第四章 从mRNA到蛋白质生物信息的传递

1、4.1 4.1 遗传密码遗传密码三联子三联子贮存在贮存在DNADNA上的遗传信息上的遗传信息通过通过mRNAmRNA传递为蛋白质。传递为蛋白质。mRNAmRNA上每上每3 3个核苷酸翻译个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这个氨基酸，这3 3个核苷酸个核苷酸称为密码，也叫三联子称为密码，也叫三联子密码密码翻译时从起始密码子翻译时从起始密码子AUGAUG开始，沿着开始，沿着mRNA5 3mRNA5 3的方向连续阅读密码子，的方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列生成一条具有特定序列的多肽链的多肽链蛋白质蛋白质4.1.1 4.1.

2、1 三联子密码及其破译三联子密码及其破译三种核苷酸三种核苷酸代表一种氨代表一种氨基酸基酸一种核苷酸一种核苷酸代表一种氨代表一种氨基酸基酸两种核苷酸两种核苷酸代表一种氨代表一种氨基酸基酸4种氨基酸种氨基酸4216种种4364种种 在模板在模板mRNAmRNA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，后续密码子序列就和删除的碱基数一样，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会变化，翻译得到的蛋白质序列就保持不变不变( (

3、除了发生突变的那个密码子所代表的除了发生突变的那个密码子所代表的氨基酸之外氨基酸之外) )。 如果同时删去如果同时删去3 3个核苷酸，翻译产生少一个个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。T4噬噬菌菌体体r位位点点上上两两个个基基因因 对烟草坏死对烟草坏死卫星病毒的卫星病毒的研究发现：研究发现：其外壳蛋白亚基由其外壳蛋白亚基由400400个氨基酸组成，个氨基酸组成，而相应的而相应的RNARNA片段长片段长约约12001200个核苷酸，与个核苷酸，与假设的密码三联子体假设的密码三联子体系正好相吻合系正好相吻合在在2020世纪世纪6060年代，年代，

4、由于体外蛋白质合由于体外蛋白质合成体系的建立和核成体系的建立和核酸人工合成技术的酸人工合成技术的发展，科学家花了发展，科学家花了几年时间破译了遗几年时间破译了遗传密码，即确定了传密码，即确定了代表每种氨基酸的代表每种氨基酸的具体密码具体密码 一、一、 通用的三联体密码通用的三联体密码 DNA遗传信息遗传信息mRNA蛋白质蛋白质遗传密码遗传密码 1 1、 Codon 的特征的特征 a、概念：、概念： mRNA上连续排列的三个上连续排列的三个NT序列，编码一个序列，编码一个 AA信息的遗传单位信息的遗传单位 b、 具有四大生物系统（病毒、细菌、动植物）的通用具有四大生物系统（病毒、细菌、动植物）的

5、通用 性和保守性（性和保守性（Mt除外）除外） C、 一个基因序列中，有不重叠性和无标点性一个基因序列中，有不重叠性和无标点性遗传密码的破译遗传密码的破译 归功于三个经典的生物化学实验：归功于三个经典的生物化学实验： 体外翻译系统的建立体外翻译系统的建立 核苷酸结合技术核苷酸结合技术 核酸的人工合成体外翻译系统体外翻译系统尼伦伯格尼伦伯格(.M.W .Nirenberg)(.M.W .Nirenberg)ATP、GTP、AA体外翻译系统体外翻译系统 按一定的碱基比例来合成按一定的碱基比例来合成RNARNA。 碱基比为U: :G5: :1， 三联体8种：UUU，UUG，UGU，GUU，GGG，G

6、GU，GUG，UGG。 UUU: :UGG （555）: :（511）25: :1 UUU: :UUG5: :1 根据这样的推测，在无细胞系统中以这种比例合成的mRNA产生的氨基酸的比例也应是相应的，这样可以推测出密码子的组成。如氨基酸测定结果： 苯丙氨酸（UUU）: : 半胱氨酸（UGU） 5: :1 苯丙氨酸（UUU）: : 缬氨酸 （GUU） 5: :1 体外翻译系统体外翻译系统核苷酸结合技术核苷酸结合技术 实验为实验为20组：组： SerC14 、Leu、Lys、Arg.（20种）种） Ser 、LeuC14、Lys、Arg. Ser 、Leu、LysC14、Arg. 分析留在滤膜上的

7、核糖体中的分析留在滤膜上的核糖体中的AAtRNA和其和其 相应的模板相应的模板 此方法未能破译全部的此方法未能破译全部的codon （结合效率）（结合效率） Ser-C14. Leu-C14 . Lys-C14 . Gly-C14 . 核苷酸结合技术核苷酸结合技术核苷酸结合技术核苷酸结合技术人工合成核苷酸人工合成核苷酸（作为模板，加入（作为模板，加入dNTP,据合成的多肽链的氨基酸组成，破据合成的多肽链的氨基酸组成，破译氨基酸的密码）译氨基酸的密码）柯腊拉（柯腊拉（H.G.Khorana）（1922） 表表14-1 用二个或三个、四个核苷酸构造重复共聚体来确定密码子用二个或三个、四个核苷酸构造

8、重复共聚体来确定密码子重复顺序重复顺序可组成的三联密码可组成的三联密码多肽的氨基酸组成多肽的氨基酸组成(UC)nUCU-CUCSer-Leu(UUC)n(UUC); (UCU); (CUU)poly Phe, poly Ser, poly Leu(UUAC)n(UUA-CUU-ACU-UAC)Leu-Leu-Thr-Tyr1. 连续性（连续性（commaless）l遗传密码的特点遗传密码的特点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。 重叠密码重叠密码非重叠非重叠连续的连续的密码密码不连续的密码不

9、连续的密码基因损伤引起基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。 由于对由于对mRNA外显子的加工，造成外显子的加工，造成mRNA与其与其DNA模板序列之间不匹配，模板序列之间不匹配，使同一使同一mRNA前体翻译出序列、功能不同前体翻译出序列、功能不同的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为的蛋白质。这种基因表达的调节方式称为mRNA编辑（编辑（mRNA editing)。 mRNA编辑编辑2. 简并性（简并性（degeneracy）遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸遗传密码中，除色氨

10、酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有仅有一个密码子外，其余氨基酸有24个或多至个或多至6个密码子为之编码。个密码子为之编码。遗传密码的简并性遗传密码的简并性密码子简并性的生物学意义：减少有密码子简并性的生物学意义：减少有害突变。害突变。 遗传密码的特异性主要取决于前两位遗传密码的特异性主要取决于前两位碱基。碱基。GCU ACUGCC ACCGCA ACAGCG ACG AlaThr3. 通用性（通用性（universal） 蛋白质生物合成的整套密码，从蛋白质生物合成的整套密码，从原核生原核生物到人类都通用。物到人类都通用。 有有少数例外，少数例外，如动物细胞的线粒体、植如动物细胞的线粒体

11、、植物细胞的叶绿体。物细胞的叶绿体。 密码的通用性进一步证明各种生物进化密码的通用性进一步证明各种生物进化自自同一祖先。同一祖先。 4. 摆动性（摆动性（wobble）tRNA上反密码子的上反密码子的第第1位位碱基与碱基与mRNA密码子的密码子的第第3位位碱基配对时，可以碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为配对规律，这一现象称为摆动性摆动性。酪酪555533AUGGUU UAC ACA酪氨酰酪氨酰- tRNA反密码反密码mRNA密码与反密码的碱基配对密码与反密码的碱基配对摆动配对摆动配对U 在密码子与反密码子的配对中，前

12、两对严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，第三对碱基有一定格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以的自由度，可以“摆动摆动”为为I(次黄嘌呤次黄嘌呤)时可识别时可识别3种密码子种密码子为为G或或U时可以识别时可以识别2种密码子种密码子反密码子第一位为反密码子第一位为A或或C时只能识别时只能识别1种密码子种密码子三中读二一般可分为三种情况：三中读二一般可分为三种情况：(1) (1) 第第, ,两个碱基形成个氢键时，可三中读二。两个碱基形成个氢键时，可三中读二。 如如，和和(3) (3) 第，两个碱基形成个氢键时第，两个碱基形成个氢键时, , 当第二个碱基为嘧啶时，可

13、三中读二；当第二个碱基为嘧啶时，可三中读二； 如如，和和。 当第二个碱基为嘌呤时则不能三中读二，当第二个碱基为嘌呤时则不能三中读二， 如如， ，和和X X。(2) (2) 第第1 ,21 ,2两个碱基形成两个碱基形成4 4个氢键时个氢键时, ,不可三中读二。不可三中读二。 如如AAAAX X，X X 和和如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的应于各自独立的tRNAtRNA。第一、二位碱基。第一、二位碱基相同的密码子，则共用一种相同的密码子，则共用一种tRNAtRNA原核生物中有原

14、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tRNA4.2 tRNA tRNA tRNA为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了为每个三联密码子翻译成氨基酸提供了接合体；接合体；为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了运送载体（又被称为第二遗传密码）。提供了运送载体（又被称为第二遗传密码）。各种各种tRNAtRNA形成三叶草形的二级结构。三叶草形成三叶草形的二级结构。三叶草形形tRNAtRNA分子上有分子上有4 4条根据它们的结构或已知功条根据它们的结构或已知功能命名的手臂。能命名的手臂。4.2.1 tRNA 最小的最小的 RN

15、A，4S，70 80个个base 1、 tRNA的高级结构的高级结构 1964 Holly. R. 鉴定出鉴定出 tRNAphe 的二级结构为三叶草的二级结构为三叶草 形（形（77个个NT） （1） 三叶草结构三叶草结构 （5个臂个臂 4个环）个环） a、氨基酸接受臂（、氨基酸接受臂（aa accept arm）受体臂受体臂 tRNA 的的5与与3-末端碱基配对形成末端碱基配对形成 3 端永远为不配对的端永远为不配对的CCA序列序列 最后的最后的A的的 3 或或 2-OH可以被氨酰化可以被氨酰化 b、另外是、另外是 D （DHU环环 双氢脲嘧啶）环双氢脲嘧啶）环 D臂臂 c、 含丰富的稀有碱基

16、（约含丰富的稀有碱基（约70余种余种 碱基碱基 核糖残基核糖残基） 反密码子反密码子 3 端邻近部位端邻近部位. 反密码子环反密码子环 反密码子臂反密码子臂(anticodon arm) 附加臂（附加臂（extra arm）TC环环 TC臂臂 其中其中 附加臂通常是可变的附加臂通常是可变的 稀有碱基出现的频率高，对于维持反密码环的稳稀有碱基出现的频率高，对于维持反密码环的稳定性、密码子和反密码子之间的配对很重要定性、密码子和反密码子之间的配对很重要 aa接受臂接受臂（2） “ L”形三级结构形三级结构-anti-codon arm 位于位于”L”另一端，与结合在核糖体另一端，与结合在核糖体 小

17、亚基上的小亚基上的 codon of mRNA配对配对b、 “L”结构域的功能结构域的功能-aa accept arm 位于位于“L”的一端，契合于核糖体的肽的一端，契合于核糖体的肽基基 转移酶结合位点转移酶结合位点 P A, 以利肽键的形成以利肽键的形成 a、 “L”构型的结构力构型的结构力 二级结构中的碱基堆积力和氢键二级结构中的碱基堆积力和氢键 二级结构中未配对碱基形成的氢键二级结构中未配对碱基形成的氢键氢键维持了氢键维持了“L” L” 型的结型的结构构- TC loop & DHU loop 位于位于“L”两臂的交界处，两臂的交界处， 利于利于“L”结构的稳定结构的稳定反密码子

18、臂反密码子臂AAAA受体臂受体臂TCTC臂臂D D臂臂-“L”结构中碱基堆积力大结构中碱基堆积力大 使其拓扑结构趋于稳定使其拓扑结构趋于稳定 wobble base 位于位于“L”结构末端结构末端 堆积力小堆积力小 自由度大自由度大 使碱基配对摇摆使碱基配对摇摆 2、 tRNA 的种类的种类 （2） 同工同工tRNA（isoaccepting tRNAs） （1） 起始起始tRNA和延伸和延伸tRNA 起始起始tRNA: Prok中，中， 携带甲酰甲硫氨酸（携带甲酰甲硫氨酸（fMet） Euk中，中， 携带甲硫氨酸（携带甲硫氨酸（Met） 延伸延伸tRNA： 其他其他tRNA. 携带携带AA相

19、同而反密码子不同的一组相同而反密码子不同的一组tRNA 不同的反密码子识别不同的反密码子识别AA的同义密码的同义密码 结构上能被结构上能被AA tRNA合成酶识别的共性合成酶识别的共性 (3) 校正校正tRNA 无义抑制也会造成对正常终止密码子的通无义抑制也会造成对正常终止密码子的通读，产生比野生型长的蛋白质读，产生比野生型长的蛋白质错义抑制错义抑制tRNA 要和正常的要和正常的tRNA去竞争，因此去竞争，因此成功率成功率50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 UACAAC AUC AU

20、G 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)SerUCGCGACUAUAGSupE(su2)GlnCAGCUGCUAUAGSupF(su3)TyrUAC, UAUGUACUAUAGSupC(su4)TyrUAC/UAUGUAUUAUAA/UAGSupG(su5)LysAAA/AAGUUUUUAUAA/UAGSupU(su7)TrpUGGCCAUCAUGA/UGG 3、 副密码子与氨酰基副密码子与氨酰基t

21、RNA的合成的合成 （1） 氨酰基氨酰基tRNA的合成执行着双重功能的合成执行着双重功能 为肽建的合成提供能量为肽建的合成提供能量 执行遗传信息的解读执行遗传信息的解读 （2） AA tRNA合成酶（合成酶（AARS） 需要三种底物需要三种底物 AA tRNA ATP 实验证实实验证实模板模板mRNAmRNA只能识别特异的只能识别特异的tRNAtRNA而不是而不是AAAA 14C-Cys-tRNACysNi 14C-Ala-tRNACys氨酰基与氨酰基与tRNA的的 3端端A的的 2/3OH结合结合AA tRNA + AMP + ppiAARS 因此有三个位点因此有三个位点 aa bindin

22、g site tRNA binding site ATP site 反应为反应为 AA + tRNA + ATP 氨酰氨酰tRNA合合成酶成酶结合错误结合错误氨基酸的校正氨基酸的校正氨酰氨酰tRNA合合成酶成酶结结合合tRNA的校正的校正化学校正化学校正动力动力学校学校正正增加了负载前增加了负载前水解掉的机会水解掉的机会 Prok中中AARS有有20种，对种，对AA专一（同工受体）专一（同工受体） Prok和和Euk有一定的差别有一定的差别 可分为两类可分为两类 反应机制的差别：反应机制的差别： Type 类酶类酶 先将氨酰基转移到先将氨酰基转移到 tRNA 3 端端A的的 2-OH 然后通过

23、转酯反应转移到然后通过转酯反应转移到 3 OH上上 Type类类酶酶 直接将氨酰基转移至直接将氨酰基转移至 3 OH 上上两类酶与两类酶与tRNAtRNA反应时接近模式不同反应时接近模式不同合成酶与合成酶与tRNA相互束缚的普通模型提出：相互束缚的普通模型提出：蛋白沿蛋白沿L型分子的一侧束缚型分子的一侧束缚tRNA（tRNA的两端被束缚）的两端被束缚）1 1型与型与tRNAtRNA的的D-D-环结合，识环结合，识别其受体臂的小沟别其受体臂的小沟2 2型在另一侧结合，识别可型在另一侧结合，识别可变环和受体臂的大沟变环和受体臂的大沟（3 3）ParacodonParacodon (副密码子副密码子

24、)的概念；的概念； tRNA中决定负载特定氨基酸的空间密码中决定负载特定氨基酸的空间密码 AARStRNA binding site aa binding siteParacodon of tRNA 装载装载 Amino Acid（R） tRNA中的特定序列与中的特定序列与AARS 的的tRNA binding site的特异基团间的分子契合的特异基团间的分子契合a、 1988. Schimmel 和侯雅明和侯雅明G3 : U70 是决定是决定tRNA 负负载载 Ala 的特异密码信息的特异密码信息 b、 1991. schumman L. 证明；证明；tRNAmetf 的的paracodon

25、 位于位于anti-codonc、 paracodon paracodon 的特征的特征- 为同一种为同一种AARS 所识别的一组同功受体具有相同的所识别的一组同功受体具有相同的 副密码子副密码子- paracodon paracodon 是为是为AARS（特定氨基酸）所识别的若干（特定氨基酸）所识别的若干 碱基（并非均为一对核苷酸）碱基（并非均为一对核苷酸）- AARS 对对paracodon paracodon 的识别与结合是通过氨基酸与的识别与结合是通过氨基酸与 碱基之间的连接实现的。属于生物碱基之间的连接实现的。属于生物 II 型空间密码型空间密码tRNA Ala(GGC)tRNA A

26、la(UGC)具有具有G3 ：U70 paracodonparacodond、按氨基酸序列将、按氨基酸序列将AARS分为两类分为两类type I 包括包括 Val,Arg,Gln,Glu,Ile,Leu,Met,Trp,Tyrparacodon 大多位于反密码子臂大多位于反密码子臂type IIparacodon 大多位于氨基酸接受臂大多位于氨基酸接受臂个别还同时在附加臂上有相应碱基个别还同时在附加臂上有相应碱基4.2.2 tRNA的功能转录：转录：DNARNA；结构上相似；碱基配对；一对一；结构上相似；碱基配对；一对一翻译：翻译：mRNA 蛋白质；结构极不相同；复杂蛋白质；结构极不相同；复杂

27、功能一：功能一：tRNA的解码机制完成翻译的解码机制完成翻译AAAA tRNAmRNA-核糖核糖体复合物体复合物AAAAtRNAtRNA合成酶合成酶ATPATP密码子与反密密码子与反密码子识别配对码子识别配对功能二：功能二：tRNA是是AA与与mRNA的接合体的接合体将将 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的兔网织的兔网织细胞核糖体的蛋白质合成系统中，结果发细胞核糖体的蛋白质合成系统中，结果发现现14C-Ala-tRNACys插入了血红蛋白分子插入了血红蛋白分子通

28、常由半胱氨酸占据的位置上通常由半胱氨酸占据的位置上功能三：功能三：tRNA起到识别的作用起到识别的作用4.3 4.3 核糖体核糖体 执行蛋白质合成的功能。执行蛋白质合成的功能。 由几十种蛋白质和几种核糖体由几十种蛋白质和几种核糖体RNARNA（rRNA)rRNA)组成的亚细胞颗粒。组成的亚细胞颗粒。 一个细菌细胞内约有一个细菌细胞内约有2000020000个核糖体，真个核糖体，真核细胞内可达核细胞内可达10106 6个。个。核糖体核糖体AA AA tRNAtRNA与与mRNAmRNA模板和模板和延伸中的肽链延伸中的肽链相互作用相互作用迅速迅速起始或延伸起始或延伸因子作用因子作用卸去所载卸去所载

29、氨基酸氨基酸tRNAtRNA退出核退出核糖体糖体新一轮新一轮反应反应 4.3.1 核糖体及核糖体及rRNA的结构的结构 Euk中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起中大多与细胞骨架和内质网膜结合在一起 (游离、多聚游离、多聚) 是翻译进行的场所是翻译进行的场所 ，含大小亚基，含大小亚基 Prok. protein 约占细胞的约占细胞的10，RNA占总占总RNA的的 80，Euk中相对比例小些中相对比例小些 细菌中常以多聚核糖体的形式细菌中常以多聚核糖体的形式 1、 核糖体的结构核糖体的结构 (2) 核糖体的装配核糖体的装配 （1） Prok E.coli 小亚基小亚基 16SRNA 21种种pr

30、oteins S1-S21 大亚基大亚基 23SRNA 5SRNA 34种种proteins L1- L34 Euk 大亚基大亚基 28SRNA 5SRNA 5.8SRNA 49种种proteins 小亚基小亚基 18SRNA 33种种proteins 核糖体蛋白质核糖体蛋白质rRNA 按一定的顺序形成完整的核糖体按一定的顺序形成完整的核糖体按一定顺序按一定顺序结合结合rRNAs是亚是亚基中的骨架基中的骨架蛋白质和蛋白质和rRNArRNA必须必须形成完整的核糖体形成完整的核糖体结构才能发挥各自结构才能发挥各自的功能的功能除去除去MgMg2+2+添加添加MgMg2+2+2、核糖体的活性位点、核糖

31、体的活性位点 30S小亚基小亚基 头部头部 基底部基底部 中间有一中间有一豁口豁口 50S大亚基大亚基 三个三个突起突起 头部头部基底部基底部小亚基小亚基大亚基大亚基前缘前缘脊背脊背中央隆起中央隆起背部背部柄柄脊背脊背 两者之间形成一个两者之间形成一个mRNA通道通道 (Prok.与与 Euk.之间互有异同之间互有异同) 根据功能将核糖体上的活性部位分为两类根据功能将核糖体上的活性部位分为两类 翻译区域翻译区域 7个活性位点个活性位点 占占2/3 逐出位点逐出位点 2个位点（多肽的逐出）个位点（多肽的逐出） 占占1/3 (1) mRNA结合位点结合位点 a、位于、位于30S 亚基的头部亚基的头

32、部 b、S1 （可防止（可防止mRNA 链内碱基对的形成）链内碱基对的形成） （与（与S18和和S21结合结合mRNA、起始、起始tRNA 、IF3） c、 16S rRNA 3端是端是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 （2） P位点：位点： 肽酰肽酰tRNA位点位点 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 16SrRNA的的3 末端、末端、L2等蛋白等蛋白 b、 能够与起始能够与起始 tRNA （fMet-tRNAfMet）相结合，）相结合， 且且P位点会影响位点会影响A位点的活性位点的活性 （3） A位点：位点： 氨酰基

33、氨酰基 tRNA 位点位点 a、 主要在大亚基上主要在大亚基上 b、 A位点内位点内mRNA 表面只对特定的表面只对特定的 AAtRNA 分子分子 表现出特异性，表现出特异性，且且A位点结合位点结合aatRNA 要求在要求在P 位点上必须有肽酰位点上必须有肽酰tRNA存在存在 （4） 肽基转移酶活性位点肽基转移酶活性位点 活性中心在大亚基上，位于活性中心在大亚基上，位于P位点和位点和A位点的连接处位点的连接处 靠近靠近 tRNA的接受臂的接受臂 （5） 5s rRNA位点位点（与（与tRNA进入有关）进入有关） （6） EFTu位点位点 位于大亚基内，与氨酰基位于大亚基内，与氨酰基 tRNA的

34、结合有关的结合有关 （7） EFG 转位因子结合位点转位因子结合位点 大亚基靠近小亚基的界面处大亚基靠近小亚基的界面处 （8） E 位点位点（包括两个：脱酰基（包括两个：脱酰基tRNA和和多肽的逐出位点多肽的逐出位点） E1为脱酰基为脱酰基tRNA 离开核糖体提供出口离开核糖体提供出口 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13）延伸因子的结合位点延伸因子的结合位点Peptidyl transferaseEF-Tu siteE2 位点位点膜膜fMet-tRNAmetf (Met-tRNAmeti

35、) way in P site脱酰基脱酰基tRNAtRNA转移至转移至E E位点使位点使A A位点出现有利于新的氨酰位点出现有利于新的氨酰tRNAtRNA结结合的构象（空间结构改变）；当新的氨酰合的构象（空间结构改变）；当新的氨酰tRNAtRNA与与A A位点结合位点结合后，使后，使E E位点结构改变，脱酰基位点结构改变，脱酰基-tRNA-tRNA脱离脱离E E位点位点4.3.2 rRNA5S rRNA细菌细菌5S rRNA5S rRNA含有含有120120或或116116个核苷酸个核苷酸5S rRNA5S rRNA有两个高度保守的区域有两个高度保守的区域其中一个区域含有保守序其中一个区域含有

36、保守序列列CGAACCGAAC，这是与，这是与tRNAtRNA分分子子TCTC环上的环上的GTCGGTCG序列序列相互作用的部位，相互作用的部位，是是5S 5S rRNArRNA与与tRNAtRNA相互识别的序相互识别的序列列另一个区域含有保守序列另一个区域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGUGCGCCGAAUGGUAGU，与，与23S 23S rRNArRNA中的一段序列互补，中的一段序列互补，这是这是5S rRNA5S rRNA与与50S50S核糖体核糖体大亚基相互作用的位点大亚基相互作用的位点16S rRNA长度在长度在1475-15441475-1544个核苷酸之间，含有少量修个

37、核苷酸之间，含有少量修饰碱基。该分子全部压缩在饰碱基。该分子全部压缩在30S30S小亚基内小亚基内33端一段端一段ACCUCCUUAACCUCCUUA的保守序列，与的保守序列，与mRNA5mRNA5端翻译起始区富含嘌呤的序列互补端翻译起始区富含嘌呤的序列互补靠近靠近33端处还有一段与端处还有一段与23SrRNA23SrRNA互补的序列，在互补的序列，在30S30S与与50S50S亚基的结合中起作用亚基的结合中起作用23S rRNA包括包括29042904个核苷酸个核苷酸在大肠杆菌在大肠杆菌23S rRNA23S rRNA第第1984198420012001核苷酸之间，存在一核苷酸之间，存在一段

38、能与段能与tRNAtRNAMetMet序列互补的片段，表明序列互补的片段，表明核糖体大亚基核糖体大亚基23S 23S rRNArRNA与与tRNAtRNAMetMet的结合有关的结合有关靠近靠近55端端(143-157(143-157位核苷酸之间位核苷酸之间) )有一段有一段1212个核苷酸的序列个核苷酸的序列与与5S rRNA5S rRNA上第上第72-8372-83位核苷酸互补，位核苷酸互补，表明在表明在50S50S大亚基上这大亚基上这两种两种RNARNA之间可能存在相互作用。核糖体之间可能存在相互作用。核糖体50S50S大亚基上约有大亚基上约有2020种蛋白质能不同程度地与种蛋白质能不同

39、程度地与23S rRNA23S rRNA相结合相结合5.8S rRNA长度为长度为160160个核苷酸，含修饰碱基。真核生物个核苷酸，含修饰碱基。真核生物大亚基特有大亚基特有含有保守序列含有保守序列CGAACCGAAC（原核（原核5SrRNA5SrRNA），可能是），可能是与与tRNAtRNA作用的识别序列作用的识别序列人类基因组中人类基因组中18S18S和和5.8SrRNA5.8SrRNA基因的数量大大低基因的数量大大低于原来的估计于原来的估计18S rRNA酵母酵母18S rRNA18S rRNA由由17891789个核苷酸组成个核苷酸组成33端与大肠杆菌端与大肠杆菌16S rRNA16S

40、 rRNA有广泛的同源性其有广泛的同源性其中酵母中酵母18S rRNA18S rRNA、大肠杆菌、大肠杆菌16S rRNA16S rRNA和人线和人线粒体粒体12S rRNA12S rRNA在在33端有端有5050个核苷酸序列相同个核苷酸序列相同位于真核生物小亚基内，与原核位于真核生物小亚基内，与原核16SrRNA16SrRNA类似类似28S rRNA长度约在长度约在389038904500bp4500bp左右，具体功能不清左右，具体功能不清综上，综上，rRNArRNA之间以及之间以及rRNArRNA与与tRNAtRNA及及mRNAmRNA之间存在有机的联系，这种关系是建立之间存在有机的联系，

41、这种关系是建立在序列互补或同源的基础之上的在序列互补或同源的基础之上的核糖体小亚基功能核糖体小亚基功能对模板对模板mRNAmRNA进行序列特异性识别进行序列特异性识别提供提供mRNAmRNA的结合位点的结合位点大肠杆菌中与翻译真实性有关的蛋大肠杆菌中与翻译真实性有关的蛋白质白质S4S4及及S12 S12 也属小亚基也属小亚基核糖体大亚基功能核糖体大亚基功能负责携带负责携带AAAA及及tRNAtRNA肽键的形成肽键的形成AA-tRNAAA-tRNA、 肽基肽基-tRNA-tRNA的结合的结合A A位、位、P P位、转肽酶中心等在大亚基上位、转肽酶中心等在大亚基上核糖体核糖体游离大小亚基游离大小亚

42、基70S/80S70S/80S的颗粒的颗粒翻译起始翻译起始翻译进程翻译进程肽链释放肽链释放核糖体（核糖体（70S）游离大小亚基游离大小亚基70S/80S70S/80S的颗粒的颗粒MgMg2 2 10 10-3-3mol/Lmol/LMgMg2 2 1010-2-2mol/Lmol/L大肠杆菌体外反应体系大肠杆菌体外反应体系4.4 4.4 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蛋白质的生物合成

43、包括氨基酸活化、肽链氨基酸活化、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折叠和加工，现将各阶段的必需成分列于，现将各阶段的必需成分列于下表。下表。氨基酸的活化氨基酸的活化第一步反应第一步反应第二步反应第二步反应AA + tRNAAA + tRNAAA- tRNAAA- tRNAATP AMPPPi氨酰氨酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶Mg2+AA-AMP-E AA-AMP-E tRNA AA-tRNAtRNA AA-tRNAAMPAMP E EAA AA ATP ATP E AA-AMP-E E AA-AMP-E AMP AMP PPiPPi第一

44、步反应第一步反应AA AA ATP ATP E AA-AMP-E E AA-AMP-E AMP AMP PPiPPi第二步反应第二步反应AA-AMP-E AA-AMP-E tRNA tRNA AA-tRNAAA-tRNAAMPAMP E E Type Type 类酶类酶 先将氨酰基转移到先将氨酰基转移到 tRNA 3 tRNA 3 端端A A的的 2-OH2-OH 然后通过转酯反应转移到然后通过转酯反应转移到 3 3 OHOH上上 Type Type 类酶类酶 直接将氨酰基转移至直接将氨酰基转移至 3 3 OH OH 上上高度特异性（活化位点）高度特异性（活化位点） 对氨基酸有极高的专一性对氨

45、基酸有极高的专一性 对对tRNAtRNA具有极高专一性具有极高专一性 反密码子反密码子 第二套遗传密码系统第二套遗传密码系统校对作用（水解位点）校对作用（水解位点）只作用于只作用于L-L-氨基酸氨基酸tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATP氨基酰氨基酰tRNA合成酶合成酶(amino acyl-tRNA synthetase，aaRS) 存在于所有的生物体，定位于胞液中存在于所有的生物体，定位于胞液中与特异氨基酸的活化以及与特异氨基酸的活化以及 氨基酰氨基酰tRNAtRNA的合成有关的合成有关 催化功能区：ATP tRNA 受体双 tRNA 反密码 寡聚物的 和氨基酸位点 螺旋结合区

46、子结合区 形成 核苷酸折叠或反向 -螺旋或 平行的-折叠 -折叠桶 类酶 类酶 图 15-2 氨基酰 tRNA 合成酶含有 34 个不同的功能区 (仿 B.Lewin:GENES ,1997，Fig 9.8) Ile H COOH CH3CH2CCH CH3 NH2 Val H COOH CH3CCH CH3 NH2 Ile-RSIn vitro 200X1XVal-tRNAIle 错误负载机率错误负载机率 1/200 !In vivo Val : Ile = 5:1 但实际测定的错译机率但实际测定的错译机率仅为仅为1/12000 ?! Val-tRNAIle 错误错误负载机率负载机率 1/4

47、0 !Val : Ile = 1:1（异亮氨酸）（异亮氨酸）（缬氨酸）（缬氨酸）IVBHValAMPBHBHaa-tRNA loadingBHVIIle 分子构型大于分子构型大于Val Val进入进入B 位点并进入位点并进入H 位点而被降解位点而被降解Ile进入进入B 位点但不能进入位点但不能进入H 位点位点AA-tRNAAA-tRNA的表示方法：的表示方法： Ala-tRNAAla-tRNAAlaAla Ser-tRNA Ser-tRNASerSer Met-tRNA Met-tRNAMetMet 起始肽链合成的起始肽链合成的AA-tRNAAA-tRNA 真核生物：真核生物： Met-tRN

48、AMet-tRNAi iMetMet 原核生物：原核生物： fMet-tRNAfMet-tRNAf ffMetfMet蛋白质合成起始需要：蛋白质合成起始需要： 核糖体大、小亚基核糖体大、小亚基 起始起始tRNA 几十个蛋白质因子几十个蛋白质因子 ATP、Mg2+参与翻译的蛋白质因子参与翻译的蛋白质因子阶段原核阶段原核 真核真核 功功 能能IF1IF1IF2IF2 e eIF2 IF2 参与起始复合物的形成参与起始复合物的形成IF3IF3 e eIF3IF3、e eIF4CIF4C起始起始 CBP I CBP I 与与mRNAmRNA帽子结合帽子结合 e eIF4A B F IF4A B F 参

49、与寻找第一个参与寻找第一个AUGAUG e eIF5 IF5 协助协助eIF2eIF2、eIF3eIF3、eIF4CeIF4C的释放的释放 e eIF6 IF6 协助协助60S60S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-TuEF-Tu e eEF1EF1 协助氨酰协助氨酰-tRNA-tRNA进入核糖体进入核糖体延长延长EF-TsEF-Ts e eEF1 EF1 帮助帮助EF-Tu EF-Tu 、 eEF1eEF1 周转周转 EF-GEF-G e eEF2 EF2 移位因子移位因子终止终止 RF-1 RF-1 e eRF RF 释放完整的肽链释放完整的肽链 RF-2RF-2因

50、子前加因子前加“e e” ” 表示真核生物表示真核生物(eukaryotic)(eukaryotic)原核生物起始复合物形成：原核生物起始复合物形成：30S+mRNA=mRNA30S+fMet-tRNAifMet=mRNA30SfMet-tRNAifMet+50S=mRNA30SfMet-tRNAifMet50S真核生物起始复合物形成：真核生物起始复合物形成：40S+=mRNA40S+Met-tRNAiMet=mRNA40SMet-tRNAiMet+60S=mRNA40SMet-tRNAiMet60SMet-tRNAiMet起始复合物的生成需要：起始复合物的生成需要： GTP提供能量提供能量

51、Mg2+、NH4+ 3个起始因子（个起始因子（IF-1、IF-2、IF-3 ）与与30S小亚基结合松散，用小亚基结合松散，用1mol/LNH4Cl可解离可解离4.4.2 4.4.2 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种成分种成分: 30S小亚基，小亚基， 模板模板mRNA， fMet-tRNAfMet， 3个翻译起始因子个翻译起始因子(IF-l、IF-2和和IF-3)， GTP， 50S大亚基，大亚基， Mg2。 翻译起始又可被分成翻译起始又可被分成3步。步。核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离IF-3IF-3IF-1IF-1核蛋白体大小亚基分离核蛋白

52、体大小亚基分离mRNAmRNA在小亚基定位结合在小亚基定位结合S-D起始氨基酰起始氨基酰tRNAtRNA结合到小亚基结合到小亚基S-D核蛋白体大亚基结合形成起始复合物核蛋白体大亚基结合形成起始复合物IF-2GDPPPiIF-3IF-3IF-1IF-1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60S40S eIF-2B eIF-3eIF-660S40SeIF-3Met40SMet40SMet40SMetmRNAeIF-5Met-tRNAiMet-tRNAiMetMeteIF-2eIF-2GTPGTPATPADP+PieIF4E, eIF4G, eIF4B, eIF4A,PAB各种各种e

53、IFeIF释放释放ADP+Pi 1、 起始起始 tRNA 与起始密码子的识别与起始密码子的识别 （1） 细菌细菌 tRNAMetf 能识别能识别 AUG、GUG tRNAMetf Met. fMet-tRNAf 转甲酰酶转甲酰酶 tRNAMetm识别内部的识别内部的AUG，内部，内部GUG由由tRNAValm识别识别 （2） Euk 中中 tRNAMeti tRNAMetm tRNAfMetf接受臂的两个碱基均为不配对状态接受臂的两个碱基均为不配对状态 （3） 线粒体中线粒体中 Met甲酰化甲酰化 （4） tRNAfMetf 和和tRNAMetm 结构上存在差异结构上存在差异 tRNAfMet

54、f .TCA，而，而tRNAMetm .TCG 反密码子的反密码子的3端临位端临位 tRNAfMetf A tRNAMetm烷基化的烷基化的A起始起始 tRNA 的结构的结构G-C G-C G G 烷基化的烷基化的A A Formyl Met MetA A AA C CA C CA A AC A G CG C G C A AA A G A A* CAU CAU 图 15- 起始tRNAf-Met和延伸tRNAm-Met的差异 2、 起始复合物的生成起始复合物的生成 （1） 起始因子及起始因子及 30S 亚基与亚基与mRNA的结合的结合 Prok.的三种起始因子（的三种起始因子（initiati

55、on factor IF） 参与蛋白质合成起始的可溶性蛋白因子辅助参与蛋白质合成起始的可溶性蛋白因子辅助 起始复合物：起始复合物： 核糖体、核糖体、mRNA、aa- tRNA三元复合物三元复合物 三种三种IF分别为：分别为： IF1 IF2 IF3 IF1-加强加强IF2、IF3的酶活的酶活 IF2- 促使促使 fMet-tRNAMetf选择性的结合在选择性的结合在 30S亚基上亚基上 30S-IF3 + mRNA30S + IF3 + mRNA（30S复合物）复合物） IF3- 促使促使 30S亚基结合于亚基结合于 mRNA 起始部位，阻起始部位，阻 止止30S亚基与亚基与50S亚基的结合，

56、或者说促进亚基的结合，或者说促进 70S核糖体的解离核糖体的解离a、 30S亚基与亚基与 mRNA 的结合的结合 IF3 + 30S IF3赋予赋予30S 亚基与亚基与mRNA 结合的能力结合的能力 （30S亚基没有与亚基没有与mRNA主动结合的能力）主动结合的能力） SD序列控制起始复合物形成的频率序列控制起始复合物形成的频率翻译产物数量翻译产物数量 IF3 使使30S 亚基不能与亚基不能与50S亚基结合（形状亚基结合（形状.） 30S 亚基与亚基与mRNA 的结合的结合 SD与与16S rRNA的的 3 端端 30S 复合物中，起始复合物中，起始 codon 正好位于正好位于P位点，且只有

57、位点，且只有 fMettRNAfMetf才能进入才能进入 (2) 起始起始 tRNA 的结合的结合 IF2 + fMet-tRNAfIF2-fMet-tRNAf 30S-IF3-mRNA30S-IF3-mRNA-IF2-fMet-tRNAf-GTP GTP IF2与起始与起始 tRNA 之间作用严格专一之间作用严格专一 很强的很强的GTP酶活性酶活性 （3） 70S 起始复合物的形成起始复合物的形成 a、 IF3游离游离 30S-IF3-mRNA-IF2-fMet-tRNAf-GTP 与与50S亚基的结合导致（亚基的结合导致（IF3与与50S亚基的竞争）亚基的竞争） b、 70S 起始复合物形

58、成起始复合物形成 50S亚基的结合激活亚基的结合激活IF2 的的GTP酶活性，水解酶活性，水解 GTP并解离下来（并解离下来（IF1） GTP水解释放的能量改变两者的构象水解释放的能量改变两者的构象 IF辅助因子辅助因子 形成形成 30S-mRNA-fMet-tRNA-50S IF2-fMet-tRNAf结合上来结合上来 c、 Met的甲酰基的除去的甲酰基的除去.合成到合成到1530个个AA 3、 Euk 蛋白质合成的起始蛋白质合成的起始 （1） 机制与机制与Prok.基本相同，差异主要是所涉及的因素基本相同，差异主要是所涉及的因素 本身的差异所导致本身的差异所导致 去甲酰基酶（细菌、线粒体）

59、去甲酰基酶（细菌、线粒体） 氨肽酶去除氨肽酶去除Met 甲酰基甲酰基氨基氨基氨肽酶氨肽酶去甲酰基酶去甲酰基酶 a、 核糖体较大核糖体较大 b、 mRNA 是单顺反子是单顺反子 c、 其其mRNA 具有具有m7GpppNp帽子结构，从而导致起始时帽子结构，从而导致起始时 识别信号的差异识别信号的差异 d、 Met-tRNAMet不甲酰化不甲酰化 e、 有较多的起始因子有较多的起始因子 （2） Euk蛋白质合成的起始因子蛋白质合成的起始因子（3） 起始机制起始机制 对对AUG的识别涉及：的识别涉及： Euk 蛋白质合成起始中的重要参与者：蛋白质合成起始中的重要参与者： 密码子与反密码子的配对密码子

60、与反密码子的配对 起始起始AUG上下文结构特点的作用上下文结构特点的作用 MettRNAi 核糖体核糖体 AUG上下文特点上下文特点 eIF 2作用作用 eIF-4F修饰的帽子修饰的帽子小亚基连接到修饰的帽子小亚基连接到修饰的帽子小亚基迁移到连接位点小亚基迁移到连接位点eIF-2MetMetMet4.4.3 肽链的延伸肽链的延伸 EFTu-GTP+ AA-tRNA三元复合物三元复合物起始起始 tRNA 不能结合，保证了不能结合，保证了. Prok肽链的延伸以氨酰肽链的延伸以氨酰tRNA 进入进入70S 起始复合物起始复合物 的的A位为标志（第一个进位过程）位为标志（第一个进位过程） 1、 后续后续AA