第15章 蛋白质合成

蛋白质的生物合成第15章—翻译1蛋白质的生物合成，就是在细胞质中以mRNA为模板，在核糖体、tRNA和多种蛋白因子等的共同作用下，将mRNA中由核苷酸排列顺序决定的遗传信息转变成为由20种氨基酸组成的蛋白质的过程。这一过程犹如电报的翻译过程，因此又称为翻译（translation）。转录和翻译统称为基因的表达（geneexpression）。215.1蛋白质翻译系统的主要组成成分和功能

在蛋白质的翻译系统中，除了20种氨基酸作为蛋白质合成的原料外，主要还有以下一些物质，包括mRNA、tRNA、核糖体(ribosome)、氨基酸、氨酰基-tRNA合成酶（aminoacy1-tRNAsynthetase）以及多种翻译因子。翻译因子都是可溶性蛋白质分子，有翻译的起始因子（initiationfactor，IF）、延伸因子（elongationfactor，EF）和释放因子（releasefactor，RF）等。3(1)mRNA的结构与功能

mRNA在蛋白质翻译过程中起模板的作用，即mRNA的核苷酸排列顺序决定着蛋白质氨基酸的排列顺序。那么，mRNA的核苷酸排列顺序又是如何决定蛋白质的氨基酸排列顺序的？要弄清楚这个问题，首先要了解有关遗传密码（geneticcode）的知识。41)遗传密码遗传密码（geneticcode）：DNA或mRNA中核苷酸三联体与蛋白质氨基酸之间的对应关系。密码子（codon）：代表一个氨基酸或蛋白合成终止信号的核苷酸三联体。55′-末端碱基中间碱基3′-末端碱基UCAGUUUU苯丙UUC苯丙UUA亮UUG亮UCU丝UCC丝UCA丝UCG丝UAU酪UAC酪UAA终止UAG终止UGU半胱UGC半胱UGA终止UGG色UCAGCCUU亮CUC亮CUA亮CUG亮CCU脯CCC脯CCA脯CCG脯CAU组CAC组CAA谷酰CAG谷酰CGU精CGC精CGA精CGG精UCAGAAUU异亮AUC异亮AUA异亮AUG蛋(起始)ACU苏ACC苏ACA苏ACG苏AAU天酰AAC天酰AAA赖AAG赖AGU丝AGC丝AGA精AGG精UCAGGGUU缬GUC缬GUA缬GUG缬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通用遗传密码表

6阅读框（readingframe）：读取由一系列三联体组成的序列的三种可能方式之一。开放阅读框（openreadingframe，ORF）：可能编码一个蛋白质的阅读框。7遗传密码（geneticcode）的破译1961，Nirenberg：人工合成多聚尿嘧啶核苷酸指导合成的多肽只含一种氨基酸--苯丙氨酸。1964，Nirenberg：tRNA

结合法。特异的氨酰-tRNA可与核糖体-mRNA结合。mRNA可短至3个碱基。Khorana，重复多聚核苷酸法。1966年将遗传密码完全破译。8UGU-核糖体-Cys-tRNA复合体通过滤膜过滤UGU，核糖体，各种氨基酸-tRNA反应进行Nirenberg

的实验9Khorana，重复多聚核苷酸法GUGUGUGUG-Cys-Val-Cys-Val-合成简单重复的核苷酸链已知Cys

密码子为UGU则GUG代表Val102)遗传密码的共同特性和例外

密码子具有以下共同特性：简并性，通用性，不重叠，连续性，兼职等。但在细胞器和原核生物中存在一些例外的情况。11

（1）简并性密码子共有64个，除UAA、UAG和UGA不编码氨基酸外，其余61个密码子负责编码20种氨基酸，因此出现了多种密码子编码一种氨基酸的现象，即密码子具有简并性（degeneracy）。负责编码同一种氨基酸的不同密码子称为同义密码子。同义密码子的多少与其编码的氨基酸在蛋白质中出现的频率没有明显的正相关性。

（2）通用性实验证明，从病毒、细菌到高等动植物都共同使用一套密码子。这种现象称为密码子的通用性。它充分证明生物界是起源于共同的祖先。也是当前基因工程中能将一种生物的基因转移到另一种生物中去表达的原因。（3）不重叠绝大多数生物中的密码子是不重叠连续阅读的，即同一个密码子中的核苷酸不会被重复阅读。但在某些病毒基因组中，由于基因的重叠而使密码子出现重叠性。

（4）兼职在61种密码子中，AUG和GUG除作为肽链合成起始信号外，还分别负责编码肽链内部的蛋氨酸和缬氨酸。也就是AUG和GUG同时具有两种功能，故称为兼职。12（5）密码子的例外如：在支原体：UGA→Trp(色)；在纤毛虫：UAA和UAG→Glu（谷）；在人的线粒体：UGA不是终止密码子，而是Trp(色)；AGA，AGG（精）变为了终止密码子，加上UAA、UAG，线粒体共有4个终止密码子；内部甲硫氨酸有2个，为AUG和AUA，起始密码子有4个，为AUN；在酵母线粒体中，除上述情况外，还有CUA（亮）→Thr(苏)。另外，密码子的阅读由起始密码子开始，按5′→3′方向阅读，直至终止密码子为止，形成一条多肽链；由于这些特点，所以在mRNA中插入或删去一个核苷酸，就会引起插入或删去位点以后的所有密码子发生错读，这种现象称为“移码”。13

tRNA的二级结构呈三叶草形，由4个臂（arm）和4个环(loop)组成。4个臂分别为接受臂、二氢尿嘧啶臂（DHUarm）、反密码子臂(anticodonarm)、假尿嘧啶臂(TψCarm)等。4个环分别为二氢尿嘧啶环、反密码子环、可变环以及假尿嘧啶环等。用X射线衍射技术发现，tRNA的三级结构是一个紧密的倒“L”型分子，远离的残基间由氢键和疏水堆积作用维持了稳定。

修饰核苷可能具有下列功能：稳定tRNA的三级结构；有助于密码子-反密码子的相互作用；防止氨基酸的错载；增加翻译效率和忠信程度；以及维持解读的框架等。(2)tRNA的结构与功能1415(3)核糖体及其功能1)核糖体的组成与结构生物核糖体分子量(kDa)亚基rRNA蛋白质种类原核70S2.5×10350S(大)23S5S3430S(小)16S21真核80S4.2×10360S(大)28S5.8S5S4940S(小)18S3316核糖体的结构

17核糖体的三种形式：核糖体、核糖体亚基、多核糖体（polyribosome/polysome）核糖体进行周期性的解离-聚合18多核糖体（polysome）电镜照片19多核糖体结构：两个连续核糖体中心之间距离约为80～90N；起始快于延伸和终止，则核糖体密集，反之则稀疏。转录与翻译同时进行，mRNA快速降解。核糖体沿mRNA的5’3’方向移动202)核糖体的功能▲肽酰基-tRNA部位（peptidyl-tRNAsite，P位）

▲氨酰基-tRNA结合的部位（aminoacyl-tRNAsite，A位）

▲脱氨酰基tRNA释放的部位（exitsite，E位）

此外还有肽键形成的部位(转肽酶),识别并结合mRNA上特异的起始部位。

213)rRNA

rRNA是核糖体的重要组成部分。每个细菌核糖体中含有3种rRNA分子：16S、23S和5SrRNA。它们对于核糖体的自身组装和功能表现起着重要作用。

mRNA起始密码子AUG上游约10bp处有一段5′...AGGAGG...3′序列，称为S-D序列(Shine-Dalgarno序列)，与16SRNA3′的3′...UCCUCC...5′互补。22mRNA互补区A位点结合区P位点结合区16SrRNA全长1542N（E.coli）；有多个甲基化位点，其中有些参与mRNA与tRNA识别；23肽酰转移酶中心移位延伸GTP酶中心23SrRNA245SrRNA的二级结构5SrRNA对核糖体活性是必需的，可是它的作用仍不十分清楚。很可能当核糖体执行功能时，它与16SrRNA相互作用，与已知的真核生物的5SrRNA与18SrRNA相互作用相类似。2515.2原核生物的翻译过程(1)氨基酸的活化(氨基酰-tRNA的形成)两步反应过程：第一步是氨基酸与ATP作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸；第二步是氨基酰基转移到tRNA

的3'-OH端上,形成氨基酰-tRNA。26氨基酸活化的总反应式是：

氨基酸+ATP+tRNA+H2O

氨基酰-tRNA+AMP+PPi

氨基酰-tRNA

合成酶每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRNA合成酶。它既催化氨基酸与ATP的作用,也催化氨基酰基转移到tRNA。27氨酰-tRNA28(2)tRNA对密码子的辨认在翻译中氨基酸是不能识别密码子的，而是靠tRNA的反密码子来识别。反密码子与密码子反向排列，按碱基互补配对的原则来识别，即密码子的第1、2、3碱基分别与反密码子的3、2、1碱基相配对。Crick提出存在摇摆假说。

29tRNA反密码子中的I可以与A、U、或C配对30反密码子的5′端碱基密码子的3′端碱基CGAUUA或GGU或CIU或C或A反密码子与密码子碱基配对的“摆动”

31所有细菌蛋白质合成的第一个氨基酸都是N-甲酰甲硫氨酸（fMet）。两种tRNAMet：tRNAfMet，tRNAmMet；只有tRNAfMet上的氨基酸可以甲酰化；Met-tRNAfMet

fMet-tRNAfMet转甲酰酶N10-甲酰四氢叶酸(3)翻译的起始1)起始氨基酰-tRNA形成32所有tRNA受体臂最后一对碱基中，只有tRNAfMet

的没有配对；tRNAfMet

反密码臂上有一系列G-C对，可使fMet-tRNAf

直接插入P位点。33起始从30S亚基、fMet-tRNAfMet、和一个mRNA分子的复合物开始；然后加入50S亚基，形成70S核糖体;只有fMet-tRNAf可被30S亚基用于起始；其它氨酰-tRNA可被70S核糖体用于延长。34起始密码子AUG上游约10bp处有一段5′...AGGAGG...3′序列，称为S-D序列(Shine-Dalgarno序列)，与16SRNA3′的3′...UCCUCC...5′互补。2)起始密码子的正确选读353)起始因子(IF)蛋白质合成的启动必须有起始因子参加，形成核糖体-mRNA-tRNA三元复合物。起始因子：蛋白质合成起始阶段特异地与小亚基结合的蛋白质。(Initiationfactor)

IF-3

为30S特异地结合在mRNA起始位点所需；

IF-2结合于起始tRNA，控制其进入核糖体；

IF-1

作为起始复合体一稳定因子，没有专一功能，只能促进IF-2及IF-3的活性，有些原核生物无IF-I。3650S亚基加入，释放起始因子。形成30S-mRNA复合体；IF-2-GTP加入，结合在P位点；起始tRNA加入；IF-2保证只有起始tRNA参与起始反应；步骤：（形成70S复合物）3738大肠杆菌核糖体中翻译起始的途径391)氨酰基-tRNA进入“A位”蛋白质合成中，每向肽链中加入一个氨基酸时，需与核糖体周期性结合的蛋白因子(延长因子)。EF-Tu：帮助氨酰-tRNA进入A位点；EF-Ts：使EF-Tu

恢复活性；EF-G：参与核糖体移位。(3)肽链的延长40EF-Tu-GTP将氨酰-tRNA带入A位点，然后以EF-Tu-GDP离开；EF-Tu唯一不能识别的fMet-tRNAf氨酰基--tRNA进入A位412)肽键的形成肽酰转移酶（peptidyl

transferase）是50S亚基的一种活性，催化形成新的肽键，同时使与P位点tRNA

连接的肽链转移到与A位点的tRNA。42肽键的形成

433)核糖体的移位（translocation）核糖体沿mRNA前进三个核苷酸。无载荷tRNA

排出P位点，而原来位于A位点的肽酰tRNA进入P位点，空出A位点。核糖体移位的杂合状态模型移位过程需要延长因子EF-G（也叫移位酶）的推动。

移位过程需要延长因子EF-G（也叫移位酶）的推动。

移位过程需要延长因子EF-G（也叫移位酶）的推动。

移位过程需要延长因子EF-G（也叫移位酶）的推动。

移位过程需要延长因子EF-G（也叫移位酶）的推动。

移位过程需要延长因子EF-G（也叫移位酶）的推动。

44454647释放因子1（RF1）识别UAA和UAG，释放因子2（RF2）识别UAA和UGA。释放因子作用于A位点，并需要P位点有多聚肽酰-tRNA。释放因子含量少，约每10个核糖体有1个。(4)翻译的终止48蛋白质合成的终止

49大肠杆菌核糖体的翻译终止途径50因子分子量特性和功能起始因子：IF-19000促进核糖体的解离和IF-2活性IF-2100000由一个要求GTP的反应使fMet-tRNAi结合于核糖体的P位点IF-322000将mRNA结合于核糖体的小亚基，可能是促进非翻译的前导序列与16SrRNA3′端的碱基配对延伸因子：EF-Tu43000将氨酰-tRNA结合于核糖体A位点EF-Ts30000重新生成EF-Tu-GTPEF-G77000肽基-tRNA密码子和A位点移至P位点，此过程依赖GTP终止（释放）因子：RF-136000水解肽基-tRNA，要求UAA或UAG密码子RF-238000水解肽基-tRNA，要求UAA或UGA密码子RF-346000促进RF-1，RF-2活性51mRNA上的多核糖体翻译示意图

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(5)抑制原核生物蛋白质合成的抑制剂

原核生物的蛋白质生物合成为多种抗生素所抑制。某些抗生素可通过影响复制与转录而阻断蛋白质合成，但也有不少抗生素则是直接妨碍翻译。例如，嘌呤霉素的结构很类似氨酰基-tRNA，因此能与后者相竞争，作为转肽反应中氨酰基异常的复合物，从而阻断蛋白质的生物合成。当生长着的肽链（或甲酰甲硫氨酸）被转移到嘌呤霉素的氨基上时，新生的肽酰-嘌呤霉素会从核糖体上脱落下来，从而终止翻译，导致肽链合成过早终止，而且截短的肽链的羧基端有1分子的嘌呤霉素。

53链霉素能与30S亚基结合，形成一种效率很低并且不稳定的起始复合物，能改变氨酰-tRNA在A位点上与其对应的密码子配对的精确性，很容易解离而终止翻译。四环素能阻断氨酰基-tRNA进入A位点，从而抑制肽链的延伸。

氯霉素能抑制核糖体中的50S大亚基的肽酰转移酶的活性，抑制肽链的延伸。红霉素与50S亚基结合，抑制肽酰转移酶，妨碍移位，因而将肽酰基-tRNA“冻结”在A位上。

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由于细菌核糖体与动物线粒体的核糖体相似，因此，能抑制细菌核糖体的抗生素也能抑制哺乳动物线粒体的核糖体循环，但它们并不与哺乳类细胞质核糖体结合，因此，它们对哺乳动物蛋白质合成影响不大。

四环素类（土霉素、金霉素、四环素）虽然对细菌与哺乳动物两种核糖体都能结合，但因为它进入细菌体比进入哺乳动物的细胞器要容易些，所以，对细菌有选择作用。5515.3真核生物蛋白质合成的特点

与原核生物的蛋白质生物