第4章 蛋白质翻译

1、第三章 生物信息的传递 从从RNA到蛋白质到蛋白质第一节第一节 三联遗传密码子三联遗传密码子（自学）（自学）第二节第二节 tRNAtRNA第三节第三节 核糖体核糖体第四节第四节 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制第五节第五节 蛋白质的转运机制蛋白质的转运机制第六节第六节 蛋白质的更替蛋白质的更替1.二级结构特征二级结构特征： 单链单链 三叶草叶形三叶草叶形 四臂四环四臂四环2.三级结构三级结构 特征：特征： 在二级结构基础上在二级结构基础上进一步折叠扭曲形成倒进一步折叠扭曲形成倒L型型第二节第二节 tRNAtRNA酵母酵母tRNA Ala 的的二级结构二级结构DHU环环IGC反密码子

2、反密码子反密码环反密码环氨基酸臂氨基酸臂可变环可变环TC环环CCAAla3 5 密码子密码子tRNAtRNA反密码子反密码子氨基酸是对号入座的氨基酸是对号入座的tRNA的三级结构的三级结构2tRNA的的L形三级结构形三级结构 tRNA的的L形高级结构反映了其生物学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相配对，所以两个不同的功能基团最大限度分离。限度分离。 3tRNA的功

3、能的功能 转录过程是信息从一种核酸分子（转录过程是信息从一种核酸分子（DNA）转移至另）转移至另一种结构上极为相似的核酸分子（一种结构上极为相似的核酸分子（RNA）的过程，信息）的过程，信息转移靠的是碱基配对。翻译阶段遗传信息从转移靠的是碱基配对。翻译阶段遗传信息从mRNA分子分子转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译转移到结构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，在这里起作用成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。的是解码机制。氨酰氨酰tRNA合成酶催化氨基酸与合成酶催化氨基酸与tRNA连接连接 tRNA的氨酰化（负载）由氨

4、酰的氨酰化（负载）由氨酰tRNA合成酶的一组酶催化完成。合成酶的一组酶催化完成。生物体有生物体有20种氨酰种氨酰tRNA合成酶，每个对应一种氨基酸，这意味着合成酶，每个对应一种氨基酸，这意味着一组同工一组同工tRNA被一个酶酰氨化。被一个酶酰氨化。根据序列和活性位点的结构的不同，氨酰tRNA合成酶可以被分为两大类：类型I：含有两个高度保守的序列基序，这类酶所催化的氨酰化发生在tRNA上腺苷的2-羟基上，并且酶分子通常的活性形式为单体或二聚体。 包括GluRS、GlnRS、ArgRS、CysRS、MetRS、ValRS、IleRS、LeuRS、TyrRS和TrpRS；类型II：含有三个高度保守的

5、序列基序，这类酶所催化的氨酰化发生在tRNA上腺苷的3-羟基上，并且酶分子通常的活性形式为二聚体或四聚体。包括GlyRS、AlaRS、ProRS、SerRS、ThrRS、HisRS、AspRS、AsnRS、LysRS和PheRS；无论氨酰基开始被连接到腺苷上的哪一个羟基上，最终都会通过酯交换反应（transesterification）转移到3羟基上。特征第一类酶第二类酶酶活性位点的结构酶活性位点的结构与与tRNA的相互作用的相互作用结合的结合的tRNA取向取向氨基酸的结合氨基酸的结合平行平行 片层片层受体臂的小沟受体臂的小沟V环背向酶环背向酶结合到结合到tRNAtRNA末端核苷末端核苷酸酸2

6、 2-OH反平行反平行 片层片层受体臂的大沟受体臂的大沟V环面向酶环面向酶结合到结合到tRNAtRNA末端核苷末端核苷酸酸3 3-OH氨酰tRNA合成酶的特征4tRNA的种类的种类同工同工tRNA均专一于相同的氨酰均专一于相同的氨酰tRNA合成酶合成酶起始起始tRNA和延伸和延伸tRNA原核生物：原核生物：fMet-tRNAfMet；真核生物：；真核生物：Met-tRNAMet 校正校正tRNA抑制无义突变和错义突变抑制无义突变和错义突变4.1校正校正tRNA对突变的抑制作用对突变的抑制作用 mRNA分子上密码子的突变可造成其编码的蛋白质的结分子上密码子的突变可造成其编码的蛋白质的结构突变，导

7、致蛋白质功能的丧失；构突变，导致蛋白质功能的丧失；tRNA反密码子的突变可反密码子的突变可使其识别突变的密码子，蛋白质的结构不发生变化。后一种使其识别突变的密码子，蛋白质的结构不发生变化。后一种突变为前一种突变的抑制突变，所以这类突变为前一种突变的抑制突变，所以这类tRNA也被称为校也被称为校正正tRNA (suppreesor tRNA)。 在野生型细胞，在野生型细胞，无义突变无义突变指密码子变为终止密码子而使翻指密码子变为终止密码子而使翻译提前终止。译提前终止。 错义突变错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码，从而使

8、相应使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码，从而使相应蛋白质的功能受到影响。蛋白质的功能受到影响。A G C丝氨酸 U C GmRNA53A U C丝氨酸 U A GmRNA53校正校正Ser-tRNA的无义突变抑制机理的无义突变抑制机理4.1校正校正tRNA对突变的抑制作用对突变的抑制作用4.2 tRNA可影响可读框可影响可读框 mRNA的可译框架通常不发生变化，由起始密码子开的可译框架通常不发生变化，由起始密码子开始，至终止密码子结束。始，至终止密码子结束。mRNA分子中一个碱基的插入或分子中一个碱基的插入或缺失突变会使可读框变化，产生完全不同的翻译产物。缺失突变会使可读框变化，产生完全

9、不同的翻译产物。 移码抑制（移码抑制（frameshift suppression）可恢复正确的可可恢复正确的可读框架。这种抑制作用可发生在基因水平上，也可由基因读框架。这种抑制作用可发生在基因水平上，也可由基因外的因素（外的因素（tRNA）参与完成。）参与完成。 在有些噬菌体和病毒中，在有些噬菌体和病毒中，移码是一种正常的现象移码是一种正常的现象，可造成翻，可造成翻译的终止或延长。在反转录病毒中，一条译的终止或延长。在反转录病毒中，一条mRNA上存在不同的可上存在不同的可译框架，移码可造成对不同阅读框的翻译，使不同的基因表达。译框架，移码可造成对不同阅读框的翻译，使不同的基因表达。 C C

10、C甘氨酸甘氨酸C C C C甘氨酸甘氨酸 G G G G G G G抑制型抑制型Gly-tRNA的移码抑制机理的移码抑制机理mRNA插入突变插入突变mRNA5533校正型校正型Gly-tRNA：反密码子由：反密码子由CCC变成了变成了CCCC，可识别，可识别模板模板GGG GGGG。校正型校正型Lys- tRNA：可同时识别：可同时识别AAAA和和AAAU。校正型校正型Thr-tRNA：可识别：可识别ACCN，N为任何一种碱基。为任何一种碱基。此时，第四个碱基并不参与密码子的配对，可能只是受到空此时，第四个碱基并不参与密码子的配对，可能只是受到空间阻碍，而不影响下一个密码子的识别。间阻碍，而不

11、影响下一个密码子的识别。 第三节第三节 核糖体核糖体结合在内质网上的核糖体结合在内质网上的核糖体1.核糖体的核糖体的组成组成3450S和30S亚基的三维分子结构图。分子中的淡蓝色部分为蛋白质，淡橙色及黄色部分为RNA单链。分子核心的亮绿色部分为亚基的活性中心。不同核糖体的亚基组成不同核糖体的亚基组成大大小小70S50S30S5S 23S16S36个个21种种80S60S40S5S 28S 5.5S18S49种种33种种亚基亚基原核细胞及真核细胞原核细胞及真核细胞叶绿体、线粒体叶绿体、线粒体真核细胞真核细胞rRNA 蛋白质蛋白质细胞类型细胞类型 核糖体类型核糖体类型组分一：蛋白质组分一：蛋白质

12、E. coli核糖体的核糖体的57种蛋白质，几乎所有蛋白质的种蛋白质，几乎所有蛋白质的一级结构一级结构都不同都不同，在免疫学上也没有同源性。而在，在免疫学上也没有同源性。而在不同种的原核生物核糖体蛋白质之间却有很高的同不同种的原核生物核糖体蛋白质之间却有很高的同源性，序列分析和免疫反应都证明了这一点，说明源性，序列分析和免疫反应都证明了这一点，说明不同物种细胞中的核糖体可能来源于共同的祖先，不同物种细胞中的核糖体可能来源于共同的祖先，在进化上非常保守在进化上非常保守。由于核糖体的功能具有普遍意。由于核糖体的功能具有普遍意义，所以不同种的原核生物核糖体蛋白质之间具有义，所以不同种的原核生物核糖体

13、蛋白质之间具有很高的同源性。很高的同源性。组分二：组分二：RNA 对对500多个不同种生物的研究表明，多个不同种生物的研究表明，rRNA是高是高度保守的度保守的，有些序列是完全一致的。尽管不同种的，有些序列是完全一致的。尽管不同种的rRNA一级结构可能有所不同，但它们都折叠成相一级结构可能有所不同，但它们都折叠成相似的二级结构（由多个臂环组成的结构）和三级结似的二级结构（由多个臂环组成的结构）和三级结构。构。 16srDNA-进化定位进化定位在细菌的16SrDNA中有多个区段保守性，根据这些保守区可以设计出细菌通用物，可以扩增出所有细菌的16SrDNA片段，并且这些引物仅对细菌是特异性的，也就

14、是说这些引物不会与非细菌的DNA互补，而细菌的16SrDNA可变区的差异可以用来区分不同的菌。因此，16SrDNA可以作为细菌群落结构分析最常用的系统进化标记分子。2.核糖体的核糖体的功能功能（1）与）与mRNA的结合位点；的结合位点；（2）A位点：氨酰基位点，与新掺入的氨酰位点：氨酰基位点，与新掺入的氨酰tRNA结合；结合；（3）P位点：肽酰基位点，与延伸中的酰肽位点：肽酰基位点，与延伸中的酰肽tRNA结合；结合；（4）E位点：肽酰转移后与即将释放的位点：肽酰转移后与即将释放的tRNA结合；结合；（5）肽酰基从）肽酰基从A位点转移到位点转移到P位点有关转移酶的位点有关转移酶的结合位点结合位点

15、；（6）肽酰转移酶的）肽酰转移酶的催化位点催化位点：核糖体中最主要的活性部位是肽酰转：核糖体中最主要的活性部位是肽酰转移酶的催化位点。移酶的催化位点。核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点：结合位点与催化位点：核糖体的功能位点核糖体的功能位点A位：氨基酰位点位：氨基酰位点(aminoacyl site)P位：肽酰基位点位：肽酰基位点(peptidyl site)E位：排出位点位：排出位点(exit site)From left: Poul Nissen, Nenad Ban, Thomas Steitz and Jeff Hansen. 过去

16、一直认为在核糖体中一定有某种或某类蛋白质在催过去一直认为在核糖体中一定有某种或某类蛋白质在催化蛋白质合成中起重要作用。化蛋白质合成中起重要作用。 2000年，原子水平的核糖体结年，原子水平的核糖体结构图诞生，并证实了构图诞生，并证实了RNA分子发生复杂的折叠，但有大量的分子发生复杂的折叠，但有大量的蛋白质支持。蛋白质支持。三位科学家都采用了X射线蛋白质晶体学的技术，标识出了构成核糖体核糖体的成千上万个原子。这些科学家们不仅让我们知晓了核糖体核糖体的“外貌”，而且在原子层面上揭示了核核糖体糖体功能的机理。“认识核糖体核糖体内在工作的机理，对于科学理解生命非常重要。这些知识可以立刻应用于实际。”2

17、009年诺贝尔奖年诺贝尔奖评选委员会宣布，三位科学家文卡特拉曼拉马克里希南、托马斯施泰茨和阿达约纳特因“对核糖体核糖体的结构和功能的研究”而获得诺贝尔诺贝尔化学奖奖。 目前认为，在核糖体中目前认为，在核糖体中rRNA是起主要作用的结构成分，是起主要作用的结构成分，主要功能为：主要功能为： （1）具有肽酰转移酶活性；）具有肽酰转移酶活性； （2）为）为tRNA提供结合位点（提供结合位点（A位点、位点、P位点和位点和E位点）；位点）； （3）为多种蛋白质因子提供结合位点；）为多种蛋白质因子提供结合位点； （4）在蛋白质合成起始时参与同）在蛋白质合成起始时参与同mRNA选择性地结合以选择性地结合以及

18、肽链延伸时与及肽链延伸时与mRNA结合。结合。蛋白质支撑蛋白质支撑 对核糖体蛋白的功能有多种推测对核糖体蛋白的功能有多种推测：（：（1）对）对rRNA折折叠成有功能的三维结构十分重要；（叠成有功能的三维结构十分重要；（2）对核糖体的构象）对核糖体的构象变化起到微调作用；（变化起到微调作用；（3）在核糖体的结合位点及催化位）在核糖体的结合位点及催化位点上与点上与rRNA共同作用。共同作用。活性位点主要由活性位点主要由RNA组成组成合成体系之四：蛋白质因子合成体系之四：蛋白质因子阶段阶段原核原核 真核真核 功功 能能IF1IF2 eIF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3 eIF3、

19、eIF4C起始起始CBP I 与与mRNA帽子结合帽子结合 eIF4A B F 参与寻找第一个参与寻找第一个AUGeIF5 协助协助eIF2 、 eIF3、eIF4C的释放的释放eIF6 协助协助60S亚基从无活性的核糖体上解离亚基从无活性的核糖体上解离EF-Tu eEF1 协助氨酰协助氨酰-tRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-Ts eEF1 帮助帮助EF-Tu 、 eEF1 周转周转 EF-G eEF2 移位因子移位因子RF-1终止终止 eRF 释放完整的肽链释放完整的肽链RF-2第四节第四节 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制1、氨基酸的活化氨基酸的活化2、原核生物多肽链的

20、合成过程原核生物多肽链的合成过程3、多核糖体与多核糖体循环多核糖体与多核糖体循环真核生物多肽链合成的特点真核生物多肽链合成的特点蛋白质的翻译后加工蛋白质的翻译后加工4. 蛋白质合成抑制剂蛋白质合成抑制剂EEAAEAAtRNAAAEtRNAAAEtRNAAA氨基酸的活化活化氨基酸的第一步反应活化氨基酸的第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E PPi活化氨基酸的第二步反应活化氨基酸的第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA AMP E氨酰氨酰- tRNA- tRNA合成酶特点合成酶特点 a、专一性一是对氨基酸有极高的专一性，一是对氨基酸有极高的专一

21、性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-L-氨基酸，不氨基酸，不作用于作用于D-D-氨基酸。二是对氨基酸。二是对tRNAtRNA具有极高专一性。具有极高专一性。 b、校对作用：氨酰氨酰-tRNA-tRNA合成酶的水解部位合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。可以水解错误活化的氨基酸。N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet的形成的形成CHOCHO-HN-CH-COO-tRNA-HN-CH-COO-tRNA CH CH2 2 CH CH2 2 S S COO- COO- + +H H2 2N-CH-COO-tRNAN-CH-COO-tRNA CH CH2

22、 2 CH CH2 2 S S COO- COO-Met-tRNAffMetfMet-tRNAffMet转甲酰酶转甲酰酶 原核生物多肽链的合成分为三个阶段：肽链合成的起始、肽链的延伸、肽链合成的终止和释放。1、肽链合成的起始2、肽链的延长3、肽链合成的终止及释放30S亚基亚基 mRNA IF3- IF1复合物复合物30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物复合物70S起始复合物起始复合物30S亚基亚基-IF3IF-3IF2GTPIF2 IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S50S亚基亚基IF2+ IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始起始复合物

23、复合物1、核糖体小亚基与起始、核糖体小亚基与起始因子因子IF 1和和IF-3相结合，相结合，诱发诱发模板模板mRNA与小亚与小亚基结合基结合。合成的起始合成的起始mRNAmRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合 (1) (1)原核生物原核生物mRNAmRNA通过通过55端端SDSD序列配对结合到核蛋白体小亚基上的序列配对结合到核蛋白体小亚基上的16S 16S rRNArRNA近近3-3-末端处（以末端处（以AGGAAGGA为核心）。为核心）。IF-3IF-3对此有固定作用。对此有固定作用。 (2)(2) SDSD下游小段序列，又可以被核蛋白体小亚基蛋白下游小段序列，又可以被核蛋白体小亚基蛋白(

24、rps-l)(rps-l)识别结合。识别结合。 SD序列：称为核蛋白体结合位点序列：称为核蛋白体结合位点(RBS)，在起始密码子在起始密码子AUG的上游约的上游约813个核苷酸处，有一段由个核苷酸处，有一段由4-9个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。因个核苷酸组成的富含嘌呤的序列。因其发现者是其发现者是Shine-Dalgarno而得名。而得名。2 2、由、由30S 30S 小亚基、起始因小亚基、起始因子子IF-1IF-1和和IF-3IF-3及模板及模板mRNAmRNA所组成的复合物立即与所组成的复合物立即与GTP-IF-2GTP-IF-2及及fMet-tRNAfMet-tRNAf fMetMet相

25、结合。反密码子与密码相结合。反密码子与密码子配对。子配对。合成的起始合成的起始3 3、上述六组分复合物再、上述六组分复合物再与与50S50S大亚基结合，水解大亚基结合，水解GTPGTP生成并释放生成并释放GDPGDP和和PiPi。释放三个起始因子。释放三个起始因子。合成的起始合成的起始肽链的延长进位进位肽键形成肽键形成移位移位进位进位(TuTs)N-N-端端C-C-端端肽键形成肽键形成（EF-G） TuTs循环循环肽肽键的形成键的形成肽链合成的终止及释放（1 1）释放因子）释放因子RFRF1 1或或RFRF2 2进入核糖体进入核糖体A A位。位。 （2 2）多肽链的释放）多肽链的释放（3 3）

26、70S70S核糖体解离核糖体解离tRNARFRF3.多核糖体与核糖体循环多核糖体与核糖体循环合成完毕合成完毕的肽链的肽链多核糖体多核糖体3mRNA延伸中的肽链延伸中的肽链5核糖体循环核糖体循环4.真核生物蛋白质合成的特点真核生物蛋白质合成的特点4.1合成起始合成起始 真核生物蛋白质生物合成起始过程中，需要甲硫氨真核生物蛋白质生物合成起始过程中，需要甲硫氨酰酰-tRNAi、GTP、ATP和十几种起始因子和十几种起始因子(eIF)参与。参与。 80S60S40S + 三种起始因子三种起始因子 43S (eIF-1A, eIF-3, eIF-3A)真核生物的核糖体真核生物的核糖体真核生物翻译起始复合

27、物的形成真核生物翻译起始复合物的形成eIF-4F：eIF-4BeIF-4A 帽子结合蛋白帽子结合蛋白Met40SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、 eIF-6 elF-3GDP+Pi各种各种elF释放释放elF-5ATPADP+PielF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PABMetMet-tRNAiMet-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4.2肽链的延伸肽链的延伸 在真核生物中，普遍存在着延伸因子在真核生物中，普遍存在着延伸因子1和和2（eEF-1、eEF-1），在真菌中还有延伸因子），在真菌中还有延伸因子

28、3（eEF-3）。）。4.3合成终止合成终止eRF1能识别三种终止密码子。能识别三种终止密码子。 在核糖体释放因子在核糖体释放因子(eRF3)作用下，核糖体与作用下，核糖体与mRNA解离。解离。4.真核生物蛋白质合成的特点真核生物蛋白质合成的特点 如果一个不正确的氨基酸被吸收进了一个正在生长的多肽链如果一个不正确的氨基酸被吸收进了一个正在生长的多肽链中，那么在核糖体的活性点上特异性一般就会丢失，导致错误累中，那么在核糖体的活性点上特异性一般就会丢失，导致错误累积，触发肽合成的过早结束。这种积，触发肽合成的过早结束。这种“后肽基转移编辑后肽基转移编辑”（post-peptidyl transfer editing），在某种程度上可以解释活体蛋白质），在某种程度上可以解释活体蛋白质合成中所达到的给人印象深刻的保真度。合成中所达到的给人印象深刻的保真度。1 1、肽链末端的修饰（、肽链末端的修饰（N-N-端端fMetfMet或或MetMet的切除的切除）2 2、信号序列的切除、信号序列的切除3 3、二硫键的形成、二硫键的形成4 4、部分肽段的切除（、部分肽段的切除（内含肽内含肽）5 5、个别氨基酸的、个别氨基酸