第四章生物信息的传递(下)---从mRNA到蛋白质-P

1、第四章第四章 生物信息的传递（下）生物信息的传递（下）从从mRNA到蛋白质到蛋白质1、遗传密码、遗传密码2、 tRNA3、核糖体、核糖体4、蛋白质合成的生物学机制、蛋白质合成的生物学机制5、蛋白质运转机制、蛋白质运转机制蛋白质的生物合成步骤蛋白质的生物合成步骤 (1)翻译的起始翻译的起始 核糖体与核糖体与mRNA结合并与结合并与氨酰氨酰-tRNA生成起始复合物。生成起始复合物。 (2)肽链的延伸肽链的延伸 由于核糖体沿由于核糖体沿mRNA5端向端向3端移动，开始了从端移动，开始了从N端向端向C端的多肽合成，端的多肽合成，这是蛋白质合成过程中速度最快的阶段。这是蛋白质合成过程中速度最快的阶段。

2、(3)肽链的终止及释放肽链的终止及释放 核糖体从核糖体从mRNA上上解离，准备新一轮合成反应。解离，准备新一轮合成反应。 核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体是蛋白质合成的场所。 mRNA是蛋白质合成的模板。是蛋白质合成的模板。 转移转移RNA(transfer RNA，tRNA)是模板与氨基酸是模板与氨基酸之间的接合体。之间的接合体。 在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生物大在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生物大分子参与。参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干分子参与。参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干重的重的35%。在真核生物中有将近。在真核生物中有将近300种生物大分子种生物大分子与蛋

3、白质的生物合成有关。与蛋白质的生物合成有关。 蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量的的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量的90%消消耗在蛋白质合成过程中。耗在蛋白质合成过程中。 在真核生物细胞核内合成的在真核生物细胞核内合成的mRNA，要运送，要运送到细胞质，才能翻译生成蛋白质。到细胞质，才能翻译生成蛋白质。 所谓翻译是指将所谓翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每特定的起始位点开始，按每3个核苷酸代表一个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过个氨基酸的原

4、则，依次合成一条多肽链的过程。程。 蛋白质合成速度很高。大肠杆菌只需要蛋白质合成速度很高。大肠杆菌只需要5s就就能合成一条由能合成一条由100个氨基酸组成的多肽。个氨基酸组成的多肽。41 遗传密码遗传密码三联子三联子 贮存在贮存在DNA上的遗传信息通过上的遗传信息通过mRNA传递传递为蛋白质。为蛋白质。mRNA上每上每3个核苷酸翻译成蛋个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸个核苷酸称为密码，也叫三联子密码。称为密码，也叫三联子密码。 翻译时从起始密码子翻译时从起始密码子AUG开始，沿着开始，沿着mRNA5 3的方向连续阅读密码子，直的方向连续阅读密码

5、子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链列的多肽链蛋白质。蛋白质。411 三联子密码及其破译三联子密码及其破译 首先从数学的角度来考虑：以一种核苷酸代表一首先从数学的角度来考虑：以一种核苷酸代表一种氨基酸则蛋白质中只能有种氨基酸则蛋白质中只能有4种氨基酸，不行。种氨基酸，不行。 以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码(二联子二联子)，它们能代表的氨基酸只有它们能代表的氨基酸只有4216种，不足种，不足20种，种，也不行。也不行。 以以3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有4364种密码，可以满

6、足编码种密码，可以满足编码20种氨基酸的需要。种氨基酸的需要。 在模板在模板mRNA中插入或删除一个碱基，会改中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列。变该密码子以后全部氨基酸序列。 若同时对模板进行插入和删除试验，插入和若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的蛋白质序列就保持不变变化，翻译得到的蛋白质序列就保持不变(除除了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之外外)。 如果同时删去如果同时删去3个核苷酸，翻译产生少一个氨个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋

7、白质，序列不发生变化。基酸的蛋白质，序列不发生变化。 对烟草坏死卫星病毒的研究发现。其外对烟草坏死卫星病毒的研究发现。其外壳蛋白亚基由壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，而相个氨基酸组成，而相应的应的RNA片段长约片段长约1200个核苷酸，与假个核苷酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合。设的密码三联子体系正好相吻合。 在在20世纪世纪60年代，由于体外蛋白质合成体系年代，由于体外蛋白质合成体系的建立和核酸人工合成技术的发展，科学家的建立和核酸人工合成技术的发展，科学家花了几年时间破译了遗传密码，即确定了代花了几年时间破译了遗传密码，即确定了代表每种氨基酸的具体密码。表每种氨基酸的具体密码。412

8、遗传密码的性质遗传密码的性质 4121密码的简并性密码的简并性 按照按照1个密码子由个密码子由3个核苷酸组成的原则，个核苷酸组成的原则，4种核苷酸可组成种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知个密码子，现在已经知道其中道其中61个是编码氨基酸的密码子，另外个是编码氨基酸的密码子，另外3个即个即UAA、UGA和和UAG不代表任何氨基酸，不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与它们是终止密码子，不能与tRNA的反密码的反密码子配对，能被终止因子或释放因子识别，子配对，能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。终止肽链的合成。 密码子有密码子有61种而氨基酸只有种而氨基酸只有20种。所以除色种。所

9、以除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其他氨氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。基酸都有一个以上的密码子。 由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（称为简并（degeneracy），对应于同一种氨），对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。基酸的几个密码子称为同义密码子。 AUG和和GUG既是既是met和和val的密码子又是起的密码子又是起始密码子。始密码子。 同义密码子第一、二第位核苷酸往往是相同同义密码子第一、二第位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的

10、氨基酸。码的氨基酸。 一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。精该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。精氨酸是个例外，因为在真核生物中氨酸是个例外，因为在真核生物中CG双联子双联子出现的频率较低，所以尽管有出现的频率较低，所以尽管有6个同义密码子，个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍然不高。蛋白质中精氨酸的出现频率仍然不高。 对同意密码的理解有助于对同意密码的理解有助于PCR引物设计。引物设计。4.1.2.2 密码的普遍性与特殊性密码的普遍性与特殊性 以上介绍的密码子表是具有普遍性的，以上介绍的密码子表是具有普遍性的，适

11、用于一切生物。有一些特例，不编适用于一切生物。有一些特例，不编码普遍性状况应该编码的氨基酸而编码普遍性状况应该编码的氨基酸而编码别的氨基酸，下表列举了一些特例。码别的氨基酸，下表列举了一些特例。4123 密码子与反密码子的相互作密码子与反密码子的相互作用用 在蛋白质生物合成过程中，在蛋白质生物合成过程中，tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与基的反向配对与mRNA上的密码上的密码子相互作用的。子相互作用的。 在密码子与反密码子的配对中，前两对严格在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定

12、的自由度，可以由度，可以摆动摆动，因而使某些，因而使某些tRNA可以识可以识别别1个以上的密码子。一个个以上的密码子。一个tRNA究竟能识别究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决定的，反密码子第一位为性质决定的，反密码子第一位为A或或C时只能时只能识别识别1种密码子，为种密码子，为G或或U时可以识别时可以识别2种密码种密码子，为子，为I时可识别时可识别3种密码子。种密码子。 如果有几个密码子同时编码一个氨如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的密码子都对应于各自独立的

13、tRNA。第一、二位碱基相同的密码子，则第一、二位碱基相同的密码子，则共用一种共用一种tRNA。 原核生物中有原核生物中有3045种种tRNA。 真核细胞中存在真核细胞中存在50种左右种左右tRNA。42 tRNA tRNA在蛋白质合成中为每个三联密码在蛋白质合成中为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体，为准确子翻译成氨基酸提供了接合体，为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体，它又被称为第二遗传密供了运送载体，它又被称为第二遗传密码。各种码。各种tRNA在结构上存在大量的共性。在结构上存在大量的共性。由于小片段碱基互补配对，形成三叶草由于小片段

14、碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶草形形的二级结构。三叶草形tRNA分子上有分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手条根据它们的结构或已知功能命名的手臂。臂。 受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；构；3端有未配对的端有未配对的34个碱基；个碱基；3端的端的CCA，最后一个碱基，最后一个碱基2烃基可被氨酰化。烃基可被氨酰化。 TC臂：其中臂：其中表示拟尿嘧啶，是表示拟尿嘧啶，是tRNA分子分子所拥有的不常见核苷酸。所拥有的不常见核苷酸。 反密码子臂：位于套索中央有三联反密码子。反密码子臂：位于套索中央有三联反密码子。 D臂：含有二氢尿嘧啶。

15、臂：含有二氢尿嘧啶。酪酪5 55 53 3AUGGUU UAC ACA酪氨酰酪氨酰- tRNA反密码反密码mRNA密码密码( (codoncodon) )与反密码与反密码( (anticodonanticodon) )的碱基配对的碱基配对 最常见最常见tRNA有有76个碱基。所有个碱基。所有tRNA含含7495个核苷酸。个核苷酸。tRNA长度的不同主要是由其中长度的不同主要是由其中的两条手臂引起。在的两条手臂引起。在D臂中存在多至臂中存在多至3个可变个可变核苷酸位点。核苷酸位点。 tRNA分子中最大的变化发生多余臂上。只含分子中最大的变化发生多余臂上。只含有一条仅为有一条仅为35个核苷酸的多余

16、臂的个核苷酸的多余臂的tRNA占占所有所有tRNA的的75%; 其余是有较大多余臂的其余是有较大多余臂的tRNA ，包括杆状结构上的，包括杆状结构上的5个核苷酸和套索个核苷酸和套索结构上的结构上的311个核苷酸。个核苷酸。 tRNA富含稀有碱基（约富含稀有碱基（约70余种）。每个余种）。每个tRNA分子至少含有分子至少含有2个稀有碱基，最多有个稀有碱基，最多有19个，在反密码子个，在反密码子3端邻近部位出现的频率最端邻近部位出现的频率最高，这对于维持反密码子环的稳定性及密码高，这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对是很重要的。子、反密码子之间的配对是很重要的。 当当tRNA与

17、核糖体的与核糖体的P位点和位点和A位点结合时，位点结合时，tRNA分子三叶草形顶端突起部位通过反密码分子三叶草形顶端突起部位通过反密码子和密码子的配对与子和密码子的配对与mRNA相结合，其相结合，其3末末端恰好将所运转的氨基酸送到正在延伸的多端恰好将所运转的氨基酸送到正在延伸的多肽上。肽上。421 tRNA的的L形三级结构形三级结构 tRNA的三级结构，都呈的三级结构，都呈L形折叠形折叠式，而这种结构是靠二级结构中式，而这种结构是靠二级结构中未配对碱基间所形成的氢键来维未配对碱基间所形成的氢键来维持的。持的。tRNA的三级结构与氨酰的三级结构与氨酰-tRNA合成酶对合成酶对tRNA的识别有关。

18、的识别有关。 受体臂和受体臂和TC臂的杆状区域构成了臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，第一个双螺旋，D臂和反密码子臂臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。的杆状区域形成了第二个双螺旋。TC臂和臂和D臂的套索状结构位于臂的套索状结构位于L的转折点。所以，受体臂顶端的碱的转折点。所以，受体臂顶端的碱基位于基位于L的一个端点，反密码子臂的一个端点，反密码子臂的套索状结构生成了的套索状结构生成了L的另一个端的另一个端点。点。 tRNA高级结构上的特点是研究其生物学功高级结构上的特点是研究其生物学功能的重要线索：能的重要线索：tRNA上所运载的氨基酸必须上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多

19、肽合成位点，靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而反密码子必须与小亚基上的而反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，相配对，所以分子中两个不同的功能基团是最大限度所以分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。这个结构形式满足了蛋白质合成过分离的。这个结构形式满足了蛋白质合成过程中对程中对tRNA的各种要求而成为的各种要求而成为tRNA的通式，的通式，研究证实研究证实tRNA的性质是由反密码子而不是它的性质是由反密码子而不是它所携带的氨基酸所决定的。所携带的氨基酸所决定的。4.2.2 tRNA的功能 转录：转录：DNARNA；结构上相似；碱；结构上相似；碱基配对；一对一。翻译：基配对；一对一。

20、翻译：mRNA 蛋蛋白质；结构极不相同；复杂。信息是白质；结构极不相同；复杂。信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子形式存在的，子形式存在的，tRNA的解码机制完成的解码机制完成翻译。翻译。 氨基酸在合成蛋白质之前先通过氨基酸在合成蛋白质之前先通过AAtRNA合成酶活化，在消耗合成酶活化，在消耗ATP的情况的情况下结合到下结合到tRNA上，生成有蛋白质合成上，生成有蛋白质合成活性的活性的AAtRNA，由，由AA tRNA上的上的反密码子与反密码子与mRNA上的密码子相互识别上的密码子相互识别并配对，将并配对，将AA带到带到mRNA-核糖体复合核糖体复合物上，插

21、入到正在合成的多肽链的适当物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。位置上。 将将 14C-Cys-tRNACys，经，经Ni催化生成催化生成14C-Ala-tRNACys，再把，再把14C-Ala-tRNACys加进含血红蛋白加进含血红蛋白mRNA的兔网的兔网织细胞核糖体的蛋白质合成系统中，结织细胞核糖体的蛋白质合成系统中，结果发现果发现14C-Ala-tRNACys插入了血红蛋插入了血红蛋白分子通常由半胱氨酸占据的位置上，白分子通常由半胱氨酸占据的位置上，这表明在这里起识别作用的是这表明在这里起识别作用的是tRNA而而不是氨基酸。不是氨基酸。 1起始起始tRNA和延伸和延伸tRNA 有一类

22、能特异地识别有一类能特异地识别mRNA模板上起始密模板上起始密码子的码子的tRNA叫起始叫起始tRNA，其他，其他tRNA统称统称为延伸为延伸tRNA。 原核生物起始原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸携带甲酰甲硫氨酸(fMet)，原核生物中，原核生物中Met-tRNAfMet必须首先必须首先甲酰化生成甲酰化生成fMet一一tRNAfMet才能参与蛋白才能参与蛋白质的生物合成。质的生物合成。 真核生物起始真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸携带甲硫氨酸(Met)。2同工同工tRNA 一种氨基酸可能有多个密码子，代表一种氨基酸可能有多个密码子，代表一种氨基酸的多个一种氨基酸的多个tRNA以不同的反密

23、以不同的反密码子为特征，从而可以识别码子为特征，从而可以识别mRNA上上代表一种氨基酸的多个密码子。几个代表一种氨基酸的多个密码子。几个代表相同氨基酸的代表相同氨基酸的tRNA称为同工称为同工tRNA。 在一个同工在一个同工tRNA组内，所有组内，所有tRNA均专一于均专一于相同的氨酰相同的氨酰-tRNA合成酶，即在一个同工合成酶，即在一个同工tRNA组内组内tRNA只专一地结上一种氨基酸。只专一地结上一种氨基酸。 同工同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨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基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被相同的共同性，能

24、被相同的AAtRNA合成酶识别。合成酶识别。同工同工tRNA组内具备了区分其他组内具备了区分其他tRNA组的特组的特异构造，保证合成酶准确无误进行选择。异构造，保证合成酶准确无误进行选择。tRNA的二级和三级结构对它的专一性起了重的二级和三级结构对它的专一性起了重要作用。要作用。3校正校正tRNA 1、 无义突变的校正无义突变的校正tRNA：在蛋白质的结：在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变使代表某个构基因中，一个核苷酸的改变使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子氨基酸的密码子变成终止密码子(UAG、UGA、UAA)，使蛋白质合成提前终止，使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这

25、种突变合成无功能的或无意义的多肽，这种突变称为无义突变。无义突变的校正称为无义突变。无义突变的校正tRNA可通可通过改变其反密码子区校正无义突变而依然过改变其反密码子区校正无义突变而依然合成原氨基酸。合成原氨基酸。2、错义突变的校正、错义突变的校正tRNA 错义突变是由于结构基因中某个错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密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。错码变成另一种氨基酸的密码。错义突变的校正义突变的校正tRNA通过反密码子通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽区的改变把正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质。链上，合成正常的蛋白质。 如某大肠杆菌

26、细胞色氨酸合成酶中的一如某大肠杆菌细胞色氨酸合成酶中的一个甘氨酸密码子个甘氨酸密码子GGA错义突变成错义突变成AGA(编码精氨酸编码精氨酸)，指导合成错误的多，指导合成错误的多肽链。甘氨酸校正肽链。甘氨酸校正tRNA的校正基因突的校正基因突变使其反密码子从变使其反密码子从CCU变成变成UCU，它仍，它仍然是甘氨酸的反密码子但不结合然是甘氨酸的反密码子但不结合GGA而而能与突变后的能与突变后的AGA密码子相结合，把正密码子相结合，把正确的氨基酸确的氨基酸(甘氨酸甘氨酸)放到放到AGA所对应的所对应的位置上。位置上。 无义突变的校正无义突变的校正tRNA会与释放因子会与释放因子竞争识别密码子；错义

27、突变的校正竞争识别密码子；错义突变的校正tRNA则与该密码的正常则与该密码的正常tRNA竞争。竞争。这些都会影响校正的效率。这些都会影响校正的效率。 无义突变的校正基因无义突变的校正基因tRNA不仅能校不仅能校正无义突变，也会抑制该基因正无义突变，也会抑制该基因3末末端正常的终止密码子，导致翻译过端正常的终止密码子，导致翻译过程的通读，合成更长的蛋白质，这程的通读，合成更长的蛋白质，这对细胞会造成伤害。对细胞会造成伤害。 一个基因错义突变的校正也可能使另一一个基因错义突变的校正也可能使另一个基因错误翻译，因为如果一个校正个基因错误翻译，因为如果一个校正tRNA在突变位点通过取代一种氨基酸在突变

28、位点通过取代一种氨基酸的方式校正了一个突变，它也可以在另的方式校正了一个突变，它也可以在另一位点这样做，从而在正常位点上引入一位点这样做，从而在正常位点上引入与前述突变位点对应的氨基酸，造成错与前述突变位点对应的氨基酸，造成错误。误。424 氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶 氨酰氨酰-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tRNA结合的特异性酶。其反应包括两步结合的特异性酶。其反应包括两步: 第一步是氨基酸活化生成酶第一步是氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸复氨酰腺苷酸复合物。合物。AA+ATP+酶酶(E) EAAAMP+PPi 第二步是氨酰基转移到第二步是氨酰基转移到tRNA3末端

29、腺苷残末端腺苷残基的基的2或或3羟基上。羟基上。EAAAMP+tRNAAAtRNA+E+AMP 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tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而这一步主要决定于正确位置上，而这一步主要决定于AAtRNA合成酶是否使氨基酸与对应的合成酶是否使氨基酸与对应的tRNA相结合。相结合。 AA-tRNA合成酶既要能识别合成酶既要能识别tRNA，又，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。的专一性。43 核糖体核糖体 生物细胞内，核糖体像一个能沿生物细胞内，核糖体像一个

30、能沿mRNA模模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。 核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体核糖体是由几十种蛋白质和几种核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA)组成的亚组成的亚细胞颗粒。细胞颗粒。 一个细菌细胞内约有一个细菌细胞内约有20000个核糖体，真个核糖体，真核细胞内可达核细胞内可达106个。个。 AAtRNA以很快的速度进入核糖体，在起以很快的速度进入核糖体，在起始或延伸因子的作用下，与始或延伸因子的作用下，与mRNA模板和延模板和延伸中的肽链相互作用，卸去所载氨基酸后，伸中的肽链相互作用，卸去所载氨基酸后，tRNA立即退出核糖体，以保

31、证新一轮合成反立即退出核糖体，以保证新一轮合成反应的顺利进行。应的顺利进行。 核糖体蛋白约占原核细胞总蛋白量的核糖体蛋白约占原核细胞总蛋白量的10%，rRNA占细胞内总占细胞内总RNA量的量的80。在真核细。在真核细胞内，核糖体所占的比重有所下降，胞内，核糖体所占的比重有所下降，rRNA仍仍然占总然占总RNA的绝大部分。的绝大部分。431 核糖体的结构核糖体的结构 核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。每个亚基都含有基相对分子质量的二倍。每个亚基都含有一个分子质量较大

32、的一个分子质量较大的rRNA和许多蛋白质分和许多蛋白质分子。这些大分子子。这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不同亚基的组装。质结合，从而完成核糖体不同亚基的组装。 原核生物核糖体由约原核生物核糖体由约2/3的的RNA及及1/3的蛋的蛋白质组成。真核生物核糖体中白质组成。真核生物核糖体中RNA占占3/5，蛋白质占蛋白质占2/5。 核糖体上有不止一个的活性中心，每一个这核糖体上有不止一个的活性中心，每一个这样的中心都由一组特殊的蛋白质构成。样的中心都由一组特殊的蛋白质构成。 核糖体是一个许多酶的集合体，单个酶或蛋核糖体是一个许多酶的集合体，单个酶或蛋白只有

33、在这个总体结构内才拥有催化性质，白只有在这个总体结构内才拥有催化性质，它们在这一结构中共同承担了蛋白质生物合它们在这一结构中共同承担了蛋白质生物合成的任务。成的任务。 核糖体中许多蛋白质核糖体中许多蛋白质(还包括还包括rRNA)的主要功的主要功能就是建立这种总体结构，使各个活性中心能就是建立这种总体结构，使各个活性中心处于适当的相互协调的关系之中。处于适当的相互协调的关系之中。 大肠杆菌核糖体小亚基由大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成；种蛋白质组成；大亚基由大亚基由36种蛋白质组成。真核细胞核糖体种蛋白质组成。真核细胞核糖体大亚基含有大亚基含有49种蛋白质；小亚基有种蛋白质；小亚基有33种

34、蛋白种蛋白质。质。 对核糖体蛋白质的二级和三级结构也有不少对核糖体蛋白质的二级和三级结构也有不少研究。下图是在高倍电镜下得到的原核生物研究。下图是在高倍电镜下得到的原核生物70S核糖体大、小亚基相结合的模型，核糖核糖体大、小亚基相结合的模型，核糖体分子可容纳两个体分子可容纳两个tRNA和约和约40bp长的长的mRNA。核糖体，ribosome4.3.2 rRNA 1、5S rRNA 细菌细菌5S rRNA含有含有120或或116个核苷酸。个核苷酸。5S rRNA有两个高度保守有两个高度保守的区域，其中一个区域含有保守序列的区域，其中一个区域含有保守序列CGAAC，这是与，这是与tRNA分子分子

35、TC环上的环上的GTCG序列相互作用的部位，是序列相互作用的部位，是5S rRNA与与tRNA相互识别的序列。另一个区域含有相互识别的序列。另一个区域含有保守序列保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与，与23S rRNA中的一段序列互补，这是中的一段序列互补，这是5S rRNA与与50S核糖体大亚基相互作用的位点，核糖体大亚基相互作用的位点，在结构上有其重要性。在结构上有其重要性。2、16S rRNA 其长度在其长度在1475-1544个核苷酸之间，含有个核苷酸之间，含有少量修饰碱基。该分子全部压缩在少量修饰碱基。该分子全部压缩在30S小小亚基内。亚基内。 16S rRNA的结构十分保守，

36、其中的结构十分保守，其中3端一段端一段ACCUCCUUA的保守序列，与的保守序列，与mRNA5端端翻译起始区富含嘌呤的序列互补。翻译起始区富含嘌呤的序列互补。 在在16S rRNA靠近靠近3端处还有一段与端处还有一段与23SrRNA互补的序列，在互补的序列，在30S与与50S亚基亚基的结合中起作用。的结合中起作用。3、23S rRNA 23S rRNA包括包括2904个核苷酸，在个核苷酸，在大肠杆菌大肠杆菌23S rRNA第第19842001核苷酸之间，存在一段能与核苷酸之间，存在一段能与tRNAMet序列互补的片段，表明核序列互补的片段，表明核糖体大亚基糖体大亚基23S rRNA与与tRNA

37、Met的结合有关。的结合有关。 在在23S rRNA靠近靠近5端端(143-157位核位核苷酸之间苷酸之间)有一段有一段12个核苷酸的序列个核苷酸的序列与与5S rRNA上第上第72-83位核苷酸互补，位核苷酸互补，表明在表明在50S大亚基上这两种大亚基上这两种RNA之之间可能存在相互作用。核糖体间可能存在相互作用。核糖体50S大亚基上约有大亚基上约有20种蛋白质能不同程种蛋白质能不同程度地与度地与23S rRNA相结合。相结合。 5、18S rRNA 酵母酵母18S rRNA由由1789个核苷个核苷酸组成，它的酸组成，它的3端与大肠杆菌端与大肠杆菌16S rRNA有广有广泛的同源性。其中酵母

38、泛的同源性。其中酵母18S rRNA、大肠杆菌、大肠杆菌16S rRNA和人线粒体和人线粒体12S rRNA在在3端有端有50个核苷酸序列相同。个核苷酸序列相同。 6、28S rRNA长度约在长度约在38904500bp左右。左右。 rRNA之间以及之间以及rRNA与与tRNA及及mRNA之间存之间存在有机的联系，这种关系是建立在序列互补在有机的联系，这种关系是建立在序列互补或同源的基础之上的。或同源的基础之上的。433 核糖体的功能核糖体的功能 核糖体存在于每个细胞中进行蛋核糖体存在于每个细胞中进行蛋白质的合成。尽管在不同生物体白质的合成。尽管在不同生物体内其大小有别，但组织结构基本内其大小

39、有别，但组织结构基本相同，而且执行的功能完全相同。相同，而且执行的功能完全相同。 在多合肽成过程中，不同的在多合肽成过程中，不同的tRNA将相应的氨将相应的氨基酸带到蛋白质合成部位与基酸带到蛋白质合成部位与mRNA进行专一进行专一性的相互作用，选择与密码子对应的性的相互作用，选择与密码子对应的AAtRNA结合到肽链上。核糖体还能同时容纳肽结合到肽链上。核糖体还能同时容纳肽基基-tRNA(Peptidyl-tRNA)，这是肽链与，这是肽链与AAtRNA 结合上的瞬时状态。结合上的瞬时状态。 核糖体包括核糖体包括5个以上活性中心，即个以上活性中心，即mRNA结合结合部位、接受部位、接受AA-tRN

40、A部位部位(A位位)、结合肽基、结合肽基tRNA的部位、肽基转移部位的部位、肽基转移部位(P位位)及形成及形成肽键的部位肽键的部位(转肽酶中心转肽酶中心)。此外，还有负责。此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。 核糖体小亚基负责对模板核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序进行序列特异性识别，如起始部分的识别、密列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等，码子与反密码子的相互作用等，mRNA的结合位点也在小亚基上。的结合位点也在小亚基上。 大亚基负责携带大亚基负责携带AA-tRNA、肽键的形成、肽键的形成、AA-tRNA与肽链的结合、与

41、肽链的结合、A位、位、P位、位、转肽酶中心等在大亚基上。转肽酶中心等在大亚基上。 核糖体在体内及体外都可解离为亚基或结合核糖体在体内及体外都可解离为亚基或结合成成70S/80S的颗粒。在翻译的起始阶段需要的颗粒。在翻译的起始阶段需要游离的亚基，随后才结合成游离的亚基，随后才结合成70S/80S颗粒，颗粒，开始翻译进程。肽链释放后，核糖体脱离开始翻译进程。肽链释放后，核糖体脱离mRNA解聚成亚基，直接参与另一轮蛋白质解聚成亚基，直接参与另一轮蛋白质的合成。的合成。 体外反应体系中，核糖体的解离或结合取决体外反应体系中，核糖体的解离或结合取决于离子浓度。在大肠杆菌内，于离子浓度。在大肠杆菌内，Mg

42、2浓度在浓度在103mol/L以下时，以下时，70S解离为亚基，浓度达解离为亚基，浓度达102mol/L时则形成稳定的时则形成稳定的70S颗粒。颗粒。44 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 蛋白质是生物活性物质中最重要的大分子蛋白质是生物活性物质中最重要的大分子组分，生物有机体的遗传学特性要通过蛋组分，生物有机体的遗传学特性要通过蛋白质来得到表达。白质来得到表达。 蛋白质的生物合成包括氨基酸活化、肽链蛋白质的生物合成包括氨基酸活化、肽链的起始、伸长、终止以及新合成多肽链的的起始、伸长、终止以及新合成多肽链的折叠和加工，现将各阶段的必需成分列于折叠和加工，现将各阶段的必需成分列于下表

43、。下表。441 氨基酸的活化氨基酸的活化 蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、起始起始tRNA和几十个蛋白因子。在和几十个蛋白因子。在mRNA编编码区码区5端形成核糖体端形成核糖体-mRNA-起始起始tRNA复复合物并将甲硫氨酸放入核糖体合物并将甲硫氨酸放入核糖体P位点。位点。 原核生物的起始原核生物的起始tRNA是是fMet-tRNAfMet，而，而真核生物是真核生物是Met-tRNAMet。原核生物中。原核生物中30S小亚基首先与小亚基首先与mRNA相结合，再与相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与结合，最后与50S大亚基结合。大亚基结合。

44、在真核生物中，在真核生物中，40S小亚基首先与小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板相结合，再与模板mRNA结合，最后与结合，最后与60S大亚基结大亚基结合生成合生成80SmRNAMet-tRNAMet起起始复合物。起始复合物的生成需要始复合物。起始复合物的生成需要GTP提供能量，需要提供能量，需要Mg2、NH4及及3个起始因子个起始因子(IF-l、IF-2、IF-3)的的参与。参与。 氨基酸是生物合成蛋白质的原料，氨基酸在氨基酸是生物合成蛋白质的原料，氨基酸在氨酰氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸合成酶的作用下生成活化氨基酸AA-tRNA才能被准确地运送到核糖体中，才能被

45、准确地运送到核糖体中，参与多肽链的起始或延伸。参与多肽链的起始或延伸。 存在存在20种以上具有氨基酸专一性的氨酰种以上具有氨基酸专一性的氨酰RNA合成酶，能够识别并通过氨基酸的竣基合成酶，能够识别并通过氨基酸的竣基与与tRNA3端腺苷酸核糖基上端腺苷酸核糖基上3OH缩水形成缩水形成二酯键。同一氨酰二酯键。同一氨酰-tRNA合成酶具有把相同合成酶具有把相同氨基酸加到两个或更多个带有不同反密码子氨基酸加到两个或更多个带有不同反密码子tRNA分子上的功能。分子上的功能。氨基酸活化生成氨酰-tRNA tRNA与相应氨基酸的结合是蛋白质合与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的关键步骤，只有成中的关键步骤，只

46、有tRNA携带了正携带了正确的氨基酸，多肽合成的准确性才有保确的氨基酸，多肽合成的准确性才有保障。障。 在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；所以，与核糖体小亚基相结合的是所以，与核糖体小亚基相结合的是N-甲甲酰甲硫氨酰酰甲硫氨酰-tRNAfMet，可以与延伸中的，可以与延伸中的Met-tRNAMet区分开。区分开。 真核生物中，多肽合成是从生成甲真核生物中，多肽合成是从生成甲硫氨酰硫氨酰tRNAiMet开始的，体内存开始的，体内存在两种在两种tRNAMet。只有甲硫氨酰。只有甲硫氨酰tRNAiMet能与能与40S小亚基相结合，起小亚基相结合，起始肽链合成，普

47、通始肽链合成，普通tRNAMet携带的甲携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。中。442 翻译的起始翻译的起始 细菌中翻译的起始需要如下细菌中翻译的起始需要如下7种成种成分分:30S小亚基，小亚基，模板模板mRNA，fMet-tRNAfMet，3个翻译起始个翻译起始因子因子(IF-l、IF-2和和IF-3)，GTP，50S大亚基，大亚基，Mg2。翻译起。翻译起始又可被分成始又可被分成3步。步。 第一步，第一步，30S小亚基与翻译起始因子小亚基与翻译起始因子IF-l，IF-3的作用下通过的作用下通过mRNA 的的SD序列与序列与之相结合。之相结合。 第二步，在第

48、二步，在IF-2和和GTP的帮助下，的帮助下，fMet-tRNAfMet进入小亚基的进入小亚基的P位，位，tRNA上的上的反密码子与反密码子与mRNA上的起始密码子配对。上的起始密码子配对。 第三步，带有第三步，带有tRNA、mRNA及及3个翻译个翻译起始因子的小亚基复合物与起始因子的小亚基复合物与50S大亚基大亚基结合；然后，释放翻译起始因子。结合；然后，释放翻译起始因子。 30S亚基具有专一性的识别和选择亚基具有专一性的识别和选择mRNA起始位点的性质，而起始位点的性质，而IF-3能协助能协助该亚基完成这种选择。该亚基完成这种选择。30S亚基通过其亚基通过其16S rRNA的的3端与端与m

49、RNA5端起始密码端起始密码子上游碱基配对结合。所有原核生物子上游碱基配对结合。所有原核生物mRNA上都有一个上都有一个5-AGGAGGU-3序序列，这个富嘌呤区与列，这个富嘌呤区与30S亚基上亚基上16S rRNA3端的富嘧啶区序列端的富嘧啶区序列5-GAUCACCUCCUUA-3相互补。相互补。 各种各种mRNA的核糖体结合位点中能与的核糖体结合位点中能与16S rRNA配对的核苷酸数目及这些核配对的核苷酸数目及这些核苷酸到起始密码子之间的距离是不一样苷酸到起始密码子之间的距离是不一样的，这反映了起始信号的不均一性。互的，这反映了起始信号的不均一性。互补的核苷酸越多，补的核苷酸越多，30S

50、亚基与亚基与mRNA起起始位点结合的效率也越高。互补的核苷始位点结合的效率也越高。互补的核苷酸与酸与AUG之间的距离也会影响之间的距离也会影响mRNA-核糖体复合物的形成及其稳定性。核糖体复合物的形成及其稳定性。 细菌核糖体上一般存在细菌核糖体上一般存在3个与氨酰个与氨酰tRNA结合的位点，即结合的位点，即A位点位点(aminoacyl site)，P位点位点(Peptidyl site)和和E位点位点(exit site)。只有只有fMet-tRNAfMet能与第一个能与第一个P位点相结位点相结合，其他所有合，其他所有tRNA都必须通过都必须通过A位点到达位点到达P位点，再由位点，再由E位点

51、离开核糖体。位点离开核糖体。 IF-2对于对于30S起始复合物与起始复合物与50S亚基的连接亚基的连接是必需的，是必需的，IF-l在在70S起始复合物生成后促起始复合物生成后促进进IF-2的释放，从而完成蛋白质合成的起的释放，从而完成蛋白质合成的起始过程。始过程。 真核生物翻译的起始机制与原核生物基本相真核生物翻译的起始机制与原核生物基本相同，其差异是核糖体较大、起始因子较多、同，其差异是核糖体较大、起始因子较多、mRNA有有m7GpppNp帽子、帽子、Met-tRNAMet不不甲酰化，甲酰化，mRNA5端的帽子和端的帽子和3端的多聚端的多聚A都都参与形成翻译起始复合物。参与形成翻译起始复合物

52、。 首先，甲硫氨酰首先，甲硫氨酰tRNAiMet与与40S小亚基相小亚基相结合；接着核糖体上专一位点识别结合；接着核糖体上专一位点识别mRNA的的帽子，使帽子，使mRNA与核糖体结合，。帽子在与核糖体结合，。帽子在mRNA与与40S亚基结合过程中起稳定作用。亚基结合过程中起稳定作用。带帽子的带帽子的mRNA5端与端与18S rRNA的的3端序列端序列之间存在碱基配对型相互作用。之间存在碱基配对型相互作用。 除了识别帽子结构以外，除了识别帽子结构以外，40S小亚基还小亚基还能识别能识别mRNA上的起始密码子上的起始密码子AUG。40S小亚基先结合在小亚基先结合在mRNA5端的任何端的任何序列上，

53、然后沿序列上，然后沿mRNA移动直至遇到移动直至遇到AUG发生较为稳定的相互作用，最后发生较为稳定的相互作用，最后与与60S亚基一道生成亚基一道生成80S起始复合物。起始复合物。40S小亚基之所以能在小亚基之所以能在AUG处停下，是处停下，是由于由于Met-tRNAiMet的反密码子与的反密码子与AUG配对的结果。配对的结果。443 肽链的延伸肽链的延伸 当第一个氨基酸与核糖当第一个氨基酸与核糖体结合以后，按照体结合以后，按照mRNA模板密码子的排模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合键的方式被有序地结合上去。上去。 每加一个每加一个AA是一个循环，是一个循

54、环，每个循环包括每个循环包括AA-tRNA与核糖体结合、肽键的与核糖体结合、肽键的生成和移位。生成和移位。1、后续、后续AA-tRNA与核糖体结合与核糖体结合 起始复合物形成以后，第二个起始复合物形成以后，第二个AA-tRNA在延伸因子在延伸因子EF-Tu及及GTP的作的作用下，生成用下，生成AA-tRNAEF-TuGTP复复合物，然后结合到核糖体的合物，然后结合到核糖体的A位上。位上。 模板上的密码子决定了哪种模板上的密码子决定了哪种AA-tRNA能被结合到能被结合到A位上。由于位上。由于EF-Tu不能与不能与fMettRNA起反应，所起反应，所以起始以起始tRNA不会被结合到不会被结合到A

55、位上，位上，这就是这就是mRNA内部的内部的AUG不会被起不会被起始始tRNA读出，肽链中间不会出现读出，肽链中间不会出现fMet的原因。的原因。2、肽键的生成、肽键的生成 经过上一步反应后，在核糖经过上一步反应后，在核糖体体mRNAAAtRNA复合物中，复合物中，AA-tRNA占据占据A位，位，fMet-tRNA fMet占据占据P位。在肽基转移酶的催化下，位。在肽基转移酶的催化下，A位上的位上的AA-tRNA转移到转移到P位，与位，与fMet-tRNA fMet上的氨基酸生成肽键。上的氨基酸生成肽键。A位点腾空准位点腾空准备接受新的备接受新的AA-tRNA，进行下一轮合，进行下一轮合成反应

56、。起始成反应。起始tRNA则离开了核糖体则离开了核糖体P位位点。点。3移位移位 肽键延伸过程中最后一步，核糖肽键延伸过程中最后一步，核糖体向体向mRNA3端方向移动一个密端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子码子。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽基相结合的二肽基tRNA，从，从A位进位进入入P位，去氨酰位，去氨酰-tRNA被挤入被挤入E位，位，mRNA上的第三位密码子则对应上的第三位密码子则对应于于A位。位。进进位位转转位位成肽成肽链链接接高效率的蛋白质合成体系444 肽链的终止肽链的终止 肽链在延伸过程中，当终止密码子出现肽链在延伸过程中，当终止密码子出现在核糖体的在核糖体的A位时，

57、没有相应的位时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而释放因子能识别终能与之结合，而释放因子能识别终止密码子并与之结合，水解止密码子并与之结合，水解P位上多肽位上多肽链与链与tRNA之间的酯键。新生的肽链和之间的酯键。新生的肽链和tRNA从核糖体上释放，核糖体解体，蛋从核糖体上释放，核糖体解体，蛋白质合成结束。释放因子白质合成结束。释放因子RF催化催化GTP水水解促使肽链与核糖体解离。解促使肽链与核糖体解离。 细菌细胞内存在细菌细胞内存在3种不同的终止因子种不同的终止因子(或或称释放因子称释放因子): RFl、RF2、RF3。RFl能能识别识别UAG和和UAA，RF2识别识别UGA和和UAA。

58、一旦。一旦RF与终止密码相结合，它与终止密码相结合，它们就能诱导肽基转移酶把一个水分子们就能诱导肽基转移酶把一个水分子加到延伸中的肽链上，使肽和加到延伸中的肽链上，使肽和tRNA的的酯键形成各自的酯键形成各自的COOH和和OH。RF3与核糖体的解体有关。与核糖体的解体有关。 真核细胞只有一个真核细胞只有一个(RF)终止因子。终止因子。445 蛋白质前体的加工蛋白质前体的加工 新生多肽链大多数是没有功能的，必须新生多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。质。 1N端端fMet或或Met的切除：细菌蛋白质的切除：细菌蛋白质N端的甲酰基能

59、被脱甲酰化酶水解，原端的甲酰基能被脱甲酰化酶水解，原核生物和真核生物核生物和真核生物N端的甲硫氨酸在多端的甲硫氨酸在多肽链合成完毕之前被切除。肽链合成完毕之前被切除。 脊髓灰质炎病毒的脊髓灰质炎病毒的mRNA可翻译成很长可翻译成很长的多肽链，蛋白酶在特定位置上水解得的多肽链，蛋白酶在特定位置上水解得到几个有功能的病毒蛋白。到几个有功能的病毒蛋白。 2二硫键的形成二硫键的形成 二硫键是蛋白质合成后二硫键是蛋白质合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成的。通过两个半胱氨酸的氧化作用生成的。 3特定氨基酸的修饰特定氨基酸的修饰 氨基酸侧链的修饰氨基酸侧链的修饰包括磷酸化包括磷酸化(如核糖体蛋白质如核糖体

60、蛋白质)、糖基化、糖基化(如如各种糖蛋白各种糖蛋白)、甲基化、甲基化(如组蛋白、肌肉蛋如组蛋白、肌肉蛋白质白质)、乙基化、乙基化(如组蛋白如组蛋白)、羟基化、羟基化(如胶原如胶原蛋白蛋白)和竣基化等。糖蛋白是通过蛋白质中和竣基化等。糖蛋白是通过蛋白质中天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基侧链上加天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基侧链上加上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖氨酸为羟基化的。内质网是蛋白质氨酸为羟基化的。内质网是蛋白质N-糖基糖基化的主要场所。化的主要场所。4、切除新生链中非功能片段、切除新生链中非功能片段 新合成得到新合成得到前胰岛素原前胰岛素原，切去信号肽