蛋白质的生物合成

蛋白质的生物合成内容提要：▶▶▶mRNA和遗传密码

tRNA核糖体▶参与蛋白质合成的酶及蛋白质因子▶▶多肽链生物合成的机理蛋白质翻译后的加工和定向运输蛋白质的生物合成亦称为翻译（Translation），即把mRNA分子中的核苷酸排列顺序转变为多肽链中的氨基酸排列顺序，并形成蛋白质高级结构的过程。转录是基因表达的第一步，翻译是基因表达的第二步。参与蛋白质生物合成的成分至少有200种，其中主要由mRNA、tRNA、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子共同组成。肽链合成完成后，还需要进行折叠、修饰、运输等过程才能执行其功能。第一节mRNA和遗传密码mRNA

以

它

分

子

中

的

核

苷

酸

排

列

顺

序

携

带

从

DNA

传

递

来

的遗传信息，是蛋白质生物合成的模板。不同的蛋白质有不同的mRNA，所以mRNA的种类很多，它决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。mRNA分子中有编码区和非编码区，直接决定氨基酸排列顺序的区域称为编码区，其它部分称为非编码区。mRNA携带从DNA传递来的遗传信息，是蛋白质生物合成的模板。它决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。大肠杆菌Trp前导序列的3种可能的可读框原核细胞中每种mRNA分子常带有多个功能相关的蛋白质的编码信息，以一种多顺反子的形式排列，在翻译过程中可同时合成几种蛋白质，所以除两端的非编码区外，还有分割不同基因的间隔区。真核细胞每种mRNA一般只带有一种蛋白质编码信息，是单顺反子形式。mRNA两端有非编码区，非编码区对于mRNA的模板活性是必需的，特别是5′端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位，其头部帽子结构在蛋白因子的协助下识别并结合核糖体。a

多顺反子;b

单顺反子遗传密码（genetic

code）是指DNA或mRNA中的碱基序列与蛋白质中氨基酸序列的相互关系。mRNA分子上以5′→3′方向，从AUG开始每三个连续的核苷酸组成一个密码子，mRNA中的4种碱基可以组成64种密码子，这些密码不仅代表了20种氨基酸，还决定了翻译过程的起始与终止位置。指DNA或mRNA中的碱基序列,决定蛋白质中氨基酸的排列顺序。遗传密码破译遗传密码的突破性工作主要包括：一是体外翻译系统的建立；

二是核酸的人工合成：三是核糖体结合技术。

遗传信息是如何储藏在4种核苷酸中的？一、核酸的人工合成：1955年

纽约大学Grunberg-Manago将核苷酸连接起来的酶形成RNA聚合体polyA

polyCpolyGpolyUpolyAU二、体外翻译系统的建立：1960年

Matthei

31岁

德国人美国国家健康研究所

老板

33岁的Nirenberg将ATP和游离的氨基酸加入到从细胞中提取的核糖体、DNA、mRNA、tRNA和AA-tRNA合成酶的混合物中，在试管中合成多肽---多肽链的无细胞合成体系问题：poly

U主要利用了

哪些氨基酸呢？

不同的氨基酸分别加入到poly

U试管系统中

5天通宵达旦，

Matthei得到了答案：poly

U合成的肽

链全部是苯丙氨酸（Phe）

世界上破译第一个遗传密码的人

Nirenberg

莫斯科

第五届国际生物化学大会不善于推销自己

小组会上

Meselson认为非同小可Francis

Crick

全体大会上重新做学术报告Nirenberg全力组织其他遗传密码的破译Nirenberg发现并定义了3个核苷酸为一个密码子，决定一个氨基酸的翻译

Khorana按需要连接任意核苷酸

ACACACACACACACthr-his-thr-his链

ACA——苏氨酸的密码子

CAC——组氨酸的密码子14三、核糖体结合技术Nirenberg和Leder还用核糖体结合技术来解决密码问题。以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的适当离子强度的反应液中保温，然后使反应液通过硝酸纤维素滤膜。发现游离的AA-tRNA因相对分子质量小而能自由通过滤膜，加入三核苷酸模板可以促使其对应的AA-tRNA结合到核糖体上，体积超过膜上的微孔而被滞留，这样就能把已经结合到核糖体上的AA-tRNA和未结合的分开。若用20种AA-tRNA做20组同样的实验，每组都含20种AA-tRNA和各种三核苷酸，但只有一种氨基酸用

C标记，看哪一种AA-tRNA被滞留在滤膜上，进一步分析这一组的模板是哪个三核苷酸，从模板三核苷酸与氨基酸的关系可测知该氨基酸的密码子。

1966年，Nirenberg和Khorana

全部遗传密码字

典

64个密码子61个负责20种氨基酸翻

译，3个无义密码子

Nirenberg

和

Khorana1968年

诺贝尔奖遗传密码特点：（1）起始与终止密码子。AUG是起始密码子，代表合成肽链的第一个氨基酸在mRNA上的位置，位于mRNA

5′端附近。原核细胞中起始AUG编码N-甲酰甲硫氨酸。真核生物AUG作为甲硫氨酸的密码子。密码子UAA，UAG，UGA是肽链合成的终止密码子（无义密码子），不代表任何氨基酸。它们单独或同时存在于mRNA3′端，其功能是提示肽链合成的结束。（2）读码的连续性。三联体密码子无交叉重叠，两个密码子之间没有任何间隔，从起始码AUG开始，每三个碱基代表一个氨基酸，这就构成了一个连续不断的阅读框，直至终止密码。如果阅读框中插入或缺失一个碱基就会造成移码突变，引起突变位点下游氨基酸全部序列的错误。（3）密码的简并性。除三个终止密码子外，61个密码子编码20种氨基酸，所以出现了多种密码子（最多为6个）编码一个氨基酸的现象，这称为密码子的简并性（degeneracy）。这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，即密码子的专一性主要由前两个碱基决定，有时即使第三个碱基发生突变也能翻译出同一种氨基酸，这对于保证物种的稳定性有一定意义。如：GCU，GCC，GCA，GCG都是丙氨酸的密码子。同一种氨基酸的一组密码子中，各个密码子的使用频率是不相同的，而且原核生物和真核生物对同一组密码子的使用频率相差很大。（4）密码的通用性。密码子在所有的生物体中（除一些古细菌和粒线体以外）通用，各种低等和高等生物基本上都使用同一套遗传密码。例如，大肠杆菌的蛋白质合成系统可以正确阅读人珠蛋白mRNA的密码系统，合成出人珠蛋白。第二节tRNA遗传信息的正确翻译需要一个适配分子的承接过程：①氨基酸需要正确选择并附着到对应的tRNA上。②正确连接氨基酸的tRNA能够被mRNA正确识别。Francis

Crick提出，密码信息的翻译需要经过一个适配分子来实现。适配分子携带一种特定氨基酸和对应的密码子(反密码子），该密码子可以与mRNA的密码子互补。体外蛋白质合成和标记遗传密码实验显示，氨基酸短暂地连接到一些低分子量RNA片段上。tRNA的结构：tRNA的结构相当保守，各种物种的tRNA均含有70-80个碱基，

tRNA均具有三叶草形的二级结构和L形状的三级结构。从二级结构上看，

tRNA分子可分为5个主要的臂：携带氨基酸的接受臂、T

loop、反密码子臂、双氢尿嘧啶臂和附加臂。前四种序列保守性强，而附加臂大小不一。附加臂的大小反映了整个tRNA分子的大小。根据附加臂的大小，可将tRNA分为两类：大约3/4的tRNA只含有3-5个碱基的附加臂，称为第I类tRNA；其余的tRNA常含有13-21个碱基的附加臂，称为第II类tRNA。tRNA的二级结构tRNA的三维空间结构（a）及模型（b）在

L

形

结

构

中

，

接

受

臂

和

反

密

码

子

臂

分

别

位

于

两

条

双

螺

旋

的

顶

端

，

这

样

使

得

tRNA

所

携带的氨酰

基

靠

近

核

糖

体

大

亚

基

的

肽

基

转

移

酶

位

点

，

而

反

密

码

子

能

够

与

小

亚

基

上

的

mRNA

密

码

子

配对。三维结构主要是靠碱基之间的氢键力维持，此外，相邻碱基堆集力也是维持其空间结构的重要因素。tRNA

能转移氨基酸到延长

的多肽中的小分子RNA。在

模

板

mRNA

的

编

码

信

息

与

蛋

白

质

的

氨

基

酸

序

列

之

间起承接作用。通

过

反

密

码

环

上

反

密

码

子

的

三

个

碱

基

与

mRNA

分

子

上

密

码

子

的

三

个

碱

基

反

向

配

对

形

成

氢

键

，

达

到

相

互

识别的目的。反密码子（anticodon）与副密码子（paracodon）：由于有61个密码子分配给20种氨基酸，因此出现了有多种密码子（最多6个）编码一个氨基酸的现象，即密码子的简并性。一种tRNA分子常常能够识别一种以上的同一种氨基酸的密码子（同义密码子），这是因为tRNA分子上的反密码子与密码子的配对具有摇摆性（密码子的变偶性）（wobble），即在密码子的3′端位置和反密码子的5′端位置的核苷酸碱基之间可能发生非标准的碱基配对。配对的摇摆性完全是由tRNA反密码子loop的空间结构所决定的。在tRNA分子的空间结构中，相邻碱基存在着碱基堆集力。然而，反密码子5′端的一个碱基却处在一连串堆集碱基的末端，它受的碱基堆集力较小，因此有较大的自由度。而且，反密码子5′端碱基常为修饰过的碱基，很少有U，而几乎没有A；A被修饰为I（次黄嘌呤），它可以和U，C，A配对。加上RNA中常见的G-U配对，因此配对情况就复杂得多.由于变偶性，只需要32种

tRNA就能识别61个编码氨基酸的密码子。单一tRNA的氨基酸只有组氨酸、色氨酸和硒代半胱氨酸。同工tRNA，如精氨酸和缬氨酸有7个tRNA，而亮氨酸有8个tRNA。这些不同tRNA接受相同的特定氨基酸。tRNA分子上与多肽合成有关的位点

3′端CCA上的氨基酸接受位点

识别氨酰-tRNA合成酶的位点

核糖体识别位点

反密码子位点

(P107)tRNA分子上能被氨酰基-tRNA合成酶所识别，并决定其携带氨基酸的区域被称为副密码子。其特点：（1）是一种碱基对结构，具有一定的保守性，如G3：U70

碱基对；（2）没有固定的位置，也可能不止一个碱基对；（3）副密码子与氨基酸的侧链基团有某种相应性。成酯键。D环（二氢尿嘧啶环）：在这一区域总是含有修饰的尿嘧啶可变环：

位于TΨC环和反密码子环之间，由3-21个碱基组

碱基。受成体。臂：包含tRNA的两个末端，且互补配对（常为7bp）。反3密’-码末子端环不：变能的与序m列RNA是的CCA密，码突子出进于行5碱’-基末互端补。配氨对基，酸破的译-mRNACOOH上与的接核受苷臂酸末语端言的。腺嘌呤核苷酸的2’-或3’-OH相连，形TΨC环：

Ψ代表修饰碱基假尿嘧啶，通过碱基上的5-C而不是1-N与核糖相连接。第三节

核糖体的特性与功能核糖体

由几种rRNA和几

十种蛋白质组成的亚细

胞颗粒。作用

蛋白质合成的场

所。一、核糖体的存在形式在真核生物细胞内核糖体以两种形式存在：一

是

附

着

在

内

质

网

的

膜

表

面

，

称

为

附

着

核

糖

体

，它

与

内

质

网

形

成

复

合

细

胞

器

，

即

粗

面

内

质

网

，

合

成

三类

蛋

白

质

：

溶

酶

体

蛋

白

质

、

分

泌

到

胞

外

的

蛋

白

质

和

构成质膜骨架的蛋白质。二

是

自

由

的

存

在

于

胞

质

中

，

呈

游

离

状

态

，

称

游

离核

糖

体

（

见

下

图

）

，

合

成

细

胞

溶

质

或

细

胞

器

膜

的

蛋

白质，主要参与细胞固有蛋白质的合成。在

原

核

生

物

细

胞

内

核

糖

体

也

以

两

种

形

式

存

在

：

一是

附

着

在

质

膜

内

侧

的

核

糖

体

，

即

附

着

核

糖

体

；

二

是

游离状态的核糖体，分布在细胞质基质内。图

：

真核生物细胞内核糖体以两种形式存在二、核糖体的组成和来源核糖体是一种颗粒状的结构，没有被膜包裹，直径约为25nm，主要成分是蛋白质和RNA。核糖体的蛋白质称为r蛋白，

含

量

约

占

4

0%

，

主

要

分

布

在

核

糖

体

的

表

面

。

核

糖

体

的RNA

称

为

rRNA，

含

量

约

占

6

0%

，

位

于

内

部

。

rRNA

与

r

蛋

白以

共

价

键

相

连

。

无

论

是

原

核

生

物

还

是

真

核

生

物

，

它

们

的

基因

组

中

都

含

有

大

量

的

、

串

联

重

复

的

rRNA

基

因

，这是

与蛋白质合成中需要大量的核糖体相适应的。原

核

生

物

有

5

S、16S、23S

三

种

rRNA，

由

前

体

rRNA

经

过一系列的加工修饰获得了具有生物功能的rRNA（图1-2）。图1-2原核生物核糖体RNA的产生真

核

生

物

中

有

5

.8S、18S、28S

和

5

S

四

种

rRNA，

前

三

种rRNA

为

主

体

rRNA，

它

们

由

RNA

聚

合

酶

I

转

录

而

来

，

主

体rRNA

基

因

组

成

重

复

单

位

，

转

录

出

一

个

4

5S

rRNA，

然

后

通过

加

工

处

理

成

为

5

.8S

rRNA、18S

rRNA

和

2

8S

rRNA。5SrRNA

是

由

RNA

聚

合

酶

III

转

录

而

来

，

它

与

主

体

rRNA

基

因

的组织形式不同（图1-3）。真

核

生

物

核

糖

体

蛋

白

质

在

细

胞

质

中

产

生

，

然

后

转

运

到细

胞

核

中

，

在

核

内

与

核

糖

体

RNA

结

合

成

为

大

小

亚

基

，

并

分别转运到细胞质中（图1-4）。图1-3

真核生物核糖体RNA的产生图1-4

真核生物核糖体两个亚基产生的过程2+三、核糖体的类型有

两

种

类

型

的

核

糖

体

：

一

种

是

7

0S

的

核

糖

体

。

原

核

细

胞

的

核

糖体是7

0S，真核细胞中线粒体和叶绿体内的核糖体接近7

0S，由50S和30S大小两个亚基组成（图1-5；表1-1）。另一种是80S的核

糖

体

，

真

核

细

胞

的

核

糖

体

（

除

线

粒

体

和

叶

绿

体

核

糖

体

外）都为

8

0S，

由

6

0S和40S大小两个亚基组成（图1

-5

）。体外实验表明

，

70S

核

糖

体

的

两

个

亚

基

在

溶

液

中

的

解

离

与

否

取

决

于

Mg

的浓度（图1-6）。图1-5原核生物与真核生物核糖体成分的比较表1-1

大肠杆菌细胞中核糖体的组成成分图1-6

E.coli细胞中核糖体的组成(A)小亚基

(B)大亚基

(1)头部(2)平台

(3)底部

(4)脊

(5)中央的突起

(6)背面

(7)茎

(8)前面四、核糖体的结构与功能核糖体是合成蛋白质的场所，由大小两个亚基组成（图1

-7

）。功能核糖体的形成是一个自我装配过程，不需要其它大分

子

的

参

与

，

大

小

亚

基

都

是

由

核

糖

体

蛋

白

质

与

rRNA

组

装

而成

，

但

是

这

种

装

配

表

现

出

先

后

层

次

性

。

研

究

表

明

，

不

同

生

物中

r

蛋

白

之

间

普

遍

存

在

很

高

的

同

源

性

。

对

rRNA

特

别

是

1

6SrRNA结构（图1-8、9、10）的研究发现，16S

rRNA一级结构和

二

级

结

构

是

非

常

保

守

的

。

由

于

各

种

生

物

体

都

含

有

1

6

SrRNA，

因

此

，

有

人

主

张

对

生

物

界

的

划

分

以

1

6S

rRNA

是

科

学的

，

并

提

出

了

有

影

响

的

“

三

界

系

统

进

化

树

”

和

“

内

共

生

假

说

”

。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，见图1-11、12、13、14。核

糖

体

中

rRNA

的

主

要

功

能

有

：

①

具

有

肽

酰

转

移

酶

的活

性

；

②

为

tRNA

提

供

结

合

位

点

（

A

位

点

、

P

位

点

和

E

位点

）

；

③

为

多

种

蛋

白

质

合

成

因

子

提

供

结

合

位

点

；

④

在

蛋

白质

合

成

起

始

时

参

与

mRNA

选

择

性

地

结

合

以

及

在

肽

链

的

延

伸中

与

mRNA

结

合

。

⑤

核

糖

体

大

小

亚

基

的

结

合

、

校

正

阅

读

等都与rRNA有关。核

糖

体

中

r

蛋

白

的

主

要

功

能

有

：

①

对

rRNA

折

叠

成

有

功能

的

三

维

结

构

是

必

须

的

；

②

在

蛋

白

质

合

成

中

，

核

糖

体

的

空间

构

象

发

生

一

系

列

的

变

化

，

某

些

r

蛋

白

可

能

对

核

糖

体

的

构

象起

“

微

调

”

作

用

；

③

在

核

糖

体

的

结

合

位

点

上

甚

至

可

能

在催化作用中，r蛋白与rRNA共同行使功能。图1-7

E.

coli

核糖体大小亚基及不同功能位点立体模式图图1-8

E.

coli核糖体小亚基中核糖体蛋白与16S

rRNA的分布图1-9E.coli

16S

rRNA、5S

rRNA的二级结构图1-10

经X射线晶体学所推测的16S

rRNA的三级结构图1-11

核糖体中主要功能部位示意图主要功能部位有：与mRNA的结合位点、A位点（氨酰基—tRNA结合位点）、P位点（肽酰基—tRNA结合位点）、E位点（肽酰转移酶位点），以及转肽酶活性部位等。mRNA结合位点

位于30S小亚基头部，负责与mRNA的结合P位点

肽酰基tRNA位点，结合起始氨基酰tRNA，并在延伸中向A位给出肽基的位置A位点

氨酰tRNA位点，结合一个新进入的氨基酰tRNA

的位置

E位点

延伸的多肽链转移到氨酰tRNA上释放的空tRNA的位点转肽酶活性部位

位于P位点和A位点的连接处。参与蛋白质合成的各种蛋白因子的结合位点延伸因子Tu-tRNA复合物、转位因子EF-G、释放因子RF1/2-RF3结合到相同的核糖体位点上图1-14

蛋白质合成过程中其它重要因子的结合位点核糖体能容纳两个tRNA分子和35个碱基左右的mRNA分子。图1-12核糖体和tRNA大小的比较图1-13

tRNA和mRNA以相同的方向通过核糖体五、多聚核糖体在

细

胞

内

多

个

核

糖

体

串

联

在

一

条

mRNA

分

子

上

，

并

高

效

地

进行

肽

链

的

合

成

，

这

种

具

有

特

殊

功

能

与

形

态

结

构

的

核

糖

体

与mRNA

分

子

的

聚

合

体

称

为

多

聚

核

糖

体

（

polysome），mRNA的

长

度

决

定

了

多

聚

核

糖

体

上

的

核

糖

体

数

目

。

原核细

胞中，

在mRNA

合成的同时，核糖体就结合到mRNA上，即由DNA转录

mRNA

和

由

mRNA

翻

译

成

蛋

白

质

是

同

时

并

几

乎

在

同一部位进

行

，

所

分

离

的

多

聚

核

糖

体

常

常

与

DNA

结

合

在

一

起

（

图

1

-15）。真核细胞中，多聚核糖体或附着在内质网上，或游离在

细

胞

质

基

质

中

。

研

究

表

明

，

游

离

的

多

聚

核

糖

体

结

合

在

细

胞骨架上（图1-16）。图1-15E.coli

细胞中的多聚核糖体

多核糖体循环

在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体，多达几百个。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率。mRNA的最大利用率是每80个核苷酸有一个核糖体。图1-16

真核细胞中的多聚核糖A：一系列的核糖体能同时翻译相同的真核生物mRNA分子B：来自真核细胞中的一个多聚核糖体的电子显微镜照片第四节参与蛋白质合成的酶及蛋白质因子氨酰基-tRNA合成酶：tRNA

作

为

“

承

接

器

”

分

子

，

能

够

使

mRNA

分

子

上

核

苷

酸

序

列

的遗

传

密

码

转

变

为

多

肽

链

的

氨

基

酸

序

列

，

其

关

键

在

于

氨

酰tRNA

合

成

酶

专

一

性

的

正

确

识

别

tRNA

分

子

，

并

结

合

特

定

的氨基酸到tRNA分子的接受臂的3′端。氨酰tRNA合成酶催化反应分两步：第

一

步

是

识

别

它

所

催

化

的

氨

基

酸

以

及

另

一

底

物

ATP，

在

它

的

催

化

下

，

氨

基

酸的羧基与AMP上的磷酸之间形成一个酯键，同时释放出一分子PPi：氨基酸

+

ATP→氨酰－AMP

+

PPi第二步是通过形成酯键，将氨基酸连接到tRNA

3′端腺苷酸的核糖上：氨酰-

AMP

+

tRNA→氨酰-tRNA

+

AMP氨基酸与核糖之间形成的高能酯键对于蛋白质合成中肽键的形成是十分重要的。绝

大

多

数

细

胞

内

有

2

0

种

不

同

的

氨

酰

tRNA

合

成

酶

，

每

种

酶

对

应

一

种

氨

基酸，但可以和该氨基酸的多个同工受体tRNA结合。蛋白质生物合成过程第二步反应氨基酰-AMP-E＋tRNA

氨基酰

-tRNA＋AMP＋E第二节1氨基酸的活化第一步反应

氨基酸

＋ATP-E

氨基酰-AMP-E

＋

AMP

＋

Ppi点

回击

返

氨酰tRNA合成酶的结构与类型每个氨酰tRNA合成酶都包含3个区域：1.

催化域（ATP和氨基酸结合位点）

2.

tRNA受体螺旋结合域3.

tRNA反密码子结合域20种氨酰tRNA合成酶被区分为两类第一类：具有一个N-末端

催化域，均包含一个

Rossman折叠，大部分是

单体酶，将氨基酸的羧基

结合在tRNA

3′端腺苷酸

的2′-OH上，然后通过转

酯作用转移到3′-OH上。

如Tyr-tRNA合成酶，Tyrosyl-

tRNA

合成酶第

二

类

：

二

聚

体

或

四

聚

体

，

其

催

化

结

构

域

有

一

个

反

平

行

的

β-

折

叠

片

，

α-

螺

旋

在

侧

面

，

而

且

是

将

氨

基

酸

直

接

结

合

在

tRNA

3′

端

腺

苷

酸

核

糖

的

3′-OH

上

。

Ser-tRNA

合

成

酶

就

属

于

第

Ⅱ

类

酶

，

它

有

一

个

中

央

的

反

平

行

β-折

叠

片

，

而

不

是

Rossman

折

叠

，该酶由

两

个

相

同

的

亚

基

形

成

一

个

二聚体。Ser-tRNA合成酶两类不同的氨酰基-tRNA合成酶两种酶分别识别tRNA分子的不同部位，而tRNA的CCA臂在复合体中则选取不同的形态苏氨酰-tRNA合成酶的空间结构苏氨酰-tRNA合成酶的编辑和激活位点AB苏氨酰-tRNA合成酶与tRNA的接受臂和反密码子结合后的复合体A：结构图B：空间模型

氨酰tRNA合成酶的识别功能氨基酰tRNA合成酶需要识别tRNA和氨基酸，它对氨基酸是绝对专一的，对tRNA可以识别所有同工受体tRNA。两类氨基酰tRNA合成酶似乎都对氨基酸的侧链使用刚性的锁钥机理，而对其它底物使用诱导契合机理，包括ATP、tRNA和氨基酸的成肽部分。氨基酰tRNA合成酶对tRNA的识别被称为第二遗传密码。氨基酰tRNA合成酶对同工tRNA的识别1.识别tRNA的反密码子一种氨基酰tRNA合成酶可以识别一组同工tRNA，识别部位就是tRNA的反密码子。如谷氨酸氨酰-tRNA合成酶，它要求tRNA的反密码环保持不变，否则不识别。

2.不是识别tRNA的反密码子有实验表明，即使反密码子发生了改变，照常可被识别。这类酶识别tRNA分子的特殊碱基部位。以丝氨酸为例，Ser-tRNA合成酶识别的是tRNA

Ser反密码环和TψC环之间的额外环或其它碱基部位。蛋白质因子：参

与

翻

译

的

蛋

白

质

因

子

是

在

蛋

白

质

的

合

成

过

程

中

起

协

助

作

用

的

辅

助

蛋白

，

而

不

是

核

糖

体

的

组

成

成

分

。

包

括

起

始

因

子

（

initiationfactor,IF）、

延

长

因

子

（

elongation

factor,EF）

和

终

子

或

释

放

因

子（release

factor,RF）。起始因子：原核生物的起始因子有IF1、IF2、IF3真核生物的起始因子（eIF）更多（见下图）延长因

子：有三种：一种是热不稳定的叫EF-Tu；一种是热稳定的叫EF-TS

，

促

进

AA-tRNA

进

入

A

位

；

第

三

种

是

依

赖

于

GTP

的

叫

EF-G，

又

称

转

位

因子。终

止

或

释

放

因

子

：

无

论

原

核

生

物

还

是

真

核

生

物

都

有

三

种

终

止

密

码

子UAG、UAA、UGA。

没

有

一

个

tRNA

能

够

与

终

子

密

码

子

作

用

，

而

是

由

特

殊

的蛋白因子促成终止作用。这类蛋白质因子叫释放因子。原核生物有三种释

放

因

子

：

RF1

识

别

UAA

和

UAG；RF2

识

别

UGA

和

UAA；RF3

能

够

刺

激

RF1

和RF2的活性。真核生物中只有一种释放因子eRF。eRF需要GTP与之结合才能

结

合

于

核

糖

体

上

。

释

放

因

子

都

是

作

用

于

A

位

点

，

并

且

需

要

P

位

被

肽

基-tRNA所占据。图1-34延伸因子Tu的结构及与氨酰基-tRNA结合的部位图1-35

延伸因子EF-G的空间结构模型图1-36真核生物的释放因子结构图图1-37核糖体释放因子空间结构Met

MetfmMetf2ffMet

Valm第五节多肽链生物合成的机理一、原核生物多肽链合成的过程合成的起始密码子为AUG（在细菌中偶尔也有用GUG的）。细菌（包括线粒体）中有两种tRNA能够携带甲硫氨酸（Met）。一种是tRNA

，它只能识别起始密码子AUG，一种是tRNA

，它只能识别内部AUG密码子。tRNA

首先与Met结合，然后在Met的NH

上产生甲酰化作用从而封闭了这个氨基，形成了N-甲酰-甲硫氨酰-tRNA，简写为fMet-tRNA

。起始密码子AUG和GUG均由这种tRNA

所识别，若这两个密码子在mRNA的内部则分别由tRNA

和tRNA

所识别。甲硫酰氨tRNA甲酰化起

始

tRNA

与

甲

硫

氨

酸

反

应

生

成

甲

硫

酰

氨

tRNA（Met-tRNAf），

再

进

一

步

酰

基

化

生

成

N-甲酰-甲硫酰氨tRNA（fMet-tRNAf）f只有fMet-tRNA

能被30S亚基用于肽链合成的起始；

其它氨酰基-tRNA才能被70S的核糖体用于肽链的延伸。图1-27典型的原核生物多顺反子mRNA分子结构原核生物多顺反子mRNA分子结构（图1-27）决定了蛋白质的合成可以在一条mRNA分子的多处同时进行（图1-28）图1-28

在含多顺反子的mRNA分子中，每个顺反子可以独立起始蛋白质的翻译原核生物多肽链合成的过程•

生物蛋白质的合成可分为三个主要的阶段：起始、延伸和终止（图1-30、31、32、33）。原核生物蛋白质合成的起始、延伸和终止都需要一些蛋白因子参与，和自由存在的大小核糖体亚基。fMet

起始（intiation）核糖体大小亚基、mRNA、起始tRNA和起始因子共同参与肽链合成的起始。

70S核糖体分开成为两个亚基。

起始位点的识别。

30S起始复合物的形成。30S·IF-1·IF-2.GTP·fMet-tRNA

·mRNA

核糖体的大亚基(50S)加入这个复合物。IF-1蛋白质生物合成过程第二节2.1原核生物翻译的起始2.1.1

核蛋白体大小亚基分离起始因子IF-1和IF-3识别30S小亚基50S大亚基与30S小亚基分离IF-3蛋白质生物合成过程IF-1第二节2.1.2

mRNA在小亚基定位结合mRNA识别并与30S小亚基结合5'IF-3A

U

G3'（SD）序列:在大肠杆菌的mRNA序列中，紧靠起始密码子上游8-13个碱基的位置是互补于核糖体小亚基rRNA（16S

rRNA）的一个区域，叫做

SD

序列。这些序列的碱基配对帮助mRNA紧紧地连接到核糖体小亚基上，协助寻找起始tRNA的反密码子。蛋白质生物合成过程第二节S-D序列图1-29原核生物蛋白质合成起始位点包含S-D序列和起始密码子IF-1蛋白质生物合成过程第二节2.1.3.

起始氨基酰-tRNA与小亚基结合在起始因子IF-2的作用下，起始氨基酰-tRNA与30S小亚基结合IF-2GTP5'A

U

G3'IF-3IF-1蛋白质生物合成过程GDP第二节2.1.4.

核蛋白体大亚基结合GTP水解，起始因子从30S小亚基上释放，IF-2GTPPi30S小亚基与50S大亚基

重新结合5'A

U

G3'IF-3IF-1A

U

G蛋白质生物合成过程第二节IF-2-GTPPiGDP5'IF-33'起始过程消耗1个GTPIF的性质IF大约MWGTP结合能力生物学活性IF322000-1.形成三元复合物.2.解离因子活性，使70S核糖体颗粒解离为30S和50S亚基IF2120000+识别起始氨酰基tRNA,

协助结合到mRNA上，形成30S前起始复合物IF19000-无特异功能，但具有加强

IF2和IF3的活性作用。

延长（Elongation）一

些

蛋

白

质

因

子

协

助

延

长

，

称

为

延

长

因

子

。

在

大

肠

杆

菌

中

，

一

种

是

热

不

稳

定

的

叫

EF-Tu；

一

种

是

热

稳

定

的

叫

EF-TS

，

促

进

AA-tRNA

进

入

A

位

；

第

三

种

是

依

赖

于GTP的叫EF-G，又称转位因子。肽

链

每

加

一

个

氨

基

酸

就

是

一

个

循

环

，

所

以

多

肽

链

在

核

糖

体

上

的

合

成

过

程

又

称

核

糖体循环：第一步：新的氨酰tRNA进入A位。

第二步：转肽作用第三步：移位tRNAA第二个氨酰

入位进EF-Tu.GTP护送氨基酰tRNA至核糖体的A

位蛋白质生物合成过程第二节Tu

TsGTPTsTu

GDPGTP5'AU

G3'在延伸因子的作用下，特异的氨基酰-tRNA进入核糖体的A位点图1-32

原核生物蛋白质合成的延伸—肽键的形成和转位①

肽

键

的

形

成

肽

基

转

移

酶

把

位

于

P

位

点

的

甲

酰

甲

硫

氨

酰基

或

肽

基

转

移

到

A

位

点

的氨酰基-

tRNA的氨基上，形成了第一

个

肽

键

或

新

的

肽

键

。

②

转

位

当

肽

键

在

A

位

点

上

形

成

之后

，

延

伸

因

子

EF-G（

也

称

转

位

因

子

G）

和

GTP

的

复

合

物

才

能够

结

合

到

核

糖体上，然后，由核糖体中具有GTP酶活性的某种

蛋

白

质

将

GTP水解，在A位点生成的肽基-tRNA才能转移到P

位

点

，

同

时

将

原

来

P

位

点

上

空

载

的

tRNA

逐

出

核

糖

体

，

mRNA也

移

动

了

一

个密码子。在转位之后，EF-G和GDP必须释放出来，下一个氨酰基-tRNA的三元复合物才能进入A位点。转肽和移位蛋白质合成的转肽作用EF-Tu\EF-Ts能够促进AA-tRNA进入A位；EF-G促进移位和去氨酰tRNA的卸载，都有GTP酶活性。PGTPPP转肽作用移

位确配对的氨酰基tRNA

进入A位。MetLysMetLysMetLysEAEAEAAUGAUGAUGEF-G转EF-Tu,肽酶连—接—与到核GTP糖体结的上合大促,

协亚进助基核与的糖A部体位分相新将对密fMet于码m子RNA从正位于的P滑位动的，t同RNA时，上EF-G转移连到接位的于GATP位的水氨解酰为基GDPtRNA，能上量，用在于A

驱位t使RNA这个上过形程成。二然肽后。，失去肽酰基的tRNA和EF-G从核糖体释放。蛋白质生物合成过程在延伸因子作用下，E位点的tRNA脱落，新的特异的氨基酰-tRNA重新进入核糖体A位点。第二节在酶的作用下，P位点的fMet转移到A位点的氨

基酰-tRNA上，形成肽键。原先P位点的tRNA进入E

位点，核糖体沿mRNA5’→3’方向移动1个密码子。fMetfMetTu

GTP5'A

U

G3'蛋白质生物合成过程第二节进位成肽转位蛋白质生物合成过程第二节肽链延伸肽链的延长下一页

终止原核生物和真核生物，终止密码子UAG、UAA和UGA。tRNA不能与终止密码子作用，而是靠特殊的蛋白质因子促成终止，这类蛋白质因子叫做释放因子。当终止密码子出现在A位时，没有相应的AA-tRNA能与之结合，而RF能识别这些密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的二酯键。具有GTP酶活性，使肽链与核糖体解体。原核生物有三种释放因子：RF1，RF2和RF3。RF1识别UAA和UAG；RF2识别UAA和UGA。RF3的作用还不明确。解离后的大小亚基又重新参加新的肽链的合成，循环往复。蛋白质生物合成过程COO第二节原核肽链合成终止过5'释放因子RF识别终止密码子，并将合-

成

的肽链从肽酰-tRNA上水解下来。mRNA

离开核糖体，核糖体大小亚基再RF次分

离。

U

A

G3'程MetMet二、真核生物多肽链合成的过程真核生物中起始密码子只有AUG，负责起始AUG识别的是tRNAi

，负责内部AUG识别的是tRNAm

。但Met-tRNAi并不被甲酰化。起始：真核生物蛋白质合成起始复合物首先在mRNA的5′末端形成，其

识

别

信

号

就

是

5

′

末

端

的

帽

子

结

构

，

还

需

要

3

′

末

端

poly(A)

的

参

与

。在

帽

子

处

形

成

复

合

物

后

，

沿

着

mRNA

移

动

，

直

到

发

现

起

始

密

码

子AUG，

起

始

因

子

从

小

亚

基

上

解

离

，

60S

亚

基

结

合

上

来

，

才

形

成

8

0S

核

糖体

。

其

过

程

与

原

核

生

物

有

许

多

相

似

之

处

，

只

不

过

参

与

的

起

始

因

子

更多

。

主

要

有

eIF1、eIF2、eIF3、eIF4A、eIF4B、eIF4C、eIF4D、eIF4E、eIF4G、eIF5等。延伸：过程和机理同原核生物。终

止

：

蛋

白

质

合

成

中

肽

链

的

终

止

过

程

、

终

止

机

理

与

原

核

生

物

的

相

似

。不

同

的

是

在

真

核

生

物

中

，

只

有

一

种

释

放

因

子eRF。eRF

需

要

GTP

与之结合

才

能

结

合

于

核

糖

体

，

GTP

可

能

在

终

止

反

应

后

被

水

解

，

这

一

作

用

可

能与eRF与核糖体的解离有关。图1-38

真核生物蛋白质的合成是小亚基识别mRNA的5′末端，然后沿着mRNA移动，在起始密码子处形成起始复合物。

起始①

核

糖

体

分

离

成

40S

和

60S两个亚基。②43S

前

起

始

复

合

物

的

形成。③

mRNA

连

接

到

前

起

始

复合物上。④60S

亚

基

与

前

起

始

复

合

物

结

合

共

同

形

成

80S

起始复合物。图1-39

真核生物蛋白质合成的起始GTP

首

先

与

eIF2

结

合

，

使

得

eIF2

与

起

始

tRNA

的

亲

合

力

增

强

，

然

后

三

者

便

结

合

成

一

个

三

元

复

合

物

。

三

元

复

合

物

直

接

与

4

0S

亚

基

结合，这一过程不需要

mRNA的存在。有效的翻译需要mRNA两端有必须的结合蛋白。如3′poly(A)尾巴结合有PAB（多聚A结合蛋白

）

，

5

′

端

结

合

有

起

始

因

子

eIF4G、eIF4E。eIF4G

与PAB

相互作用，以确认mRNA

的完整性。然后，在起始因子eIF3

的参与下带有

起

始

因

子

的

mRNA

5′

端与4

0S亚基-

三元复合物结合，这样起始复合物就形成了。在ATP

水解释放的能量作用下，起始复合物沿

着

mRNA

向

起

始

密

码

子

AUG

移

动

，

一

旦

到

达

AUG，

反

密

码

子

配

对

，

起

始

复

合

物

上

的

起

始

因

子

脱

离

，

这

时

核

糖

体

大

亚

基

与

之

结合，形成完整的80S的核糖体。新的氨酰基-tRNA占据核糖体上的A位点，随后第一个肽键形成。蛋白质生物合成过程第二节真核生物翻译起始过程点

回击

返

延长包

括

进

位

、

转

肽

和

移

位

三

个

阶

段

。

延

长

因

子

为

eEF

。

每

个将

要

进

位

的

氨

酰

tRNA

被

eEF-1α-GTP

复

合

物

带

到

核

糖

体上。当

正确的

氨酰tRNA进入A位置的时候，GTP水解，并且eEF-1α-GDP

复合物分离。真

核

生

物

的

转

肽

作

用

与

原

核

生

物

类

似

，

移

位

过

程

被

eEF-2催化，同时伴随GTP

水解，伴随着易位过程eEF-2从核糖体被释放，循环再次开始。

终止终止释放因子为eRF，它可以识别三个终止密码子UAG，UAA

和

UGA

。eRF

连

同

GTP

结

合

到

核

糖

体

的

A

位

置

，

刺

激

肽基转移酶活性变为转移肽酰基到水分子（水解），而不是

氨

酰

tRNA

，

此

时

合

成

终

止

。

80S

复

合

物

分

离

成

为

40S和60S亚基，准备下一个翻译过程。蛋白质生物合成过程第二节生物体细胞内蛋白质合成过程模拟视频(Howard

Hughes

Medical

Institute)三、蛋白质合成的抑制剂许

多

被

用

于

治