CUA(Leu/L)亮氨酸

CUG(Leu/L)亮氨酸

CCU(Pro/P)脯氨酸

CCC(Pro/P)脯氨酸

CCA(Pro/P)脯氨酸

CCG(Pro/P)脯氨酸

CAU(His/H)組氨酸

CAC(His/H)組氨酸

CAA(Gln/Q)谷氨酰胺

CAG(Gln/Q)谷氨酰胺

CGU(Arg/R)精氨酸

CGC(Arg/R)精氨酸

CGA(Arg/R)精氨酸

CGG(Arg/R)精氨酸

AAUU(Ile/I)異亮氨酸

AUC(Ile/I)異亮氨酸

AUA(Ile/I)異亮氨酸

AUG(Met/M)甲硫氨酸,起始1

ACU(Thr/T)蘇氨酸

ACC(Thr/T)蘇氨酸

ACA(Thr/T)蘇氨酸

ACG(Thr/T)蘇氨酸

AAU(Asn/N)天冬酰胺

AAC(Asn/N)天冬酰胺

AAA(Lys/K)賴(lài)氨酸

AAG(Lys/K)賴(lài)氨酸

AGU(Ser/S)絲氨酸

AGC(Ser/S)絲氨酸

AGA(Arg/R)精氨酸

AGG(Arg/R)精氨酸

GGUU(Val/V)纈氨酸

GUC(Val/V)纈氨酸

GUA(Val/V)纈氨酸

GUG(Val/V)纈氨酸

GCU(Ala/A)丙氨酸

GCC(Ala/A)丙氨酸

GCA(Ala/A)丙氨酸

GCG(Ala/A)丙氨酸

GAU(Asp/D)天冬氨酸

GAC(Asp/D)天冬氨酸

GAA(Glu/E)谷氨酸

GAG(Glu/E)谷氨酸

GGU(Gly/G)甘氨酸

GGC(Gly/G)甘氨酸

GGA(Gly/G)甘氨酸

GGG(Gly/G)甘氨酸

遺傳密碼在纖毛蟲(chóng)和線(xiàn)粒體中的改變

遺傳密碼的特點(diǎn)(1)遺傳密碼是三聯(lián)體密碼。(2)遺傳密碼無(wú)逗號(hào)。(3)遺傳密碼是不重迭的。(4)遺傳密碼具有通用性。(5)遺傳密碼具有簡(jiǎn)并性(degeneracysynonyms)。(6)密碼子有起始密碼子和終止密碼子。

遺傳密碼的破譯1954年G.Gamov對(duì)破譯密碼首先提出了設(shè)想若一種堿基對(duì)應(yīng)與一種氨基酸，那么只可能產(chǎn)生4種氨基酸;若2個(gè)堿基編碼一種氨基酸的話(huà)，4種堿基共有42=16種不同的排列組合;3個(gè)堿基編碼一種氨基酸，經(jīng)排列組合可產(chǎn)生43=64種不同形式若是四聯(lián)密碼，就會(huì)產(chǎn)生44=256種排列組合。Codons

UCAGAminoAcidsaa1aa2aa3aa4Codons

UUUCUAUGCUCCCACGAUACAAAGGUGCGAGGAminoacidsaa1aa2aa3aa4aa5aa6aa7aa8aa9aa10aa11aa12aa13aa14aa15aa16FirstbaseUCAGSecondbase

UCAGUCAGUCAGUCAGCodonsUUUUUCUUAUUGUCUUCCUCAUCGUAUUACUAAUAGUGUUGCUGAUGGAminoacidsaa1aa2aa3aa4

aa5aa6aa7aa8

aa9aa10aa11aa12

aa13aa14aa15aa16SecondbaseUCAGThirdbase

UCAGUCAGUCAGUCAGFirstbaseU*IfeachcodonhasonebaseIfeachcodonhastwobasesIfeachcodonhasthreebases*CodonsandaminoacidsfromusingC,AorGasthefirstbasearenotlistedinthiscase.6.2原核生物翻譯機(jī)理核糖體是細(xì)胞內(nèi)一種核糖核蛋白顆粒(ribonucleoproteinparticle)，主要由rRNA和蛋白質(zhì)構(gòu)成，其惟一功能是按照mRNA的指令將氨基酸合成蛋白質(zhì)多肽鏈，所以核糖體是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的分子機(jī)器。

原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基rRNAs蛋白R(shí)NA的特異順序和功能

細(xì)菌70S50S23S=2904b32種(L1-L32）含CGAAC和GTψCG互補(bǔ)2.5×106D5S=120b66%RNA30S16S=1542b21種(S1-S21)16SRNA(CCUCCU)和S-D順序(AGGAGG)互補(bǔ)

哺乳動(dòng)物80S60S28S=4718b50種有GAUC和tRNAfMat的TψCG互補(bǔ)4.2×106D5S=120b60%RNA5.8S=160b

40S18S=1874b33種和Capm7G結(jié)合

圖6.4原核生物與真核生物核糖體的組成16SrRNA5SrRNA23SrRNA30Ssubunit50Ssubunit70Sprokaryoticribosome18SrRNA5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA40Ssubunit60Ssubunit80SeukaryoticribosomeProkaryoticEukaryoticL2L3L32S1S2S3S21L132proteinsoflargesubunit(L1~L32)21proteinsofsmallsubunit(S1~S21)L2L3L50S1S2S3S33L150proteinsoflargesubunit(L1~L50)33proteinsofsmallsubunit(S1~S33)多聚核糖體：原核生物中帶有很多核糖體的mRNA稱(chēng)為多聚核糖體。開(kāi)放閱讀框（OpenReadingFrame）

就是直接翻譯成蛋白質(zhì)的那段DNA序列。從atg開(kāi)始到終止密碼子結(jié)束，中間沒(méi)有內(nèi)含子。非翻譯區(qū)（UnTranslatedRegions)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物開(kāi)頭和末尾不翻譯成蛋白質(zhì)的那段序列。6.2.1起始

ACGAGGCTTTCTCCTCCTCCCTGCTCGGCCTCCATTCGCCGTCCGCGGTTCTCTCCACCG

AACAAGCTCACACATCAAGACAATAAATAGAGCCTCGTCTGTTTGGGGCCAATCAAACCA

AACAACAAGTTCATGTCTGATCTCGACGTCCAGGTTCCAACTGCTTTTGATCCGTTTGCT

M

S

D

L

D

V

Q

V

P

T

A

F

D

P

F

A

GAGGCAAATGCTGAGGACTCCGGCGCTGGTGCTGGATCAAAGAACTATGTGCATGTGCGT

E

A

N

A

E

D

S

G

A

G

A

G

S

K

N

Y

V

H

V

R

GTACAGCAGCGCAACGGAAGAAAGAGTCTGACAACTGTTCAGGGCTTGAAGAAAGATTAC

V

Q

Q

R

N

G

R

K

S

L

T

T

V

Q

G

L

K

K

D

Y

AGCTACAACAAGATTCTCAAGGATCTCAAAAAGGAGTTCTGCTGTAATGGTACTGTAGTC

S

Y

N

K

I

L

K

D

L

K

K

E

F

C

C

N

G

T

V

V

CAGGATCCAGAACTAGGCCAGGTCATTCAACTCCAAGGTGATCAGCGTAAAAATGTTGCT

Q

D

P

E

L

G

Q

V

I

Q

L

Q

G

D

Q

R

K

N

V

A

ACTTTTCTAGTTCAGGCTGGACTTGCAAAGAAAGAGAGCATCAAGATTCACGGATTTTAG

T

F

L

V

Q

A

G

L

A

K

K

E

S

I

K

I

H

G

F

*

GCAACACACAAATGCCCGTGTGCCGTCACCGAAGCCTGGAAGTTGTCATATACTTGGTATTGTCACATCTAAGACATTTGAATTGCTAGTAGTCGTGTGAGGCATCTGTGTTTGATGCACTTCTACACCAAGACATTTGAATTGGCATCGGTGTGTTGATGCAAGTTGTCCTTCACCATGGTTTGTATGCGCCACCAGTATGGCAGTATGGTTTATCCAGGTTAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

羊草eIF1基因的全長(zhǎng)cDNA圖6.5SD序列可以通過(guò)與16SrRNA雜交而被識(shí)別。SD序列標(biāo)明了哪一個(gè)AUG應(yīng)該作為起始密碼子。SDsequence5’-CAGUACGUC

UUGACCUAUGGACGAUCUU---mRNA16SrRNAin30SribosomalsubunitA?UG?CG?CA?UG?CG?CU?AUCUCGCUA3’StarttomakeproteinherefMetAspAspLeuSD序列（Shine-Dalgarnosequence）：mRNA中用于結(jié)合原核生物核糖體的序列。

SD序列在細(xì)菌mRNA起始密碼子AUG上游10個(gè)堿基左右處，富含嘌呤的堿基序列，能與細(xì)菌16SrRNA3’端識(shí)別，幫助從起始AUG處開(kāi)始翻譯。在原核生物中，核糖體中與mRNA結(jié)合位點(diǎn)位于16SrRNA的3`端，mRNA中與核糖體16SrRNA結(jié)合的序列稱(chēng)為SD序列(SDsequence)，它是1974年由J.Shine和L.Dalgarno發(fā)現(xiàn)的，故此而命名。SD序列是mRNA中5`端富含嘌呤的短核苷酸序列，一般位于mRNA的起始密碼AUG的上游3至11個(gè)核苷酸處，并且同16SrRNA3`端的序列互補(bǔ)。

tRNA的結(jié)構(gòu)三葉草型的二維結(jié)構(gòu)(1)各種tRNA均含有70~80個(gè)堿基，其中22個(gè)堿基是恒定的。(2)5’端和3’端配對(duì)（常為7bp）形成莖區(qū)，稱(chēng)為受體臂（acceptorarm）或稱(chēng)氨基酸臂。在3’端永遠(yuǎn)是4個(gè)堿基（XCCA）的單鏈區(qū)，在其末端有2’-OH或3’-OH，是被氨基酰化位點(diǎn)。此臂負(fù)責(zé)攜帶特異的氨基酸。

(3)TψC常由5bp的莖和7Nt和環(huán)組成。此臂負(fù)責(zé)和核糖體上的rRNA識(shí)別結(jié)合；(4)反密碼子臂(anticodonarm)常由5bp的莖區(qū)和7Nt的環(huán)區(qū)組成，它負(fù)責(zé)對(duì)密碼子的識(shí)別與配對(duì)。(5)D環(huán)(Darm)的莖區(qū)長(zhǎng)度常為4bp，也稱(chēng)雙氫尿嘧啶環(huán)。負(fù)責(zé)和氨基酰tRNA聚合酶結(jié)合;(6)額外環(huán)(extraarm)可變性大，從4Nt到21Nt不等，其功能是在tRNA的L型三維結(jié)構(gòu)中負(fù)責(zé)連接兩個(gè)區(qū)域（D環(huán)－反密碼子環(huán)和TψC-受體臂）。tRNA的三維結(jié)構(gòu)圖6.6原核生物中N-甲酰甲硫氨酸連接的起始tRNA。CH3SCH2CH2CHCONHCHOfMetACCOOHCH2POOOAOOOHCH2POOOOCON-formylmethionine(fMet)ProkaryoticinitiatorfMet-tRNA5’5’3’3’4’2’1’圖6.730S起始復(fù)合體AUG5’3’mRNAfMetACCUAC???30SribosomalsubunitInitiationcodon30S起始復(fù)合體：30S亞基、mRNA和起始tRNA的集合稱(chēng)為30S起始復(fù)合體。起始因子（initiationfactors,IF)參與蛋白質(zhì)起始復(fù)合物的形成IF-1：

1.結(jié)合到30s亞基的A位點(diǎn)上

2.阻止氨酰tRNA與A位結(jié)合，

3.阻止30s亞基和50s亞基結(jié)合。

IF-2:

1.使fMet-tRNA特異的結(jié)合到P位點(diǎn)上

2.與GTP結(jié)合為70亞基的形成提供能量

IF-3：

1．使30S亞基與mRNA的特異位點(diǎn)結(jié)合

2．能保持30s亞基的穩(wěn)定性，阻止30s亞基和50s亞基結(jié)合核糖體的作用位點(diǎn)⑴A位點(diǎn)（或稱(chēng)acceptorsite）可以進(jìn)入氨基酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)。⑵P位點(diǎn)(或稱(chēng)供位，donorsite)是被肽基酰-tRNA(peptidyl-tRNA)所占據(jù)。(3)E位點(diǎn)(Exitsite)脫酰tRNA(deacylated-tRNA)短暫地占據(jù)。圖6.8(a)70S起始復(fù)合體上的三個(gè)tRNA結(jié)合位點(diǎn)；(b)起始tRNA最初結(jié)合在P位。UAC???5’3’mRNAPsiteAsiteEsitefMetAUGCAGGCUACGGAGACUAGG5’3’mRNAAUGCAGGCUACGGAGACUAGG(a)(b)6.2.2延伸在多肽鏈上每增加一個(gè)氨基酸都需要經(jīng)過(guò)進(jìn)位、轉(zhuǎn)位和移位三個(gè)步驟：進(jìn)位：為密碼子所特定的氨基酸t(yī)RNA結(jié)合到核蛋白體的A位，稱(chēng)為進(jìn)位。轉(zhuǎn)位：涉及肽鍵的形成。移位：轉(zhuǎn)位作用發(fā)生后，氨基酸都位于A位，P位上無(wú)負(fù)荷氨基酸的tRNA就此脫落，核蛋白體沿著mRNA向3’端方向移動(dòng)一組密碼子，使得原來(lái)結(jié)合二肽酰tRNA的A位轉(zhuǎn)變成了P位，而A位空出，可以接受下一個(gè)新的氨基酰tRNA進(jìn)入。以后，肽鏈上每增加一個(gè)氨基酸殘基，即重復(fù)上述進(jìn)位、轉(zhuǎn)位、移位的步驟，直至所需的長(zhǎng)度，實(shí)驗(yàn)證明mRNA上的信息閱讀是從5’端向3’端進(jìn)行，而肽鏈的延伸是從氨基端到羧基端。所以多肽鏈合成的方向是N端到C端。圖6.9翻譯延伸的循環(huán)機(jī)理AUG123aa1AUG123aa1Peptidyltransfer(Round1)MetMetfftRNA1enteringAUG123aa1fMetTranslocationAUG123aa1Metfaa2tRNA2enteringInitiatortRNAleavingAUG123Metfaa2aa1Translocation4AUG123aa145Metfaa2tRNA1leavingaa3tRNA3enteringAUG123aa1Metfaa2Peptidyltransfer(Round2)tRNA2O圖6.10肽鍵形成，由肽基轉(zhuǎn)移酶催化。AUG123aa1Metfaa2HNCCR1OHNHCCR2O??tRNA1OAUG123Metfaa2aa1tRNA2ONCCR1ONHCCR2OtRNA1OHHHHHHPsiteAsitePsiteAsitePeptidyltransferase肽基轉(zhuǎn)移酶：在核糖體內(nèi)催化形成肽鍵的酶稱(chēng)為肽基轉(zhuǎn)移酶。過(guò)去認(rèn)為，大亞基的蛋白質(zhì)具有酶的活性，促使肽鍵形成，故稱(chēng)為轉(zhuǎn)肽酶。20世紀(jì)90年代初，H.F.Noller等證明大腸桿菌的23SrRNA能夠催化肽鍵的形成，才證明rRNA是一種核酶，從而根本改變了傳統(tǒng)的觀點(diǎn)。核糖體催化肽鍵合成的是rRNA，蛋白質(zhì)只是維持rRNA構(gòu)象，起輔助的作用。延伸因子是參與蛋白合成過(guò)程中肽鏈延伸的蛋白因子，在原核生物中有三種延伸因子，即EF-Tu、EF-Ts、EF-G。原核生物蛋白質(zhì)合成的延伸因子

因子基因功能抑制劑EF-TutufA,tufB與氨基酰tRNA黃色霉素及GTP結(jié)合EF-Tstsr結(jié)合EF-Tu，取代GDPEF-G結(jié)合核糖體梭鏈孢酸

和GTP

終止密碼UAA,UGA,UAG；在E.coli中釋放因子（releasefactors（RF））;終止反應(yīng)是釋放因子識(shí)別終止位點(diǎn)并與之結(jié)合，激活肽基轉(zhuǎn)移酶，水解了P位點(diǎn)上多肽與tRNA之間的鍵，然后釋放了多肽和tRNA。在真核系統(tǒng)中只有一種釋放因子——eEF可識(shí)別3種終止密碼子。6.2.3終止釋放因子（releasefactors，RF）：又稱(chēng)終止因子。在GTP存在下能識(shí)別終止密碼子的一種因子。其作用是終止肽鏈合成并使肽鏈釋放出核糖體。RF與核糖體A位結(jié)合后，活性肽基轉(zhuǎn)移酶水解P位上的tRNA與肽鏈之間的鏈，把P位上的肽基轉(zhuǎn)移至水分子。隨后，新生肽鏈與最后一個(gè)去酰化的tRNA釋放出核糖體。在原核生物中發(fā)現(xiàn)三個(gè)釋放因子RF-1，RF-2，RF-3。

圖6.11翻譯終止機(jī)理StopcodonGlySerUAAReleasefactorPheAlaLeuValLys6.3真核生物翻譯真核生物的翻譯和原核生物的最大區(qū)別：

原核生物起始tRNA攜帶N-甲酰甲硫氨酸起始階段

真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸

但只能跟起始密碼子結(jié)合。

掃描：為尋找起始密碼子的位置，48S復(fù)合體會(huì)從mRNA的5`帽結(jié)構(gòu)開(kāi)始沿mRNA滑行，這一過(guò)程稱(chēng)為掃描。在大部分mRNA中，遇到的第一個(gè)AUG會(huì)被作為起始密碼子。AUGAUG40SScanningTranslationinitiationmRNAIRESAUGTranslationinitiationAUG40SsubunitentersIRESsitedirectly80S80S(a)TranslationinitiationatAUGchosenbyscanning(b)TranslationinitiationatIRESsite40SAUGAUGmRNA圖6.12通過(guò)掃描尋找AUG(a)和通過(guò)直接進(jìn)入IRES位點(diǎn)(b)啟動(dòng)的翻譯。IRES:內(nèi)部核糖體進(jìn)入序列IRES為內(nèi)核糖體進(jìn)入序列（internalribosomeentrysite），它可翻譯一條mRNA上的兩個(gè)開(kāi)放讀框，由其連接的兩個(gè)基因的表達(dá)率相同。真核起始因子(eukaryoticinitiationfactor，eIF)，又稱(chēng)為真核翻譯起始因子，是指參與真核翻譯起始這一過(guò)程的蛋白質(zhì)。與原核起始因子只有三種（IF1、IF2、IF3）相比，真核起始因子種類(lèi)多且復(fù)雜，目前已鑒定的真核起始因子共有12種。通過(guò)這些真核起始因子之間以及不同的真核起始因子與核糖體、mRNA和起始tRNA之間的相互作用，來(lái)完成真核生物的翻譯起始。因此相比于原核生物，真核生物的翻譯起始過(guò)程更多得依賴(lài)于蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)以及蛋白質(zhì)與RNA之間的相互作用，而非RNA與RNA間的相互作用。eIF1是一種參與真核翻譯起始的重要的蛋白質(zhì)。eIF1在起始密碼子AUG的識(shí)別中發(fā)揮重要的作用，它能使起始密碼子的識(shí)別具有很高的保真度。在酵母中，eIF1是維持其生存不可或缺的蛋白質(zhì)。eIF1A是一種在真核翻譯起始進(jìn)程中發(fā)揮重要作用的蛋白質(zhì)，也是一種RNA結(jié)合蛋白。其主要的功能是穩(wěn)定Met-tRNAi與40S核糖體亞基間的結(jié)合，參與激活