第15章 蛋白質(zhì)合成

蛋白質(zhì)的生物合成第15章—翻譯1蛋白質(zhì)的生物合成，就是在細胞質(zhì)中以mRNA為模板，在核糖體、tRNA和多種蛋白因子等的共同作用下，將mRNA中由核苷酸排列順序決定的遺傳信息轉(zhuǎn)變成為由20種氨基酸組成的蛋白質(zhì)的過程。這一過程猶如電報的翻譯過程，因此又稱為翻譯（translation）。轉(zhuǎn)錄和翻譯統(tǒng)稱為基因的表達（geneexpression）。215.1蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)的主要組成成分和功能

在蛋白質(zhì)的翻譯系統(tǒng)中，除了20種氨基酸作為蛋白質(zhì)合成的原料外，主要還有以下一些物質(zhì)，包括mRNA、tRNA、核糖體(ribosome)、氨基酸、氨酰基-tRNA合成酶（aminoacy1-tRNAsynthetase）以及多種翻譯因子。翻譯因子都是可溶性蛋白質(zhì)分子，有翻譯的起始因子（initiationfactor，IF）、延伸因子（elongationfactor，EF）和釋放因子（releasefactor，RF）等。3(1)mRNA的結(jié)構(gòu)與功能

mRNA在蛋白質(zhì)翻譯過程中起模板的作用，即mRNA的核苷酸排列順序決定著蛋白質(zhì)氨基酸的排列順序。那么，mRNA的核苷酸排列順序又是如何決定蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序的？要弄清楚這個問題，首先要了解有關遺傳密碼（geneticcode）的知識。41)遺傳密碼遺傳密碼（geneticcode）：DNA或mRNA中核苷酸三聯(lián)體與蛋白質(zhì)氨基酸之間的對應關系。密碼子（codon）：代表一個氨基酸或蛋白合成終止信號的核苷酸三聯(lián)體。55′-末端堿基中間堿基3′-末端堿基UCAGUUUU苯丙UUC苯丙UUA亮UUG亮UCU絲UCC絲UCA絲UCG絲UAU酪UAC酪UAA終止UAG終止UGU半胱UGC半胱UGA終止UGG色UCAGCCUU亮CUC亮CUA亮CUG亮CCU脯CCC脯CCA脯CCG脯CAU組CAC組CAA谷酰CAG谷酰CGU精CGC精CGA精CGG精UCAGAAUU異亮AUC異亮AUA異亮AUG蛋(起始)ACU蘇ACC蘇ACA蘇ACG蘇AAU天酰AAC天酰AAA賴AAG賴AGU絲AGC絲AGA精AGG精UCAGGGUU纈GUC纈GUA纈GUG纈GCU丙GCC丙GCA丙GCG丙GAU天冬GAC天冬GAA谷GAG谷GGU甘GGC甘GGA甘GGG甘UCAG通用遺傳密碼表

6閱讀框（readingframe）：讀取由一系列三聯(lián)體組成的序列的三種可能方式之一。開放閱讀框（openreadingframe，ORF）：可能編碼一個蛋白質(zhì)的閱讀框。7遺傳密碼（geneticcode）的破譯1961，Nirenberg：人工合成多聚尿嘧啶核苷酸指導合成的多肽只含一種氨基酸--苯丙氨酸。1964，Nirenberg：tRNA

結(jié)合法。特異的氨酰-tRNA可與核糖體-mRNA結(jié)合。mRNA可短至3個堿基。Khorana，重復多聚核苷酸法。1966年將遺傳密碼完全破譯。8UGU-核糖體-Cys-tRNA復合體通過濾膜過濾UGU，核糖體，各種氨基酸-tRNA反應進行Nirenberg

的實驗9Khorana，重復多聚核苷酸法GUGUGUGUG-Cys-Val-Cys-Val-合成簡單重復的核苷酸鏈已知Cys

密碼子為UGU則GUG代表Val102)遺傳密碼的共同特性和例外

密碼子具有以下共同特性：簡并性，通用性，不重疊，連續(xù)性，兼職等。但在細胞器和原核生物中存在一些例外的情況。11

（1）簡并性密碼子共有64個，除UAA、UAG和UGA不編碼氨基酸外，其余61個密碼子負責編碼20種氨基酸，因此出現(xiàn)了多種密碼子編碼一種氨基酸的現(xiàn)象，即密碼子具有簡并性（degeneracy）。負責編碼同一種氨基酸的不同密碼子稱為同義密碼子。同義密碼子的多少與其編碼的氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率沒有明顯的正相關性。

（2）通用性實驗證明，從病毒、細菌到高等動植物都共同使用一套密碼子。這種現(xiàn)象稱為密碼子的通用性。它充分證明生物界是起源于共同的祖先。也是當前基因工程中能將一種生物的基因轉(zhuǎn)移到另一種生物中去表達的原因。（3）不重疊絕大多數(shù)生物中的密碼子是不重疊連續(xù)閱讀的，即同一個密碼子中的核苷酸不會被重復閱讀。但在某些病毒基因組中，由于基因的重疊而使密碼子出現(xiàn)重疊性。

（4）兼職在61種密碼子中，AUG和GUG除作為肽鏈合成起始信號外，還分別負責編碼肽鏈內(nèi)部的蛋氨酸和纈氨酸。也就是AUG和GUG同時具有兩種功能，故稱為兼職。12（5）密碼子的例外如：在支原體：UGA→Trp(色)；在纖毛蟲：UAA和UAG→Glu（谷）；在人的線粒體：UGA不是終止密碼子，而是Trp(色)；AGA，AGG（精）變?yōu)榱私K止密碼子，加上UAA、UAG，線粒體共有4個終止密碼子；內(nèi)部甲硫氨酸有2個，為AUG和AUA，起始密碼子有4個，為AUN；在酵母線粒體中，除上述情況外，還有CUA（亮）→Thr(蘇)。另外，密碼子的閱讀由起始密碼子開始，按5′→3′方向閱讀，直至終止密碼子為止，形成一條多肽鏈；由于這些特點，所以在mRNA中插入或刪去一個核苷酸，就會引起插入或刪去位點以后的所有密碼子發(fā)生錯讀，這種現(xiàn)象稱為“移碼”。13

tRNA的二級結(jié)構(gòu)呈三葉草形，由4個臂（arm）和4個環(huán)(loop)組成。4個臂分別為接受臂、二氫尿嘧啶臂（DHUarm）、反密碼子臂(anticodonarm)、假尿嘧啶臂(TψCarm)等。4個環(huán)分別為二氫尿嘧啶環(huán)、反密碼子環(huán)、可變環(huán)以及假尿嘧啶環(huán)等。用X射線衍射技術發(fā)現(xiàn)，tRNA的三級結(jié)構(gòu)是一個緊密的倒“L”型分子，遠離的殘基間由氫鍵和疏水堆積作用維持了穩(wěn)定。

修飾核苷可能具有下列功能：穩(wěn)定tRNA的三級結(jié)構(gòu)；有助于密碼子-反密碼子的相互作用；防止氨基酸的錯載；增加翻譯效率和忠信程度；以及維持解讀的框架等。(2)tRNA的結(jié)構(gòu)與功能1415(3)核糖體及其功能1)核糖體的組成與結(jié)構(gòu)生物核糖體分子量(kDa)亞基rRNA蛋白質(zhì)種類原核70S2.5×10350S(大)23S5S3430S(小)16S21真核80S4.2×10360S(大)28S5.8S5S4940S(小)18S3316核糖體的結(jié)構(gòu)

17核糖體的三種形式：核糖體、核糖體亞基、多核糖體（polyribosome/polysome）核糖體進行周期性的解離-聚合18多核糖體（polysome）電鏡照片19多核糖體結(jié)構(gòu)：兩個連續(xù)核糖體中心之間距離約為80～90N；起始快于延伸和終止，則核糖體密集，反之則稀疏。轉(zhuǎn)錄與翻譯同時進行，mRNA快速降解。核糖體沿mRNA的5’3’方向移動202)核糖體的功能▲肽酰基-tRNA部位（peptidyl-tRNAsite，P位）

▲氨?；?tRNA結(jié)合的部位（aminoacyl-tRNAsite，A位）

▲脫氨?；鵷RNA釋放的部位（exitsite，E位）

此外還有肽鍵形成的部位(轉(zhuǎn)肽酶),識別并結(jié)合mRNA上特異的起始部位。

213)rRNA

rRNA是核糖體的重要組成部分。每個細菌核糖體中含有3種rRNA分子：16S、23S和5SrRNA。它們對于核糖體的自身組裝和功能表現(xiàn)起著重要作用。

mRNA起始密碼子AUG上游約10bp處有一段5′...AGGAGG...3′序列，稱為S-D序列(Shine-Dalgarno序列)，與16SRNA3′的3′...UCCUCC...5′互補。22mRNA互補區(qū)A位點結(jié)合區(qū)P位點結(jié)合區(qū)16SrRNA全長1542N（E.coli）；有多個甲基化位點，其中有些參與mRNA與tRNA識別；23肽酰轉(zhuǎn)移酶中心移位延伸GTP酶中心23SrRNA245SrRNA的二級結(jié)構(gòu)5SrRNA對核糖體活性是必需的，可是它的作用仍不十分清楚。很可能當核糖體執(zhí)行功能時，它與16SrRNA相互作用，與已知的真核生物的5SrRNA與18SrRNA相互作用相類似。2515.2原核生物的翻譯過程(1)氨基酸的活化(氨基酰-tRNA的形成)兩步反應過程：第一步是氨基酸與ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA

的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。26氨基酸活化的總反應式是：

氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi

氨基酰-tRNA

合成酶每一種氨基酸至少有一種對應的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸與ATP的作用,也催化氨基?；D(zhuǎn)移到tRNA。27氨酰-tRNA28(2)tRNA對密碼子的辨認在翻譯中氨基酸是不能識別密碼子的，而是靠tRNA的反密碼子來識別。反密碼子與密碼子反向排列，按堿基互補配對的原則來識別，即密碼子的第1、2、3堿基分別與反密碼子的3、2、1堿基相配對。Crick提出存在搖擺假說。

29tRNA反密碼子中的I可以與A、U、或C配對30反密碼子的5′端堿基密碼子的3′端堿基CGAUUA或GGU或CIU或C或A反密碼子與密碼子堿基配對的“擺動”

31所有細菌蛋白質(zhì)合成的第一個氨基酸都是N-甲酰甲硫氨酸（fMet）。兩種tRNAMet：tRNAfMet，tRNAmMet；只有tRNAfMet上的氨基酸可以甲酰化；Met-tRNAfMet

fMet-tRNAfMet轉(zhuǎn)甲酰酶N10-甲酰四氫葉酸(3)翻譯的起始1)起始氨基酰-tRNA形成32所有tRNA受體臂最后一對堿基中，只有tRNAfMet

的沒有配對；tRNAfMet

反密碼臂上有一系列G-C對，可使fMet-tRNAf

直接插入P位點。33起始從30S亞基、fMet-tRNAfMet、和一個mRNA分子的復合物開始；然后加入50S亞基，形成70S核糖體;只有fMet-tRNAf可被30S亞基用于起始；其它氨酰-tRNA可被70S核糖體用于延長。34起始密碼子AUG上游約10bp處有一段5′...AGGAGG...3′序列，稱為S-D序列(Shine-Dalgarno序列)，與16SRNA3′的3′...UCCUCC...5′互補。2)起始密碼子的正確選讀353)起始因子(IF)蛋白質(zhì)合成的啟動必須有起始因子參加，形成核糖體-mRNA-tRNA三元復合物。起始因子：蛋白質(zhì)合成起始階段特異地與小亞基結(jié)合的蛋白質(zhì)。(Initiationfactor)

IF-3

為30S特異地結(jié)合在mRNA起始位點所需；

IF-2結(jié)合于起始tRNA，控制其進入核糖體；

IF-1

作為起始復合體一穩(wěn)定因子，沒有專一功能，只能促進IF-2及IF-3的活性，有些原核生物無IF-I。3650S亞基加入，釋放起始因子。形成30S-mRNA復合體；IF-2-GTP加入，結(jié)合在P位點；起始tRNA加入；IF-2保證只有起始tRNA參與起始反應；步驟：（形成70S復合物）3738大腸桿菌核糖體中翻譯起始的途徑391)氨?；?tRNA進入“A位”蛋白質(zhì)合成中，每向肽鏈中加入一個氨基酸時，需與核糖體周期性結(jié)合的蛋白因子(延長因子)。EF-Tu：幫助氨酰-tRNA進入A位點；EF-Ts：使EF-Tu

恢復活性；EF-G：參與核糖體移位。(3)肽鏈的延長40EF-Tu-GTP將氨酰-tRNA帶入A位點，然后以EF-Tu-GDP離開；EF-Tu唯一不能識別的fMet-tRNAf氨?；?-tRNA進入A位412)肽鍵的形成肽酰轉(zhuǎn)移酶（peptidyl

transferase）是50S亞基的一種活性，催化形成新的肽鍵，同時使與P位點tRNA

連接的肽鏈轉(zhuǎn)移到與A位點的tRNA。42肽鍵的形成

433)核糖體的移位（translocation）核糖體沿mRNA前進三個核苷酸。無載荷tRNA

排出P位點，而原來位于A位點的肽酰tRNA進入P位點，空出A位點。核糖體移位的雜合狀態(tài)模型移位過程需要延長因子EF-G（也叫移位酶）的推動。

移位過程需要延長因子EF-G（也叫移位酶）的推動。

移位過程需要延長因子EF-G（也叫移位酶）的推動。

移位過程需要延長因子EF-G（也叫移位酶）的推動。

移位過程需要延長因子EF-G（也叫移位酶）的推動。

移位過程需要延長因子EF-G（也叫移位酶）的推動。

44454647釋放因子1（RF1）識別UAA和UAG，釋放因子2（RF2）識別UAA和UGA。釋放因子作用于A位點，并需要P位點有多聚肽酰-tRNA。釋放因子含量少，約每10個核糖體有1個。(4)翻譯的終止48蛋白質(zhì)合成的終止

49大腸桿菌核糖體的翻譯終止途徑50因子分子量特性和功能起始因子：IF-19000促進核糖體的解離和IF-2活性IF-2100000由一個要求GTP的反應使fMet-tRNAi結(jié)合于核糖體的P位點IF-322000將mRNA結(jié)合于核糖體的小亞基，可能是促進非翻譯的前導序列與16SrRNA3′端的堿基配對延伸因子：EF-Tu43000將氨酰-tRNA結(jié)合于核糖體A位點EF-Ts30000重新生成EF-Tu-GTPEF-G77000肽基-tRNA密碼子和A位點移至P位點，此過程依賴GTP終止（釋放）因子：RF-136000水解肽基-tRNA，要求UAA或UAG密碼子RF-238000水解肽基-tRNA，要求UAA或UGA密碼子RF-346000促進RF-1，RF-2活性51mRNA上的多核糖體翻譯示意圖

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(5)抑制原核生物蛋白質(zhì)合成的抑制劑

原核生物的蛋白質(zhì)生物合成為多種抗生素所抑制。某些抗生素可通過影響復制與轉(zhuǎn)錄而阻斷蛋白質(zhì)合成，但也有不少抗生素則是直接妨礙翻譯。例如，嘌呤霉素的結(jié)構(gòu)很類似氨?；?tRNA，因此能與后者相競爭，作為轉(zhuǎn)肽反應中氨酰基異常的復合物，從而阻斷蛋白質(zhì)的生物合成。當生長著的肽鏈（或甲酰甲硫氨酸）被轉(zhuǎn)移到嘌呤霉素的氨基上時，新生的肽酰-嘌呤霉素會從核糖體上脫落下來，從而終止翻譯，導致肽鏈合成過早終止，而且截短的肽鏈的羧基端有1分子的嘌呤霉素。

53鏈霉素能與30S亞基結(jié)合，形成一種效率很低并且不穩(wěn)定的起始復合物，能改變氨酰-tRNA在A位點上與其對應的密碼子配對的精確性，很容易解離而終止翻譯。四環(huán)素能阻斷氨?；?tRNA進入A位點，從而抑制肽鏈的延伸。

氯霉素能抑制核糖體中的50S大亞基的肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性，抑制肽鏈的延伸。紅霉素與50S亞基結(jié)合，抑制肽酰轉(zhuǎn)移酶，妨礙移位，因而將肽?；?tRNA“凍結(jié)”在A位上。

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由于細菌核糖體與動物線粒體的核糖體相似，因此，能抑制細菌核糖體的抗生素也能抑制哺乳動物線粒體的核糖體循環(huán)，但它們并不與哺乳類細胞質(zhì)核糖體結(jié)合，因此，它們對哺乳動物蛋白質(zhì)合成影響不大。

四環(huán)素類（土霉素、金霉素、四環(huán)素）雖然對細菌與哺乳動物兩種核糖體都能結(jié)合，但因為它進入細菌體比進入哺乳動物的細胞器要容易些，所以，對細菌有選擇作用。5515.3真核生物蛋白質(zhì)合成的特點

與原核生物的蛋白質(zhì)生物