第十二章

蛋白質(zhì)的生物合成

（翻譯）

ProteinBiosynthesis，Translation

蛋白質(zhì)的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由4種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中20種氨基酸的排列順序。20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、無機(jī)離子參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括

三種RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白體RNA）tRNA（transferRNA,轉(zhuǎn)移RNA）一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學(xué)將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron)

。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(singlecistron)

。

原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核糖體結(jié)合位點(diǎn)起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP5

3

蛋白質(zhì)PPPmG-5

3

蛋白質(zhì)目錄遺傳密碼的破譯遺傳密碼：DNA或mRNA中的核苷酸序列與多肽鏈中的氨基酸序列之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

遺傳密碼：指DNA或由其轉(zhuǎn)錄的mRNA中決定其編碼的蛋白質(zhì)氨基酸排列順序的核苷酸排列信息。

1968年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)

——解讀了遺傳密碼及其在蛋白質(zhì)合成方面的機(jī)能

霍利

RobertW．Holley

美國分子生物學(xué)家

康奈爾大學(xué)

1922～1993

科拉納

HarGobindKhorana

美國生物化學(xué)家

威斯康星大學(xué)

1922～

尼倫伯格

MarshallW．Nirenberg

美國生化遺傳學(xué)家

國立衛(wèi)生研究院

1927～2010mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5

至3

方向，由AUG開始，每3個(gè)核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個(gè)氨基酸或蛋白質(zhì)合成的起始、終止信號(hào)，稱為三聯(lián)體密碼(tripletcoden)。起始密碼(initiationcoden):AUG

終止密碼(terminationcoden):UAA，UAG，UGA

從mRNA5

端起始密碼子AUG到3

端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。

1.連續(xù)性(commaless)遺傳密碼的特點(diǎn)編碼蛋白質(zhì)氨基酸序列的各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。2.偏愛性(preference)

3.簡(jiǎn)并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個(gè)或多至6個(gè)三聯(lián)體為其編碼。4.通用性(universal)蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。

5.擺動(dòng)性(wobble)轉(zhuǎn)運(yùn)氨基酸的tRNA的反密碼子需要通過堿基互補(bǔ)與mRNA上的遺傳密碼反向配對(duì)結(jié)合，但反密碼子與密碼子間不嚴(yán)格遵守常見的堿基配對(duì)規(guī)律，稱為擺動(dòng)配對(duì)。二、核糖體是多肽鏈合成的裝置原核生物真核生物核糖體小亞基大亞基核糖體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質(zhì)rpS21種rpL34種rpS33種rpL49種

不同細(xì)胞核糖體的組成核糖體的組成目錄原核生物翻譯過程中核糖體結(jié)構(gòu)模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)目錄

三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環(huán)氨基酸臂tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化第一步反應(yīng)氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

目錄第二步反應(yīng)氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E目錄tRNA與酶結(jié)合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(zhǎng)(elongation)翻譯的終止(termination)整個(gè)翻譯過程可分為：翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長(zhǎng)肽鏈，直至終止密碼子出現(xiàn)。四、蛋白質(zhì)生物合成過程(一）肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結(jié)合而形成翻譯起始復(fù)合物(translationalinitiationcomplex)。原核生物翻譯起始復(fù)合物形成核糖體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結(jié)合；起始氨基酰-tRNA的結(jié)合；核糖體大亞基結(jié)合。S-D序列

因澳大利亞學(xué)者夏因(Shine)和達(dá)爾加諾(Dalgarno)兩人發(fā)現(xiàn)該序列的功能而得名。信使核糖核酸(mRNA)翻譯起點(diǎn)上游與原核16SrRNA3′端富含嘧啶的7核苷酸序列互補(bǔ)的富含嘌呤的3～7個(gè)核苷酸序列(AGGAGG)，是核糖體小亞基與mRNA結(jié)合并形成正確的前起始復(fù)合體的一段序列。

IF-3IF-11.核糖體大小亞基分離目錄AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結(jié)合目錄IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結(jié)合到小亞基AUG5'3'目錄IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成AUG5'3'目錄IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目錄真核生物翻譯起始復(fù)合物形成核糖體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結(jié)合；mRNA在核糖體小亞基就位；核糖體大亞基結(jié)合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻譯起始復(fù)合物形成過程（二）肽鏈合成延長(zhǎng)指根據(jù)mRNA密碼序列的指導(dǎo)，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。肽鏈延長(zhǎng)在核糖體上連續(xù)性循環(huán)式進(jìn)行，又稱為核糖體循環(huán)(ribosomalcycle)，每次循環(huán)增加一個(gè)氨基酸，包括以下三步：進(jìn)位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉(zhuǎn)位(translocation)延伸過程所需蛋白因子稱為延長(zhǎng)因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延長(zhǎng)因子生物功能對(duì)應(yīng)真核延長(zhǎng)因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-βγEF-G有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進(jìn)卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長(zhǎng)因子1進(jìn)位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核糖體A位。

目錄延長(zhǎng)因子EF-T催化進(jìn)位（原核生物）

目錄TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目錄2成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。

3轉(zhuǎn)位

延長(zhǎng)因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核糖體向mRNA的3'側(cè)移動(dòng)。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目錄進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽真核生物肽鏈合成的延長(zhǎng)過程與原核基本相似，但有不同的反應(yīng)體系和延長(zhǎng)因子。另外，真核細(xì)胞核糖體沒有E位，轉(zhuǎn)位時(shí)卸載的tRNA直接從P位脫落。真核生物延長(zhǎng)過程（三）肽鏈合成的終止當(dāng)mRNA上終止密碼出現(xiàn)后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。

終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)識(shí)別終止密碼，如RF-1特異識(shí)別UAA、UAG；而RF-2可識(shí)別UAA、UGA。釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物釋放因子：eRF原核肽鏈合成終止過程

UAG5'3'RFCOO-目錄多聚核糖體(polysome)——使蛋白質(zhì)合成高速、高效進(jìn)行。目錄電鏡下的多聚核糖體現(xiàn)象目錄（四）蛋白質(zhì)的加工1蛋白質(zhì)折疊新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N端在核糖體上一出現(xiàn)，肽鏈的折疊即開始?？赡茈S著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產(chǎn)生正確的二級(jí)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域到形成完整空間構(gòu)象。一般認(rèn)為，多肽鏈自身氨基酸順序儲(chǔ)存著蛋白質(zhì)折疊的信息，即一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。細(xì)胞中大多數(shù)天然蛋白質(zhì)折疊都不是自動(dòng)完成，而需要其他酶、蛋白輔助。幾種有促進(jìn)蛋白折疊功能的大分子1.分子伴侶(molecularchaperon)

熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族伴侶素(chaperonins)GroEL和GroES家族2.酶類蛋白二硫鍵