第四章 从mRNA到蛋白质

1、第四章第四章 从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质 DNARNA 蛋白质 复制 转录翻译 逆转录 RNA 复制 翻译：翻译：指将指将mRNAmRNA链链上的核甘酸从一个特定的上的核甘酸从一个特定的 起始位点开始，按每起始位点开始，按每三个核甘酸三个核甘酸代表一个氨代表一个氨 基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。 蛋白质合成的场所是蛋白质合成的场所是 蛋白质合成的模板是蛋白质合成的模板是 模板与氨基酸之间的接合体是模板与氨基酸之间的接合体是 蛋白质合成的原料是蛋白质合成的原料是 核糖体核糖体 mRNAmRNA tRNAtRNA 2020种氨基酸种氨基酸 遗

2、传密码遗传密码三联子三联子 tRNA tRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类 核糖体的结构与功能核糖体的结构与功能 蛋白质合成的过程蛋白质合成的过程 蛋白质的运转机制蛋白质的运转机制 一、遗传密码一、遗传密码三联子三联子 三联子密码定义三联子密码定义 mRNAmRNA链上每三个核甘酸翻译成蛋白链上每三个核甘酸翻译成蛋白 质多肽链上的一个氨基酸，质多肽链上的一个氨基酸，这三个核甘这三个核甘 酸酸就称为密码子或三联子密码就称为密码子或三联子密码(triplet (triplet codon)codon) 。 核苷酸序列核苷酸序列氨基酸序列氨基酸序列 ？ mRNA 5 AUCGACCUGAGC

3、3 43=6420 () mRNA 5 AUCGACCUGAGC3 420 () mRNA 5 AUCGACCUGAGC 3 42=1620 () A、三联密码的证实、三联密码的证实 19611961年年CrickCrick和和Brenner.SBrenner.S等证实了等证实了 三联密码的真实性；三联密码的真实性； 以匀聚物、随机共聚物和特定序列以匀聚物、随机共聚物和特定序列 的共聚物为模板指导多肽的合的共聚物为模板指导多肽的合 成；成； 核糖体结合技术核糖体结合技术 用用T4T4染色体上的一个基因（染色体上的一个基因（rr位点）通过用吖位点）通过用吖 啶类试剂处理，可以使啶类试剂处理，可以

4、使DNADNA脱落或插入单个脱落或插入单个 碱基，插入叫碱基，插入叫“加字加字”突变，脱落叫突变，脱落叫“减减 字字” 突变突变. .无论加字和减字都可以引起移码突变无论加字和减字都可以引起移码突变 （frameshift mutation)frameshift mutation)。 CrickCrick小组用这种方法获得一系列的小组用这种方法获得一系列的T4T4“加字加字” 和和 “减字减字”突变，再进行杂交来获得加入或减突变，再进行杂交来获得加入或减 少少 一个，二个，三个的不同碱基数的系列突一个，二个，三个的不同碱基数的系列突 变。变。 烟草坏死卫星病毒的研究发现，其外壳蛋白亚基由烟草坏

5、死卫星病毒的研究发现，其外壳蛋白亚基由400400 个氨基酸组成，而相应的个氨基酸组成，而相应的RNARNA片段长约片段长约12001200个核苷个核苷 酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合。酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合。 1961 1961年年NirenbergNirenberg和和 KhoranaKhorana建立了无细胞系统建立了无细胞系统 这一新技术又是在多核苷酸磷酸化酶发现的基础这一新技术又是在多核苷酸磷酸化酶发现的基础 上建立起来的。上建立起来的。 1955 S.Ochoa 1955 S.Ochoa在细菌中分离了多核苷酸磷酸在细菌中分离了多核苷酸磷酸 （polynucleo

6、tide phosphorylasepolynucleotide phosphorylase）, ,它催化核它催化核 糖核苷二磷酸的聚合，它不需要任何糖核苷二磷酸的聚合，它不需要任何DNADNA模板就模板就 可合成可合成. . 无细胞系统的建立无细胞系统的建立 他们的方法是他们的方法是: : 去模板去模板：用：用DNAaseDNAase处理处理E.coliE.coli抽提物，使抽提物，使DNADNA降解，降解， 除去原有的细菌模板。除去原有的细菌模板。 加入加入polyUpolyU：合成了多聚苯丙氨酸，：合成了多聚苯丙氨酸， 这一结果不仅证实了无细胞系统的成功，这一结果不仅证实了无细胞系统的成

7、功， 同时还表明同时还表明UUUUUU是苯丙氨酸的密码子。是苯丙氨酸的密码子。 分别加入分别加入polyApolyA，polyC polyC 和和polyG polyG 结果相结果相 应地获得了多聚赖氨酸，多聚脯氨酸和应地获得了多聚赖氨酸，多聚脯氨酸和 多聚甘氨酸。多聚甘氨酸。 随机共聚物为模板指导多肽的合成随机共聚物为模板指导多肽的合成 以只含以只含A,CA,C的共聚核苷酸作模板，任意排列时可的共聚核苷酸作模板，任意排列时可 出现出现8 8种三联子：种三联子： CCC, CCA, CAC, ACC, CAA, ACA, AAC, AAA, CCC, CCA, CAC, ACC, CAA, A

8、CA, AAC, AAA, 获得由获得由Asn, His, Pro, Gln, Thr, LysAsn, His, Pro, Gln, Thr, Lys等等6 6种氨基酸组种氨基酸组 成的多肽。成的多肽。 以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成 以以多聚二核苷酸多聚二核苷酸作模板可合成由作模板可合成由2 2个氨基酸组成的多肽个氨基酸组成的多肽 5 5UGU GUG UGU GUG UGU GUGUGU GUG UGU GUG UGU GUG3 3, ,不管读码从不管读码从U U开始还是从开始还是从G G开开 始，都只能有始，都只能有UGUUGU（CysCy

9、s）及）及GUGGUG（ValVal）两种密码子。）两种密码子。 以以共聚三核苷酸共聚三核苷酸作为模板可得到有作为模板可得到有3 3种氨基酸组成的多肽。种氨基酸组成的多肽。 如以多聚（如以多聚（UUCUUC）为模板，可能有）为模板，可能有3 3种起读方式：种起读方式： 5 5UUC UUC UUC UUC UUCUUC UUC UUC UUC UUC3 3 或或 5 5UCU UCU UCU UCU UCUUCU UCU UCU UCU UCU3 3 或或 55CUU CUU CUU CUU CUUCUU CUU CUU CUU CUU3 3 分别产生分别产生UUCUUC（PhePhe）、）、

10、UCUUCU（SerSer）或）或CUUCUU（LeuLeu）. . 多聚三核苷酸多聚三核苷酸为模板时也可能只合成为模板时也可能只合成2 2种多肽：种多肽： 5 5GUA GUA GUA GUA GUAGUA GUA GUA GUA GUA3 3 或或5 5UAG UAG UAG UAG UAGUAG UAG UAG UAG UAG3 3 或或5 5AGU AGU AGU AGU AGUAGU AGU AGU AGU AGU3 3 由第二种读码方式产生的密码子由第二种读码方式产生的密码子UAGUAG是终止密码，不编码任何是终止密码，不编码任何 氨基酸，因此，只产生氨基酸，因此，只产生GUAGU

11、A（ValVal）或）或AGUAGU（SerSer）。）。 19641964年年NirenbergNirenberg又采用核糖体结合实验又采用核糖体结合实验 u tRNA tRNA和氨基酸及膜板的结合是特异的；和氨基酸及膜板的结合是特异的； u 上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜的微孔，上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜的微孔， 而而tRNA- tRNA- 氨基酸的复合体是可以通过的。氨基酸的复合体是可以通过的。 人工合成的人工合成的+ +AA-tRNA+AA-tRNA 硝酸纤维素薄膜硝酸纤维素薄膜 分析留在滤膜上的分析留在滤膜上的-AA-tRNA-AA-tRNA 确定与核

12、糖体结合的确定与核糖体结合的AAAA 保温保温 技术路线技术路线 B B、遗传密码的性质、遗传密码的性质 连续性（连续性（commalesscommaless） 编码蛋白质氨基酸序列的各个三编码蛋白质氨基酸序列的各个三 联体密码连续阅读，密码间既无间隔联体密码连续阅读，密码间既无间隔 也无重叠。也无重叠。 从从mRNA 5mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUGAUG到到3 3 端终止密码端终止密码 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，称为编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架开放阅读框架(open (open rea

13、ding frame, ORF)reading frame, ORF)。 在全部在全部6464个密码子中，个密码子中， 6161个密码子负责个密码子负责2020种氨种氨 基酸的翻译，基酸的翻译，1 1个是起个是起 始密码子，始密码子， 3 3个是终止个是终止 密码子。密码子。 UAAUAA：赭石（：赭石（ochreochre）密）密 码子；码子； UAGUAG：琥珀：琥珀(amber)(amber)密码密码 子；子； UGAUGA：蛋白石（：蛋白石（opalopal） 密码子密码子 遗传密码的特异性主遗传密码的特异性主 要取决于前两位碱基。要取决于前两位碱基。 密码子简并性的生物密码子简并性的

14、生物 学意义：减少有害突变。学意义：减少有害突变。 简并现象的机理简并现象的机理 A. A. 同工同工tRNAtRNA（isoaccepting tRNAsisoaccepting tRNAs） B.B. 摇摆假说（摇摆假说（Wobble hypothesisWobble hypothesis） 19611961年年 Crick Crick 提出提出 又称又称 “变偶假说变偶假说” 内容：内容： codon codon 的前两位碱基和反密码子配对时遵循的前两位碱基和反密码子配对时遵循 WatsonWatsonCrick Crick 原则，而第三位碱基有一定的灵活性原则，而第三位碱基有一定的灵活

15、性 即即 codon codon 的的3 3rd rd-Nt -Nt 与与 anti-codon anti-codon 的的1 1st st-Nt -Nt（Nt34Nt34） mRNA 5mRNA 5CGU.CGC.CGACGU.CGC.CGACGGCGGAGAAGAAGGAGG3 3 摆动摆动 tRNAtRNA GCGGCG 3 355 GCUGCU 3 355 UCUUCU 3 355 摇摆碱基的摇摆配对原则摇摆碱基的摇摆配对原则 I-次黄嘌呤次黄嘌呤 摇摆碱基摇摆配对的机理摇摆碱基摇摆配对的机理 a a、 由由tRNA tRNA 反密码子环的空间结构所决定反密码子环的空间结构所决定 b

16、b、 anti-codon anti-codon 的的1st-Nt( 1st-Nt( 摇摆位点摇摆位点) )被被 修饰的频率很高，导致配对范围增大。修饰的频率很高，导致配对范围增大。 摇摆位点处于堆积碱基的末端，所摇摆位点处于堆积碱基的末端，所 受堆积力较小，有较大的自由度来受堆积力较小，有较大的自由度来 进行选择配对。进行选择配对。 tRNA tRNA 的丰度和的丰度和 codon codon 的使用频率是进的使用频率是进 化过程中形成的基因表达调控机制之一化过程中形成的基因表达调控机制之一 需要量多的蛋白质，有关密码子的使用频率高，相应的需要量多的蛋白质，有关密码子的使用频率高，相应的tR

17、NAtRNA的量多的量多 普遍性与特殊性普遍性与特殊性 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到 人类都通用。人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植 物细胞的叶绿体。物细胞的叶绿体。 生物生物密码子密码子 线粒体线粒体DNADNA编码编码 的氨基酸的氨基酸 核核DNADNA编码的氨编码的氨 基酸基酸 所有所有UGAUGA色氨酸色氨酸终止子终止子 酵母酵母CUACUA苏氨酸苏氨酸亮氨酸亮氨酸 果蝇果蝇AGAAGA丝氨酸丝氨酸精氨酸精氨酸 哺乳类哺乳类AGA/GAGA/G终止子终止子精氨酸精氨酸 哺乳类哺乳类A

18、UAAUA甲硫氨酸甲硫氨酸异亮氨酸异亮氨酸 线粒体与核DNA密码子使用情况的比较 二、二、tRNAtRNA的结构、功能与种类的结构、功能与种类 A. tRNAA. tRNA的结构的结构 tRNA tRNA被称为第二遗传密码。它不但为将被称为第二遗传密码。它不但为将 每个三联子密码翻译成氨基酸提供了接合体，每个三联子密码翻译成氨基酸提供了接合体， 还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体 上提供了载体。上提供了载体。 一端识别一端识别mRNAmRNA上的密码子，另一端携带相对上的密码子，另一端携带相对 应的氨基酸应的氨基酸 各种各种tRNAtRNA均含有均含有

19、74957495个碱基，个碱基， 一般含一般含7676个碱基。个碱基。 三叶草型的二维结构三叶草型的二维结构 5 5端和端和3 3端配对（常为端配对（常为7bp7bp）形成茎区，称为受体臂）形成茎区，称为受体臂 （acceptor armacceptor arm）或称氨基酸臂）或称氨基酸臂 。在。在3 3端永远是端永远是3-43-4个个 碱基（碱基（XCCAXCCA）的单链区，在其末端有）的单链区，在其末端有2 2-OH-OH或或3 3-OH-OH，是被，是被 氨基酰化位点。此臂负责携带特异的氨基酸。氨基酰化位点。此臂负责携带特异的氨基酸。 TC TC常由常由5bp5bp的茎和的茎和7Nt7N

20、t和环组成。和环组成。 此臂负责和核糖体上的此臂负责和核糖体上的rRNA rRNA 识别结合；识别结合； 三叶草二级结构具有四个臂 L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直 3 TC 环 氨基酸茎 3 5 氨基酸茎 5 D 环 D 环 TC 环 可变环 可变环 反密码子环 反密码子环 图 14-15 tRNA 由三叶草型折叠成 L 型三维结构 反密码子臂反密码子臂(anticodon arm)(anticodon arm)常由常由5bp5bp的茎区和的茎区和7Nt7Nt 的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。 D D环环 (D arm)(D arm)的茎区

21、长度常为的茎区长度常为4bp4bp，也称二氢尿嘧，也称二氢尿嘧 啶环（啶环（dihydrouracildihydrouracil）。负责和氨基酰）。负责和氨基酰tRNAtRNA聚合酶结聚合酶结 合合; ; 额外环额外环(extra arm)(extra arm)可变性大，从可变性大，从4 Nt4 Nt到到21 Nt21 Nt不不 等，其功能是在等，其功能是在tRNAtRNA的的L L型三维结构中负责连接两个区型三维结构中负责连接两个区 域（域（D D环反密码子环和环反密码子环和TC-TC-受体臂）。受体臂）。 tRNAtRNA的三维结构：的三维结构：L L型结构型结构 u D D环和环和TCT

22、C环形成了环形成了“L L” 的转角。的转角。 u 氨基酸受体臂位于氨基酸受体臂位于L L型的一侧，距反密码型的一侧，距反密码 子环约子环约70 A70 A。 u 在一些保守和半保守的碱基之间形成很多在一些保守和半保守的碱基之间形成很多 的三级氢键的三级氢键, ,使分子形成使分子形成L L形形, ,并使结构稳并使结构稳 定。定。 氨基酸臂氨基酸臂 与氨基酸结合与氨基酸结合 DHUDHU环环 与氨酰与氨酰-tRNA-tRNA合成酶结合合成酶结合 反密码环反密码环 识别密码子识别密码子 TCTC环环 与核蛋白体结合与核蛋白体结合 B.tRNAB.tRNA的功能的功能 转录过程是信息从一种核酸分子（

23、转录过程是信息从一种核酸分子（DNADNA）转）转 移至另一种结构上极为相似的核酸分子（移至另一种结构上极为相似的核酸分子（RNARNA） 的过程，信息转移靠的是碱基配对。的过程，信息转移靠的是碱基配对。 翻译阶段遗传信息从翻译阶段遗传信息从mRNAmRNA分子转移到结构分子转移到结构 极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成 单个氨基酸的三联子密码形式存在的，在这里单个氨基酸的三联子密码形式存在的，在这里 起作用的是解码机制。起作用的是解码机制。 解读解读mRNAmRNA的遗传信息的遗传信息 运输的工具，运载氨基酸运输的工具，运载氨基酸 tRNA有两个

24、关键部位： 3端CCA：接受氨基酸，形成氨酰-tRNA。 与mRNA结合部位反密码子部位 作用作用 C. tRNAC. tRNA的种类的种类 v 起始起始tRNAtRNA和延伸和延伸tRNA tRNA 能特异地识别能特异地识别mRNAmRNA模板上起始密码子的模板上起始密码子的 tRNAtRNA叫叫起始起始tRNAtRNA，其他，其他tRNAtRNA统称为统称为延伸延伸tRNAtRNA。 原核生物起始原核生物起始tRNAtRNA携带甲酰甲硫氨酸携带甲酰甲硫氨酸 （fMetfMet），真核生物起始），真核生物起始tRNAtRNA携带甲硫氨酸携带甲硫氨酸 （MetMet）。）。 真核生物真核生物：

25、起始密码子：起始密码子AUG AUG 所编码的氨基酸是所编码的氨基酸是MetMet， 起始起始AA-tRNAAA-tRNA为为Met-tRNAMet-tRNAMet Met。 。 原核生物原核生物：起始密码子：起始密码子AUG AUG 所编码的氨基酸并不是所编码的氨基酸并不是 甲硫氨酸本身甲硫氨酸本身, , 而是甲酰甲硫氨酸，起始而是甲酰甲硫氨酸，起始AA-tRNAAA-tRNA为为 fMet-tRNAfMet-tRNAfMet fMet v 同工同工tRNA tRNA 代表同一种氨基酸的代表同一种氨基酸的tRNAtRNA称为称为同工同工tRNAtRNA，同工，同工 tRNAtRNA既要有不同

26、的反密码子以识别该氨基酸的各种同既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同 义密码，又要有某种结构上的共同性，能被义密码，又要有某种结构上的共同性，能被AA- tRNAAA- tRNA 合成酶识别。合成酶识别。 携带携带AAAA相同而反密码子不同的一组相同而反密码子不同的一组tRNA tRNA 不同的反密码子识别不同的反密码子识别AAAA的同义密码的同义密码 结构上能被结构上能被AAAA tRNA tRNA合成酶识别的共性合成酶识别的共性 v校正校正tRNAtRNA 无义突变的校正无义突变的校正 无义突变：由于结构基因中某个核苷酸无义突变：由于结构基因中某个核苷酸 的变化由一种氨基酸的密的变化

27、由一种氨基酸的密 码码 变成终止密码。变成终止密码。 校正：校正：tRNAtRNA反密码子的突变反密码子的突变 无义突变使 UUG 变为 UAG Tyr-tRNA 阅读 UAG 密码子 AUG UUG UAA AUG UAG UAA AUG UAG UAA UAC AAC AUC AUG 释放因子 抑制突变 Leu Tyr Tyr 图 1417 带有突变反密码子的 tRNA 可抑制无义突变 无义突变 表 14-6 由反密码子突变而产生的无义抑制基因 野生型 抑制基因基因 tRNA 识别的密码子反密码子反密码子识别的密码子 SupD(su1)SerUCGCGACUAUAG SupE(su2)Gl

28、nCAGCUGCUAUAG SupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAG SupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAG SupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAG SupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG 错义突变的校正错义突变的校正 错义突变：由于结构基因中某个核苷酸的变错义突变：由于结构基因中某个核苷酸的变 化由一种氨基酸的密码变成另一化由一种氨基酸的密码变成另一 种氨基酸的密码。种氨基酸的密码。 校正：反密码子区的改变把正确的氨基酸加校正：反密码子区的改变把正确的氨基酸加 到肽链上。到肽链上。 甘氨酸甘氨酸GGA A

29、GA(GGA AGA(精氨酸）精氨酸） 校正：反密码子校正：反密码子CCU UCUCCU UCU 错义突变 错义突变 AUG AGA UAA AUG GGA UAA AUG AGA UAA UCU CCU UCU 抑制突变 Arg Gly Gly 图 14-18 反密码子发生突变可抑制错义突变 氨酰氨酰- tRNA- tRNA合成酶是一类催化氨基酸与合成酶是一类催化氨基酸与tRNAtRNA结合的特异结合的特异 性酶，其反应式如下：性酶，其反应式如下： AA+ATP+ tRNA AA- tRNA + AMP+PPi 它实际上包括两步反应：它实际上包括两步反应： 第一步第一步是氨基酸活化生成酶是氨

30、基酸活化生成酶- -氨基酰腺苷酸复合物。氨基酰腺苷酸复合物。 AA+ATP+ AA+ATP+酶（酶（E E）E-AA-AMP+PPi E-AA-AMP+PPi 第二步第二步是氨酰基转移到是氨酰基转移到tRNA 3tRNA 3末端腺苷残基上，与其末端腺苷残基上，与其2 2或或 3 3- -羟基结合。羟基结合。 E-AA-AMP+ tRNAAA-tRNA + E+ AMP E-AA-AMP+ tRNAAA-tRNA + E+ AMP D.D.氨酰氨酰- tRNA- tRNA合成酶合成酶 蛋白质合成的真实性主要决定于蛋白质合成的真实性主要决定于AA- tRNAAA- tRNA 合成酶是否能使氨基酸与

31、对应的合成酶是否能使氨基酸与对应的tRNAtRNA相结合。相结合。 要求要求: : AA-tRNAAA-tRNA合成酶既要能识别合成酶既要能识别tRNAtRNA，又要能识别氨基，又要能识别氨基 酸，它对两者都具有高度的专一性。酸，它对两者都具有高度的专一性。 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶对氨基酸和合成酶对氨基酸和tRNAtRNA都有高度特都有高度特 异性。异性。 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proof-(proof- reading activity) reading activity) 。 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA的表示方法：的表示

32、方法： Ala-tRNAAla-tRNAAla Ala Ser-tRNASer-tRNASer Ser Met-tRNAMet-tRNAMet Met 三、核糖体三、核糖体 核糖体像一个能沿核糖体像一个能沿mRNAmRNA模板移动的工厂，模板移动的工厂， 执行着蛋白质合成的功能。执行着蛋白质合成的功能。 它是由几十种蛋白质和几种核糖体它是由几十种蛋白质和几种核糖体RNARNA （ribosomal RNAribosomal RNA，rRNArRNA）组成的亚细胞颗粒。）组成的亚细胞颗粒。 细胞器核糖体：细胞器核糖体：与胞质中的存在明显差异，并具与胞质中的存在明显差异，并具 不同形式。有时与细菌

33、核糖体大小相当不同形式。有时与细菌核糖体大小相当（70% 70% rRNA rRNA），），有时仅有时仅60 S60 S（ 30% rRNA 30% rRNA） 核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽 然在不同生物内其然在不同生物内其大小有别大小有别，但，但组织结构基组织结构基 本相同本相同，而且执行的，而且执行的功能也完全相同功能也完全相同。 核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解 离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质 量较大的量较大的rRNArRNA和许多

34、不同的蛋白质分子。和许多不同的蛋白质分子。 原核生物核糖体由约原核生物核糖体由约2/32/3的的RNARNA及及1/31/3的蛋白质组的蛋白质组 成。成。 真核生物核糖体中真核生物核糖体中RNARNA占占3/53/5，蛋白质占，蛋白质占2/52/5。 小亚基小亚基 通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板 mRNAmRNA，蛋白质合成中，蛋白质合成中A A位、位、P P位、位、E E位的一部分等。位的一部分等。 大亚基大亚基 结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中A A位、位、P P 位、位、E E位的一部分等。

35、位的一部分等。 原核和真核生物核糖体的组成及功能原核和真核生物核糖体的组成及功能 核糖体亚基核糖体亚基 rRNAs rRNAs 蛋白蛋白 RNARNA的特异顺序和功能的特异顺序和功能 细菌细菌 70S 50S 23S=2904b 36 70S 50S 23S=2904b 36种种(L1-L36(L1-L36） 含含CGAACCGAAC和和TCTC互补互补 2.52.5106D 5S=120b106D 5S=120b 66%RNA 30S 16S=1542b 21 66%RNA 30S 16S=1542b 21种种(S1-S21) (S1-S21) 16SRNA(CCUCCU)16SRNA(CC

36、UCCU)和和S-D S-D 顺序顺序(AGGAGG)(AGGAGG)互补互补 哺乳动物哺乳动物 80S 60S 28S=4718b 80S 60S 28S=4718b 4949种种 有有GAUCGAUC和和tRNAfMettRNAfMet的的TCTC互补互补 4.24.2106D 5S=120b106D 5S=120b 60%RNA 5.8S=160b 60%RNA 5.8S=160b 40S 18S=1874b 33 40S 18S=1874b 33种种 和和Capm7GCapm7G结合结合 核糖体是核糖体是rRNA rRNA 与几十种蛋白质的复合体，有大、小与几十种蛋白质的复合体，有大、

37、小 两个亚基构成。含有合成蛋白质多肽链所必需的酶、起始两个亚基构成。含有合成蛋白质多肽链所必需的酶、起始 因子（因子（IFIF）、延伸因子（）、延伸因子（EFEF）、释放因子（）、释放因子（RFRF）等。）等。 原核的核糖体（原核的核糖体（70S70S）= 30S= 30S小亚基小亚基 + 50S+ 50S大亚基大亚基 30S30S小亚基小亚基: 16S rRNA + 21: 16S rRNA + 21种蛋白质种蛋白质 50S50S大亚基大亚基: 23S: 23S，5SrRNA + 345SrRNA + 34种蛋白质种蛋白质 真核的核糖体（真核的核糖体（80S80S）= 40S= 40S小亚基

38、小亚基 + 60S+ 60S大亚基大亚基 40S 40S 小亚基小亚基: 18S rRNA + 33: 18S rRNA + 33种蛋白质种蛋白质 60S 60S 大亚基大亚基: 28S: 28S，5.8S5.8S，5SrRNA + 455SrRNA + 45种蛋白质种蛋白质 沉降系数沉降系数 S 生物大分子在离心场中沉降，受到三种力的影响，生物大分子在离心场中沉降，受到三种力的影响， 它们是离心力，浮力和摩擦力。物质在单位离心力场它们是离心力，浮力和摩擦力。物质在单位离心力场 的沉降速度是个定值，称为沉降系数（的沉降速度是个定值，称为沉降系数（sedimentation coefficien

39、t） 。 蛋白质、核酸等的沉降系数在蛋白质、核酸等的沉降系数在1 X 10-13到到 200 X 10- 13秒 秒 之间。为方便将之间。为方便将10-13秒作为一个单位，称秒作为一个单位，称 Svedberg单位，用单位，用S表示。表示。 其数值不仅与物质分子的质量有关，也与分子的其数值不仅与物质分子的质量有关，也与分子的 形状有关。形状有关。 在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在蛋白在单个核糖体上，可化分多个功能活性中心，在蛋白 质合成过程中各有专一的识别作用和功能。质合成过程中各有专一的识别作用和功能。 mRNAmRNA结合部位结合部位小亚基小亚基 结合或接受结合或接受AA-tRN

40、AAA-tRNA部位（部位（A A位位）大亚基大亚基 肽基转移部位（肽基转移部位（P P位位）大亚基大亚基 形成肽键的部位（转肽酶中心）形成肽键的部位（转肽酶中心）大亚基大亚基 a a、位于、位于30S 30S 亚基的头部亚基的头部 c c、16S rRNA 316S rRNA 3端是端是mRNA mRNA 与小亚基初始结合不可与小亚基初始结合不可 缺少的缺少的 mRNAmRNA结合位点结合位点 a a、大部分在小亚基内、大部分在小亚基内 ，小部分在大亚基内，小部分在大亚基内 16SrRNA16SrRNA的的3 3末端、末端、L2L2等蛋白等蛋白 b b、能够与起始、能够与起始 tRNA tR

41、NA （fMet-tRNAffMet-tRNAf）相结合，）相结合， 且且P P位点会影响位点会影响A A位点的活性位点的活性 P P位点：位点： 肽酰肽酰tRNAtRNA位点位点 a a、 主要在大亚基上主要在大亚基上 b b、 A A位点内位点内mRNA mRNA 表面只对特定的表面只对特定的 aaaatRNA tRNA 分子分子 表现出特异性，表现出特异性，且且A A位点结合位点结合aaaatRNA tRNA 要求要求 在在P P位点上必须有肽酰位点上必须有肽酰-tRNA-tRNA存在存在 A A位点：位点： 氨酰氨酰-tRNA -tRNA 位点位点 肽基转移酶活性位点肽基转移酶活性位点

42、 活性中心在大亚基上，位于活性中心在大亚基上，位于P P位点和位点和A A位点的连接处靠近位点的连接处靠近 tRNAtRNA的接受臂的接受臂 E E 位点（包括两个：脱酰基位点（包括两个：脱酰基tRNAtRNA和多肽的逐出位点）和多肽的逐出位点） E1 E1为脱酰基为脱酰基tRNA tRNA 离开核糖体提供出口离开核糖体提供出口 E1 E1对蛋白质合成的准确性起重要作用对蛋白质合成的准确性起重要作用 E2 E2为多肽离开核糖体提供出口（占核糖体为多肽离开核糖体提供出口（占核糖体1 13 3） 核糖体有核糖体有4个基本功能个基本功能 1. 容纳容纳mRNA，并能沿着，并能沿着 mRNA由由53

43、移动，移动， 由由tRNA解读其密码；解读其密码； 2. 氨基酰位点（氨基酰位点（A位点位点），可），可 结合氨酰基结合氨酰基-tRNA（AA- tRNA）；）； 3. 肽酰基位点（肽酰基位点（P位点位点），可），可 结合肽酰基结合肽酰基-tRNA（肽（肽- tRNA）；）； 4. 脱氨酰基脱氨酰基tRNA的出口位的出口位(E位位 点点) ; 5. 肽酰基转移酶中心，是形成肽酰基转移酶中心，是形成 肽键肽键的位点等。的位点等。 四、四、 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 蛋白质合成中蛋白质合成中 mRNAmRNA模板的方向：模板的方向：5 35 3； 蛋白质的合成方向：蛋白质的合成

44、方向：N N端端 C C端端 蛋白质合成过程：蛋白质合成过程： 起始起始 延长延长 终止终止 A A、氨基酸的活化、氨基酸的活化 氨基酸氨基酸 + tRNA+ tRNA氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA ATP AMPPPi 氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶 原核生物中，起始氨基酸是：原核生物中，起始氨基酸是： 起始起始AA-tRNAAA-tRNA是：是： 真核生物中，起始氨基酸是：真核生物中，起始氨基酸是： 起始起始AA-tRNAAA-tRNA是：是： 甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸 fMet-tRNAfMet-tRNAfMet fMet 甲硫氨酸甲硫氨酸 Met-tRNAMet-tRN

45、AMet Met 第一步反应第一步反应 氨基酸氨基酸ATPATPE E 氨基酰氨基酰-AMP-E-AMP-EAMPAMPPPiPPi 第二步反应第二步反应 氨基酰氨基酰-AMP-E -AMP-E tRNA tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA AMPAMP E E 氨基酸氨基酸 与与tRNAtRNA 的连接的连接 方式方式 酯键酯键 氨基酸的氨基酸的 羧基与羧基与 tRNA tRNA 的的3 3 端端CCA-OH CCA-OH 以酯键相以酯键相 连，因此连，因此 其氨基是其氨基是 自由的。自由的。 B B、翻译的起始、翻译的起始 指指mRNAmRNA和起始氨基酰和起始氨基酰-tRNA-

46、tRNA分别与核蛋白分别与核蛋白 体 结 合 而 形 成体 结 合 而 形 成 翻 译 起 始 复 合 物翻 译 起 始 复 合 物 (translational initiation complex)(translational initiation complex)。 参与起始过程的蛋白质因子称起始因子参与起始过程的蛋白质因子称起始因子 （initiation factorinitiation factor，IFIF）。）。 原核生物起始因子有三种：原核生物起始因子有三种： IF-1IF-1：占据：占据A A位防止结合其他位防止结合其他tRNAtRNA。 IF-2IF-2：促进起始：促进起

47、始tRNAtRNA与小亚基结合。与小亚基结合。 IF-3IF-3：促进大小亚基分离，提高：促进大小亚基分离，提高P P位对结合位对结合 起始起始tRNAtRNA敏感性。敏感性。 原核生物（细菌）为例：原核生物（细菌）为例： 所需成分：所需成分：30S30S小亚基、小亚基、 50S50S大亚基、模大亚基、模 板板mRNAmRNA、 fMet-tRNAfMet-tRNAfMet fMet、 、GTPGTP、MgMg2+ 2+ 翻译起始因子：翻译起始因子：IF-1IF-1、IF-2IF-2、IF-3IF-3、 核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离； mRNAmRNA在小亚基定位结合；在小亚基定

48、位结合； 起始氨基酰起始氨基酰-tRNA-tRNA的结合；的结合； 核蛋白体大亚基结合。核蛋白体大亚基结合。 翻译起始复合物形成翻译起始复合物形成 IF-3 IF-1 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离 A U G53 IF-3 IF-1 30S30S小亚基通过小亚基通过SDSD序列与序列与mRNAmRNA模板相结合模板相结合 S-DS-D序列序列 IF-3 IF-1 IF-2 GTP A U G53 在在IF-2IF-2和和GTPGTP的帮助下，的帮助下， fMet-tRNAfMetfMet-tRNAfMet 进入小亚基的进入小亚基的P P位，位，tRNAtRNA上的反密码子与上的反密

49、码子与mRNAmRNA 上的起始密码子配对。上的起始密码子配对。 IF-3 IF-1 IF-2 GTP GDPPi A U G53 带有带有tRNAtRNA、mRNAmRNA和和3 3个翻译起始因子个翻译起始因子 的小亚基复合物与的小亚基复合物与50S50S大亚基结合，大亚基结合，GTPGTP水水 解，释放翻译起始因子。解，释放翻译起始因子。 IF-3 IF-1 A U G 53 IF-2 GTPIF-2-GTP GDP Pi 真核生物翻译起始的特点真核生物翻译起始的特点 核糖体较大核糖体较大, ,为；为； 起始因子比较多；起始因子比较多； Met Met- -tRNAtRNAMet Met，

50、起始 ，起始tRNAtRNA的的MetMet不需甲酰化；不需甲酰化； mRNA mRNA的的55端帽子结构和端帽子结构和33端端polyApolyA都参与形都参与形 成翻译起始复合物；成翻译起始复合物； 起始因子起始因子生物功能生物功能 eIF-2eIF-2促进起始促进起始tRNAtRNA与小亚基结合与小亚基结合 eIF-2B, eIF-2B, eIF-3eIF-3 促进大小亚基分离促进大小亚基分离 eIF-4AeIF-4AeIF-4FeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进复合物成分，有解螺旋酶活性，促进 mRNAmRNA结合小亚基结合小亚基 eIF-4BeIF-4B促进促进mRNAmR

51、NA扫描定位起始扫描定位起始AUGAUG eIF-4EeIF-4EeIF-4FeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合mRNA 5mRNA 5帽子帽子 eIF-4GeIF-4GeIF-4FeIF-4F复合物成分，结合复合物成分，结合eIF-4EeIF-4E和和PABPAB eIF-5eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合 大亚基大亚基 eIF-6eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基促进核蛋白体分离成大小亚基 真核生物翻译起始因子真核生物翻译起始因子 真核生物翻译起始复合物形成真核生物翻译起始复合物形成( (区别原核生物区别原核生物) ) 原核

52、生物中原核生物中30S30S小亚基小亚基首先与首先与mRNAmRNA模板相结模板相结 合合，再与，再与fMet-tRNAfMet-tRNAfMet fMet结合，最后与 结合，最后与50S50S大亚基大亚基 结合。而在真核生物中，结合。而在真核生物中，40S40S小亚基小亚基首先与首先与Met-Met- tRNAtRNAMet Met相结合，再与模板 相结合，再与模板mRNAmRNA结合，结合，最后与最后与60S60S 大亚基结合生成大亚基结合生成80S80SmRNAmRNAMet-tRNAMet-tRNAMet Met起始复合 起始复合 物。物。 mRNA eIF-6 GDP+Pi elF-

53、5 ATP ADP+Pi elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB Met Met-tRNAMet-elF-2 -GTP 真核生物翻译起始真核生物翻译起始 复合物形成过程复合物形成过程 C C、肽链的延伸、肽链的延伸 肽链延伸由许多循环组成，肽链延伸由许多循环组成， 每加一个氨基酸就是一个循环，每加一个氨基酸就是一个循环， 每个循环包括：每个循环包括：AA-tRNAAA-tRNA与核糖体结合与核糖体结合、 肽键的生成肽键的生成和和移位。移位。 延伸因子延伸因子(elongation factor, EF)(elongation factor, EF) ： 原核生物：原核生物

54、：EF-T (EF-Tu, EF-Ts)EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G EF-G 真核生物：真核生物：EF-1 EF-1 、EF-2 EF-2 肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行 ，又称为核蛋白体循环（，又称为核蛋白体循环（ribosomal cycle)ribosomal cycle)， 每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步：每次循环增加一个氨基酸，分为以下三步： 进位进位（entranceentrance） 成肽成肽（peptide bond formationpeptide bond formation） 转位转位（tran

55、slocationtranslocation） 进位反应进位反应 进位：进位：为密码子所特定的氨基酸为密码子所特定的氨基酸tRNAtRNA结合到核蛋白体结合到核蛋白体 的的A A位。位。 氨基酰氨基酰tRNAtRNA在进位前需要有延长因子的作用：在进位前需要有延长因子的作用：热不稳热不稳 定的定的EF-TuEF-Tu（Unstable temperature, EF-Tu Unstable temperature, EF-Tu ）和热）和热 稳定的稳定的EF-Ts (stable temperature , EF-Ts)EF-Ts (stable temperature , EF-Ts)。 转

56、肽转肽-肽键的形成肽键的形成 肽键形成在大亚基上肽键形成在大亚基上 肽酰转移酶的催化下，将肽酰转移酶的催化下，将P P位点上的位点上的tRNAtRNA所携带所携带 的甲酰蛋氨酰的甲酰蛋氨酰( (或肽酰基或肽酰基) )转移给转移给A A位上新进入的氨基位上新进入的氨基 酰酰-tRNA-tRNA的氨基酸上，此步需的氨基酸上，此步需Mg2+Mg2+及及K+K+的存在。的存在。 移位移位 （Translocation)Translocation) 移位指在移位指在EF-GEF-G、GTPGTP和和Mg2+Mg2+的作用下，核糖体沿的作用下，核糖体沿 mRNAmRNA链链(5(533) )作相对移动。作

57、相对移动。 原核延长原核延长 因子因子 生物功能生物功能 对应真核延对应真核延 长因子长因子 EF-TuEF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA-tRNA进入进入A A位，结合分位，结合分 解解GTPGTP EF-1-EF-1- EF-TsEF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EF-1- EF-GEF-G有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-mRNA-肽酰肽酰- - tRNAtRNA由由A A位前移到位前移到P P位，促进卸载位，促进卸载 tRNAtRNA释放释放 EF-2EF-2 肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 AA-tRNAAA-tRNA与核糖体与核糖体A A位点的结合位点的结

58、合 需要消耗需要消耗GTPGTP，并需，并需EF-TuEF-Tu、EF-TsEF-Ts两种延伸因子两种延伸因子 通过延伸因子通过延伸因子EF-TsEF-Ts再生再生GTP,GTP, 形成形成EF-TuEF-TuGTPGTP复合物复合物 EF-Tu-GDP+ EF-TsEF-Tu-GDP+ EF-Ts EF-Tu-Ts + GDP EF-Tu-Ts + GDP EF-Tu-Ts + GTPEF-Tu-Ts + GTP EF-Tu-GTP + EF-Ts EF-Tu-GTP + EF-Ts 重新参与下一轮循环重新参与下一轮循环 Tu Ts GTP GDP A U G53 Tu Ts GTP 肽键形

59、成：肽键形成：是由转肽酶是由转肽酶/ /肽基转移酶催化肽基转移酶催化 核糖体向核糖体向mRNA3mRNA3端方向移动一个密码端方向移动一个密码 需要消耗需要消耗GTPGTP，并需，并需EF-GEF-G延伸因子延伸因子 延长因子延长因子EF-GEF-G有转位酶有转位酶( translocase )( translocase ) 活性，可结合并水解活性，可结合并水解1 1分子分子GTPGTP，促进核蛋白，促进核蛋白 体向体向mRNAmRNA的的33侧移动。侧移动。 移位移位 fMet A U G53 fMet TuGTP 进进 位位 转转 位位 成肽成肽 D D、肽链的终止、肽链的终止 当当mRN

60、AmRNA上终止密码出现后，多肽链合上终止密码出现后，多肽链合 成停止，肽链从肽酰成停止，肽链从肽酰-tRNA-tRNA中释出，中释出，mRNAmRNA、 核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合核蛋白体等分离，这些过程称为肽链合 成终止。成终止。 RF1RF1：识别终止密码子：识别终止密码子UAAUAA和和UAGUAG 终止因子终止因子 RF2RF2：识别终止密码子：识别终止密码子UAAUAA和和UGAUGA RF3RF3：具：具GTPGTP酶活性，刺激酶活性，刺激RF1RF1和和 RF2RF2活性，协助肽链的释放活性，协助肽链的释放 （原核生物）（原核生物） 真核生物只有一个终止因子（真核生物只