蛋白质的合成+

生物信息的传递（下）

从mRNA到蛋白质

在真核生物中，mRNA是在细胞核中合成的，而蛋白质合成发生在细胞质中，是通过细胞质中游离的核糖体，或是通过与内质网相连的核糖体合成的在细菌中，转录和翻译是耦联在一起的。细菌真核生物内容第一节蛋白质合成体系第二节蛋白质合成过程第三节蛋白质合成后的输送蛋白质合成体系第一节20种氨基酸(AA)作为原料酶及众多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、无机离子参与蛋白质生物合成的物质包括：三种RNAmRNA（是蛋白质合成的直接模板）tRNA（专一运送氨基酸至mRNA并与密码子配对）rRNA（与蛋白质构成核糖核蛋白体，是蛋白质合成的场所）一、蛋白质合成场所的确定

20世纪五十年代，PaulZamecnik

等给小白鼠注射带放射性标记的氨基酸，然后在不同时间取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心、检测发现注射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒上，几小时或几天后所有的亚细胞成分都含有放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖体上进行的。二、蛋白质合成所需mRNA遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)。真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(singlecistron)。真核生物mRNA的特点

（单顺反子）

（一）遗传密码是三联体密码

mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为三联体密码(tripletcoden)。翻译时从起始密码子AUG开始，沿mRNA5’→3’的方向连续阅读直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。证明三联体密码的三个著名实验的示意图（b）结合核糖体的研究（a）核苷酸同聚物的翻译（c）重复核苷酸聚合物的翻译第一个实验是1961年由美国的M.Nirenberg完成。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。多聚（U）编码多聚Phe；多聚（A）编码多聚Lys；多聚（C）编码多聚Pro。第二个实验是1964年也是由美国的M.Nirenberg完成的。他首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据第三个实验是由JonesKhorana等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可生成三种重复的多肽链。

若从A翻译，则合成出多聚Ile，即AUC对应Ile；若从U翻译，则合成出多聚Ser，即UCA对应Ser；若从C翻译，则合成出多聚His，即CAU对应His。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成。通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作，于1966年全部密码都被破译。共有64个密码，其中61个密码是编码氨基酸的，其余3种是终止密码。遗传密码表丙氨酸AlanineA或Ala亮氨酸LeucineL或Leu精氨酸ArginineR或Arg赖氨酸LysineK或Lys天冬酰胺AsparagineN或Asn蛋氨酸MethionineM或Met天冬氨酸AsparticacidD或Asp苯丙氨酸PhenylalanineF或Phe半胱氨酸CysteineC或Cys脯氨酸ProlineP或Pro谷氨酰胺GlutamineQ或Gln丝氨酸SerineS或Ser谷氨酸GlutamicacidE或Glu苏氨酸ThreonineT或Thr甘氨酸GlycineG或Gly色氨酸TryptophanW或Trp组氨酸HistidineH或His酪氨酸TyrosineY或Tyr异亮氨酸IsoleucineI或Ile缬氨酸ValineV或Val氨基酸中英文对照及缩写酪[lào]；缬[xié]（二）遗传密码的特点：

1.简并性(degeneracy)

遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。

意义：密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。2.通用性(universal)蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。3.摆动性(wobble)

密码和反密码之间碱基配对规则一般为A与U配对，G与C配对，并且配对区内的链是反平行的，但实际上存在某些变通性。Crick将这种变通性称之“摆动”。因此反密码的5ˊ位有时也称为摆动位置。下表给出了反密码的5ˊ（摆动）位和mRNA的3ˊ位之间的碱基配对原则。结果：一种tRNA能与多个一二位相同的三联体密码配对（简并密码子）tRNA反密码子5’位碱基IUGACmRNA密码子3’碱基U,C,AA,GU,CUG次黄嘌呤核苷酸（I）常常出现在tRNA的5ˊ（摆动）位，I可以与U，C和A形成氢键带有反密码子IGC的tRNAAla分子可以与特异编码Ala的三个密码（GCU，GCC，GCA）中的任一个结合

64个密码中有61个密码编码氨基酸，余下的3个密码（UAA，UGA，和UAG）为终止密码。

终止密码一般不能被任何tRNA分子识别，但能被特殊的蛋白质识别，引起新合成的肽链从翻译机器上脱落。终止密码起始密码甲硫氨酸密码AUG也常常充当蛋白质合成的起始密码，所以常称AUG为起始密码。

Thiscodonhastwoimportantfunctions.First,itspecifiesthefirstaminoacidtobeincorporatedintothegrowingpolypeptidechain.Second,itdefinesthereadingframeforallsubsequentcodons.ThreepossiblereadingframesoftheE.coli

trpleadersequence.Startcodonsareshadedingreenandstopcodonsareshadedinred.Theaminoacidsequenceoftheencodedsequenceisindicatedinthesinglelettercodebeloweachcodon.readingframe开放阅读框架openreadingframe,ORF从mRNA5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(openreadingframe,ORF)。三、蛋白质合成所需tRNA

tRNA分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译，是mRNA的核苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之间的桥梁。每一个细胞内至少含有20种tRNA（一种氨基酸对应一种tRNA），就是说每种tRNA应当能够至少识别一个mRNA密码，才能满足它作为适配器的作用。（一）

tRNA的三叶草型二级结构所有的tRNA都具有类似的结构。最早确定的tRNA结构是丙氨酸-tRNA，是由Holley确定的。（二）tRNA的L形三级结构

tRNA的L形高级结构反映了其生物学功能，因为它上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而它的反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，所以两个不同的功能基团最大限度分离。Conversionbetweenthecloverleafandtheactualthree-dimensionalstructureofatRNA.(a)Cloverleafrepresentation,(b)L-shapedrepresentationshowingthelocationofthebase-pairedregionsofthefinalfoldedtRNA.(c)RibbonrepresentationoftheactualfoldedstructureofatRNA.（三）氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸结合在tRNA分子上

一个特定的氨基酸经酶催化可以连接到相应的tRNA分子的3ˊ端上，该酶称为氨酰-tRNA合成酶，产物称为氨酰-tRNA。AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)，将错配的进行校正。蛋白质合成的精确度依赖于氨酰-tRNA合成酶催化正确的氨基酸连接到相应的tRNA分子上。氨酰-tRNA合成酶会引入两种错误：一种是将错误的氨基酸加在正确的tRNA上；另一种是将正确的氨基酸加在错误的tRNA上。前者现错的可能性更大。tRNAmoleculestowhichanaminoacidisattachedaresaidtobecharged,andtRNAsthatlackanaminoacidaresaidtobeuncharged.tRNAsarechargedbytheattachmentofanaminoacidtothe3'terminaladenosinenucleotideviaahigh-energyacyllinkage.一个成熟的tRNA分子的3ˊ端的核苷酸序列总是5’-CCA-3’，一个特异的氨基酸通过它的羧基与tRNA的核苷酸残基3’端的2’或3’羟基形成的共价键连接在tRNA分子上。tRNA的氨酰化是通过两步反应完成的。Thetwostepsofaminoacyl-tRNAcharging(a)Adenylylationofaminoacid.Thetwostepsofaminoacyl-tRNAcharging(b)TransferoftheadenylylatedaminoacidtotRNA.四、rRNA构成的核糖体的结构与功能核糖体像一个能沿mRNA模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。它是由几十种蛋白质和rRNA组成的亚细胞结构。核糖体由一个大亚基和一个小亚基组成的。E.coli中的小亚基是30S亚基；而大亚基是50S亚基。在蛋白质合成期间，两个亚基结合形成一个70S核糖体。Sedimentationbyultracentrifugationtoseparateindividualribosomesubunitsandthefullribosome.

原核与真核细胞核糖体的结构31Compositionoftheprokaryoticandeukaryoticribosomes.TherRNAandproteincompositionofthedifferentsubmitsareindicated.ThesizesoftherRNAandthenumberofproteinsareindicated.小亚基的作用---与mRNA结合Fortranslationtooccur,theribosomemustberecruitedtothemRNA.Tofacilitatebindingbyaribosome,manyprokaryoticopen-readingframescontainashortsequenceupstream(onthe5'side)ofthestartcodoncalledtheribosomebindingsite(RBS).ThiselementisalsoreferredtoasaShine-DalgarnosequenceafterthescientistwhodiscovereditonthebasisofcomparingthesequencesofmultiplemRNAs.StructureofmessengerRNA.(a)Apolycistronicprokaryoticmessage.TheribosomebindingsiteisindicatedbyRBS.(b)Amonocistroniceukaryoticmessage.The5'capisindicatedbya"ball"attheendofthemRNA.大亚基的作用—提供A位P位；具有催化肽键合成的功能TheribosomehasthreetRNAbindingsites.Theschematicillustrationoftheribosomeshowsthethreebindingsites(E,P,andA)thatspanthetwosubunits.核糖体的A位与P位：P位和A位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。

P：结合起始的氨酰-tRNA和肽酰-tRNA，

A：结合新掺入的氨酰-tRNA。

P位上肽酰-tRNA上的羧基与进入A位的氨酰-tRNA上的氨基形成新的肽键P位上tRNA卸下肽链成为无负载的tRNA核糖体移动一个密码子的距离，A位上的肽酰-tRNA又回到P位，A位又空，再进行下一次循环。原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:蛋白质生物合成过程第二节蛋白质的合成机制是最复杂的生物合成机制:

真核细胞中，蛋白质的合成需要：

70种以上的核糖体蛋白参与；多于二十种的酶来激活氨基酸；

12种或更多的辅酶和其它专一性的蛋白因子来进行肽链合成的起始、延伸、和终止；

一百多种酶参与各类蛋白的最后修饰；还需要多于四十种的tRNA和核糖体RNA。共有300多种不同的生物大分子参与且协同地工作来合成多肽。翻译的起始(initiation)翻译的延长(elongation)翻译的终止(termination)整个翻译过程可分为：翻译过程从阅读框架的5´-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。Overviewoftheeventsoftranslation一、原核生物的翻译过程：

（一）起始阶段1.核蛋白体大小亚基分离；2.mRNA与小亚基结合；3.起始氨基酰-tRNA与小亚基结合；4.核蛋白体大亚基结合；AnoverviewoftheeventsoftranslationinitiationThe16SrRNAinteractswiththeribosomebindingsitetopositiontheAUGinthePsite.起始因子在翻译的起始阶段，需要3种起始因子(IF)的参与，即IF1、IF2、IF3。IF1促进大小亚基分离IF-3促进mRNA与小亚基的定位结合IF-2水解GTP，提供能量，使起始tRNA进入P位，并促进大亚基与核蛋白体结合。IF-11.核蛋白体大小亚基分离--IF1促进大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA与小亚基结合--IF-3促进mRNA与小亚基的定位结合IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)与小亚基结合AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成，释放起始因子AUG5'3'Asummaryoftranslationinitiationinprokaryotes.Asummaryoftranslationinitiationinprokaryotes.（二）延长阶段

肽链延长包括以下三步：1.进位(entrance)2.成肽(peptidebondformation)3.转位(translocation)延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延长因子生物功能对应真核延长因子EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF-1-αEF-Ts调节亚基EF-1-βγEFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放EF-2肽链合成的延长因子1.进位指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

EF-Tuescortsaminoacyl-tRNAtotheAsiteoftheribosome.ChargedtRNAsareboundtoEF-Tu-GTPastheyfirstinteractwiththeAsiteoftheribosome.Whenthecorrectcodon-anticodoninteractionoccurs,EF-Tuinteractswiththefactorbindingcenter,hydrolyzesitsboundGTPandisreleasedfromthetRNAandtheribosome.TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsThreemechanismstoensurecorrectpairingbetweenthetRNAandthemRNA.(a)Additionalhydrogenbondsareformedbetweentwoadenineresiduesofthe16SrRNAandtheminorgrooveoftheanticodon-codonpaironlywhentheyarecorrectlybase-paired.ThreemechanismstoensurecorrectpairingbetweenthetRNAandthemRNA.(b)Correctbase-pairingallowsEF-Tuboundtotheaminoacyl-tRNAtointeractwiththefactorbindingcenterinducingGTPhydrolysisandEF-Turelease2.成肽是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。具有转肽酶活性的是大亚基中的23sRNA(核酶)The

peptidyltransferasereaction

3.转位延长因子EF-G有转位酶(translocase)活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3'侧移动。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目录进位转位成肽Summaryofthestepsoftranslocation（三）终止阶段终止相关的蛋白因子称为释放因子(releasefactor,RF)。原核生物释放因子包括：