分子生物学基础第五章遗传信息的翻译-从mRNA到蛋白质第二节蛋白质生物合成的过程

分子生物学基础第五章遗传信息的翻译—从mRNA到蛋白质

第二节蛋白质生物合成的过程蛋白质生物合成亦称为翻译，即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序的过程。蛋白质生物合成主要包括下列步骤：翻译的起始―—核糖体与mRNA结合并与氨酰-tRNA生成起始复合体；肽链的延伸──核糖体沿mRNA5’端向3’端移动，使多肽链的合成从N端向C端的方向进行；肽链的终止以及新合成多肽链的折叠和加工——核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。各阶段必须的成分见表5-10。第二节蛋白质生物合成的过程

第二节蛋白质生物合成的过程一、氨基酸的活化原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，真核生物的起始tRNA是Met-tRNAMet。原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。在真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始复合体。起始复合体的生成除了需要GTP提供能量外，还需要Mg2+、NH4+及3个起始因子（IF-1、IF-2和IF-3）。起始因子与30S小亚基的结合较为松散，用1mol/LNH4Cl处理即可使之游离。第二节蛋白质生物合成的过程二、翻译的起始1．原核生物蛋白质合成的起始

起始阶段的主要任务是在mRNA分子的正确起始点即起始密码子处完成完整核糖体的组装。蛋白质翻译的起始复合体包括：30S核糖体小亚基、mRNA、fMet-tRNAfMet、三个起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）、GTP、50S核糖体大亚基、Mg2+。翻译的起始又可被分成三步，如图5-7所示。

第二节蛋白质生物合成的过程

图5-7蛋白质翻译起始过程

第二节蛋白质生物合成的过程

①IF-1和IF-3与游离的30S核糖体小亚基相结合，以阻止在与mRNA结合前30S亚基与大亚基的结合，从而防止无活性核糖体的形成。②由30S小亚基、起始因子IF-1和IF-3及mRNA所组成的复合体立即与GTP-IF-2及fMet-tRNAfMet相结合。起始tRNA通过其反密码子与mRNA分子上AUG密码子配对，与上述复合体结合，同时释放IF-3。IF-3的作用在于保持大小亚基彼此分离状态，以及有助于mRNA结合。此时的复合体称为30S起始复合体。

③30S起始复合体再与50S大亚基结合，替换出IF-1和IF-2，而GTP在此耗能过程中被水解。起始后期形成的该复合体被称为70S起始复合体。第二节蛋白质生物合成的过程如图5-8所示。其中IF-3的功能是使核糖体的30S和50S亚基保持分开，其它两个起始因子IF-1及IF-2的功能则是促进fMet-tRNAifMet及mRNA与30S小亚基的结合。如前所述，mRNA的SD序列可与小亚基上16SrRNA的3′进行碱基配对，起始密码子AUG可与起始tRNA上的反密码子进行配对。当30S小亚基结合上fMet-tRNAifMet以及与mRNA形成复合体后，IF-3就解离下来，以便50S大亚基与复合体的结合，后一结合使IF-2离开核糖体，同时使结合在IF-2上的GTP水解，原核生物的起始过程需要1分子GTP水解成GDP及磷酸提供能量。

第二节蛋白质生物合成的过程

图5-8原核生物蛋白质合成起始复合体的形成

第二节蛋白质生物合成的过程

2．真核生物蛋白质合成的起始真核生物蛋白质合成的起始需要更多的蛋白质因子eIF参与，目前至少发现有9种，其中有些因子含有多达11种不同的亚基。但对它们的功能了解甚少，主要过程如图5-9所示。与原核系统类似，eIF-3使40S的小亚基与大亚基分开，但其间的反应不同。Met-tRNAiMet首先与小亚基结合，同时与eIF-2及GTP形成起始四元复合体，该复合体再在多个因子的帮助下开始与mRNA的5′端结合。其中eIF-4因子含有1个特殊的亚基，能特异性地结合在mRNA的5′端帽子结构上。结合在mRNA上后，核糖体小亚基就开始向3′端移动至第一个AUG，这种移动由ATP水解为ADP及磷酸来提供能量。第二节蛋白质生物合成的过程

图5-9真核生物蛋白质合成起始复合体的形成

第二节蛋白质生物合成的过程三、肽链的延伸肽链延伸也可被分为三步：1．第一步，进位氨酰-tRNA首先必须与GTP-EF-Tu复合体相结合，形成氨酰-tRNA-GTP-EF-Tu复合体并与70S中的A位点相结合。此时，GTP水解并释放GDP-EF-Tu复合体。如图5-11所示。

2．第二步，转肽转肽是形成肽键的反应，转肽如图5-12所示。该过程是在延伸因子从核糖体上解离下来的同时进行的。催化这一过程的酶是存在于核糖体大亚基上的23StRNA与酶蛋白称为肽酰转移酶，催化的本质是使一个酯键转变成一个肽键，由新加入的氨酰-tRNA上氨基酸的氨基对肽酰-tRNA上酯键的羰基进行亲核反应而成。第二节蛋白质生物合成的过程

3．第三步，移位移位是延伸过程的最后一步，如图5-13所示。该过程由移位因子EF-2催化（原核中为EF-G，真核中为EF-2）。核糖体的移位需要EF-G和另一分子GTP水解提供能量。移位的目的是使核糖体沿mRNA向下游移动，使下一个密码子暴露于核糖体的合适位点以供继续翻译。此过程除需EF-2外，还需GTP、Mg2+。按进位→转肽→移位，每进行一次核糖体循环，就在肽链上增加1个氨基酸残基。以嘌呤霉素作为抑制剂通过实验表明，核糖体端mRNA移动与肽基-tRNA的移位这两个过程是偶联的。肽链延伸是由许多这样的反应组成的，原核生物中每次反应共需3个延伸因子，EF-Tu、EF-Ts、EF-G，真核生物细胞需EF-1、及EF-2，消耗2个GTP，向生长中的肽链加上一个氨基酸。第二节蛋白质生物合成的过程

图5-11细菌中肽链延伸的第一步反应：进位

第二节蛋白质生物合成的过程

图5-12转肽

第二节蛋白质生物合成的过程

图5-13细菌中肽链延伸的第三步反应：移位

第二节蛋白质生物合成的过程四、翻译的终止翻译的最后一步涉及到肽酰-tRNA中连接tRNA和C端氨基酸酯键的切断，这一过程需要终止和释放因子（RFs）。核糖体与mRNA的解离还需要核糖体释放因子（RRF）的参与。细胞中通常不含能识别3个终止密码子的tRNA。在大肠杆菌中，当终止密码子进入核糖体上的A位点后，即被释放因子识别。RF-1可识别UAA和UAG，RF-2识别UAA和UGA，RF-3有助于RF-1和RF-2的活性。释放因子使肽酰转移酶将多肽链转至H2O分子而不是通常的氨酰-tRNA，释放出mRNA并与核糖体亚基完全解离。当释放因子识别在A位点上的终止密码子后，存在于大亚基上的肽酰转移酶专一活性转变成了酯酶活性，以水解新生合成的肽链。原核生物蛋白质合成中新生肽链的释放如图5-14所示。第二节蛋白质生物合成的过程

图5-14原核生物蛋白质合成中新生肽链的释放

第二节蛋白质生物合成