第6章 分子生物学翻译

第6章翻译翻译:

是蛋白质生物合成过程中的第一步。翻译是根据遗传密码的中心法则，将成熟的mRNA分子中碱基的排列顺序（核苷酸序列）解码，并生成对应的特定氨基酸序列的过程。但也有许多转录生成的RNA，如tRNA、rRNA和snRNA等并不被翻译为氨基酸序列。

翻译分作三个阶段：起始、延长、终止。翻译主要在细胞质内的核糖体中进行，氨基酸分子通过tRNA被带到核糖体上。生成的多肽链（即氨基酸链）需要通过正确折叠形成蛋白质，许多蛋白质在翻译结束后还需要进行翻译后修饰才能具有真正的生物学活性。mRNA的遗传信息是来自于DNA，经由核糖体被各种tRNA所识别。tRNA可以识别mRNA上以三个核苷酸为代码的密码子，与它们相配的tRNA上的三个核苷酸被称为反密码子。带有特定反密码子的tRNA携带特定的氨基酸。因此通过翻译机制，mRNA上的密码子就可以被“翻译”为对应的氨基酸。氨酰tRNA合成酶是催化将与tRNA相连的氨基酸连到一起组成蛋白质的酶。UCAGUUCAGTCAGATCGAUCAGUATCGAUCAARNADNA5’3’Directionoftranscription3’TCGA5’图6.1转录时DNA可以直接作为生产RNA的模板，因为核糖体核苷酸能与脱氧核糖核苷酸结合6.1遗传密码mRNADirectionoftranslationAUCUCAGCGUUCA5’3’UGHistRNAUAlaNH2fMetCysNH2ACGAAUGCAUGAGCU图6.2翻译时RNA不能直接作为生产氨基酸模板遗传密码是一组规则，将DNA或RNA序列以三个核苷酸为一组的密码子翻译为蛋白质的氨基酸序列，以用于蛋白质合成。几乎所有的生物都使用同样的遗传密码，称为标准遗传密码；即使是非细胞结构的病毒，它们也是使用标准遗传密码。但是也有少数生物使用一些稍微不同的遗传密码。图6.3遗传密码UUUUUCUUAUUGCUUCUCCUACUGAUUAUCAUAAUG=MetGUUGUCGUAGUGUCUUCCUCAUCGCCUCCCCCACCGACUACCACAACGGCUGCCGCAGCGUAUUACUAA=StopUAG=StopCAUCACCAACAGAAUAACAAAAAGGAUGACGAAGAGUGUUGCUGA=StopUGG=TrpCGUCGCCGACGGAGUAGCAGAAGGGGUGGCGGAGGGUCAGUCAGPheLeuLeulleValAspGluAsnLysAlaGlySerArgArgHisGlnSerProThrTyrCysUCAGUCAGUCAGUCAGFirstposition(5’end)Thirdposition(3’end)Secondposition64种密码子以及氨基酸的标准配对。第二位碱基UCAG第

一

位

碱

基UUUU(Phe/F)苯丙氨酸

UUC(Phe/F)苯丙氨酸

UUA(Leu/L)亮氨酸

UUG(Leu/L)亮氨酸

UCU(Ser/S)丝氨酸

UCC(Ser/S)丝氨酸

UCA(Ser/S)丝氨酸

UCG(Ser/S)丝氨酸

UAU(Tyr/Y)酪氨酸

UAC(Tyr/Y)酪氨酸

UAA终止

UAG终止

UGU(Cys/C)半胱氨酸

UGC(Cys/C)半胱氨酸

UGA终止

UGG(Trp/W)色氨酸

CCUU(Leu/L)亮氨酸

CUC(Leu/L)亮氨酸

CUA(Leu/L)亮氨酸

CUG(Leu/L)亮氨酸

CCU(Pro/P)脯氨酸

CCC(Pro/P)脯氨酸

CCA(Pro/P)脯氨酸

CCG(Pro/P)脯氨酸

CAU(His/H)组氨酸

CAC(His/H)组氨酸

CAA(Gln/Q)谷氨酰胺

CAG(Gln/Q)谷氨酰胺

CGU(Arg/R)精氨酸

CGC(Arg/R)精氨酸

CGA(Arg/R)精氨酸

CGG(Arg/R)精氨酸

AAUU(Ile/I)异亮氨酸

AUC(Ile/I)异亮氨酸

AUA(Ile/I)异亮氨酸

AUG(Met/M)甲硫氨酸,起始1

ACU(Thr/T)苏氨酸

ACC(Thr/T)苏氨酸

ACA(Thr/T)苏氨酸

ACG(Thr/T)苏氨酸

AAU(Asn/N)天冬酰胺

AAC(Asn/N)天冬酰胺

AAA(Lys/K)赖氨酸

AAG(Lys/K)赖氨酸

AGU(Ser/S)丝氨酸

AGC(Ser/S)丝氨酸

AGA(Arg/R)精氨酸

AGG(Arg/R)精氨酸

GGUU(Val/V)缬氨酸

GUC(Val/V)缬氨酸

GUA(Val/V)缬氨酸

GUG(Val/V)缬氨酸

GCU(Ala/A)丙氨酸

GCC(Ala/A)丙氨酸

GCA(Ala/A)丙氨酸

GCG(Ala/A)丙氨酸

GAU(Asp/D)天冬氨酸

GAC(Asp/D)天冬氨酸

GAA(Glu/E)谷氨酸

GAG(Glu/E)谷氨酸

GGU(Gly/G)甘氨酸

GGC(Gly/G)甘氨酸

GGA(Gly/G)甘氨酸

GGG(Gly/G)甘氨酸

遗传密码在纤毛虫和线粒体中的改变

遗传密码的特点(1)遗传密码是三联体密码。(2)遗传密码无逗号。(3)遗传密码是不重迭的。(4)遗传密码具有通用性。(5)遗传密码具有简并性(degeneracysynonyms)。(6)密码子有起始密码子和终止密码子。

遗传密码的破译1954年G.Gamov对破译密码首先提出了设想若一种碱基对应与一种氨基酸，那么只可能产生4种氨基酸;若2个碱基编码一种氨基酸的话，4种碱基共有42=16种不同的排列组合;3个碱基编码一种氨基酸，经排列组合可产生43=64种不同形式若是四联密码，就会产生44=256种排列组合。Codons

UCAGAminoAcidsaa1aa2aa3aa4Codons

UUUCUAUGCUCCCACGAUACAAAGGUGCGAGGAminoacidsaa1aa2aa3aa4aa5aa6aa7aa8aa9aa10aa11aa12aa13aa14aa15aa16FirstbaseUCAGSecondbase

UCAGUCAGUCAGUCAGCodonsUUUUUCUUAUUGUCUUCCUCAUCGUAUUACUAAUAGUGUUGCUGAUGGAminoacidsaa1aa2aa3aa4

aa5aa6aa7aa8

aa9aa10aa11aa12

aa13aa14aa15aa16SecondbaseUCAGThirdbase

UCAGUCAGUCAGUCAGFirstbaseU*IfeachcodonhasonebaseIfeachcodonhastwobasesIfeachcodonhasthreebases*CodonsandaminoacidsfromusingC,AorGasthefirstbasearenotlistedinthiscase.6.2原核生物翻译机理核糖体是细胞内一种核糖核蛋白颗粒(ribonucleoproteinparticle)，主要由rRNA和蛋白质构成，其惟一功能是按照mRNA的指令将氨基酸合成蛋白质多肽链，所以核糖体是细胞内蛋白质合成的分子机器。

原核和真核生物核糖体的组成及功能核糖体亚基rRNAs蛋白RNA的特异顺序和功能

细菌70S50S23S=2904b32种(L1-L32）含CGAAC和GTψCG互补2.5×106D5S=120b66%RNA30S16S=1542b21种(S1-S21)16SRNA(CCUCCU)和S-D顺序(AGGAGG)互补

哺乳动物80S60S28S=4718b50种有GAUC和tRNAfMat的TψCG互补4.2×106D5S=120b60%RNA5.8S=160b

40S18S=1874b33种和Capm7G结合

图6.4原核生物与真核生物核糖体的组成16SrRNA5SrRNA23SrRNA30Ssubunit50Ssubunit70Sprokaryoticribosome18SrRNA5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA40Ssubunit60Ssubunit80SeukaryoticribosomeProkaryoticEukaryoticL2L3L32S1S2S3S21L132proteinsoflargesubunit(L1~L32)21proteinsofsmallsubunit(S1~S21)L2L3L50S1S2S3S33L150proteinsoflargesubunit(L1~L50)33proteinsofsmallsubunit(S1~S33)多聚核糖体：原核生物中带有很多核糖体的mRNA称为多聚核糖体。开放阅读框（OpenReadingFrame）

就是直接翻译成蛋白质的那段DNA序列。从atg开始到终止密码子结束，中间没有内含子。非翻译区（UnTranslatedRegions)转录产物开头和末尾不翻译成蛋白质的那段序列。6.2.1起始

ACGAGGCTTTCTCCTCCTCCCTGCTCGGCCTCCATTCGCCGTCCGCGGTTCTCTCCACCG

AACAAGCTCACACATCAAGACAATAAATAGAGCCTCGTCTGTTTGGGGCCAATCAAACCA

AACAACAAGTTCATGTCTGATCTCGACGTCCAGGTTCCAACTGCTTTTGATCCGTTTGCT

M

S

D

L

D

V

Q

V

P

T

A

F

D

P

F

A

GAGGCAAATGCTGAGGACTCCGGCGCTGGTGCTGGATCAAAGAACTATGTGCATGTGCGT

E

A

N

A

E

D

S

G

A

G

A

G

S

K

N

Y

V

H

V

R

GTACAGCAGCGCAACGGAAGAAAGAGTCTGACAACTGTTCAGGGCTTGAAGAAAGATTAC

V

Q

Q

R

N

G

R

K

S

L

T

T

V

Q

G

L

K

K

D

Y

AGCTACAACAAGATTCTCAAGGATCTCAAAAAGGAGTTCTGCTGTAATGGTACTGTAGTC

S

Y

N

K

I

L

K

D

L

K

K

E

F

C

C

N

G

T

V

V

CAGGATCCAGAACTAGGCCAGGTCATTCAACTCCAAGGTGATCAGCGTAAAAATGTTGCT

Q

D

P

E

L

G

Q

V

I

Q

L

Q

G

D

Q

R

K

N

V

A

ACTTTTCTAGTTCAGGCTGGACTTGCAAAGAAAGAGAGCATCAAGATTCACGGATTTTAG

T

F

L

V

Q

A

G

L

A

K

K

E

S

I

K

I

H

G

F

*

GCAACACACAAATGCCCGTGTGCCGTCACCGAAGCCTGGAAGTTGTCATATACTTGGTATTGTCACATCTAAGACATTTGAATTGCTAGTAGTCGTGTGAGGCATCTGTGTTTGATGCACTTCTACACCAAGACATTTGAATTGGCATCGGTGTGTTGATGCAAGTTGTCCTTCACCATGGTTTGTATGCGCCACCAGTATGGCAGTATGGTTTATCCAGGTTAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

羊草eIF1基因的全长cDNA图6.5SD序列可以通过与16SrRNA杂交而被识别。SD序列标明了哪一个AUG应该作为起始密码子。SDsequence5’-CAGUACGUC

UUGACCUAUGGACGAUCUU---mRNA16SrRNAin30SribosomalsubunitA•UG•CG•CA•UG•CG•CU•AUCUCGCUA3’StarttomakeproteinherefMetAspAspLeuSD序列（Shine-Dalgarnosequence）：mRNA中用于结合原核生物核糖体的序列。

SD序列在细菌mRNA起始密码子AUG上游10个碱基左右处，富含嘌呤的碱基序列，能与细菌16SrRNA3’端识别，帮助从起始AUG处开始翻译。在原核生物中，核糖体中与mRNA结合位点位于16SrRNA的3`端，mRNA中与核糖体16SrRNA结合的序列称为SD序列(SDsequence)，它是1974年由J.Shine和L.Dalgarno发现的，故此而命名。SD序列是mRNA中5`端富含嘌呤的短核苷酸序列，一般位于mRNA的起始密码AUG的上游3至11个核苷酸处，并且同16SrRNA3`端的序列互补。

tRNA的结构三叶草型的二维结构(1)各种tRNA均含有70~80个碱基，其中22个碱基是恒定的。(2)5’端和3’端配对（常为7bp）形成茎区，称为受体臂（acceptorarm）或称氨基酸臂。在3’端永远是4个碱基（XCCA）的单链区，在其末端有2’-OH或3’-OH，是被氨基酰化位点。此臂负责携带特异的氨基酸。

(3)TψC常由5bp的茎和7Nt和环组成。此臂负责和核糖体上的rRNA识别结合；(4)反密码子臂(anticodonarm)常由5bp的茎区和7Nt的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。(5)D环(Darm)的茎区长度常为4bp，也称双氢尿嘧啶环。负责和氨基酰tRNA聚合酶结合;(6)额外环(extraarm)可变性大，从4Nt到21Nt不等，其功能是在tRNA的L型三维结构中负责连接两个区域（D环－反密码子环和TψC-受体臂）。tRNA的三维结构图6.6原核生物中N-甲酰甲硫氨酸连接的起始tRNA。CH3SCH2CH2CHCONHCHOfMetACCOOHCH2POOOAOOOHCH2POOOOCON-formylmethionine(fMet)ProkaryoticinitiatorfMet-tRNA5’5’3’3’4’2’1’图6.730S起始复合体AUG5’3’mRNAfMetACCUAC•••30SribosomalsubunitInitiationcodon30S起始复合体：30S亚基、mRNA和起始tRNA的集合称为30S起始复合体。起始因子（initiationfactors,IF)参与蛋白质起始复合物的形成IF-1：

1.结合到30s亚基的A位点上

2.阻止氨酰tRNA与A位结合，

3.阻止30s亚基和50s亚基结合。

IF-2:

1.使fMet-tRNA特异的结合到P位点上

2.与GTP结合为70亚基的形成提供能量

IF-3：

1．使30S亚基与mRNA的特异位点结合

2．能保持30s亚基的稳定性，阻止30s亚基和50s亚基结合核糖体的作用位点⑴A位点（或称acceptorsite）可以进入氨基酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)。⑵P位点(或称供位，donorsite)是被肽基酰-tRNA(peptidyl-tRNA)所占据。(3)E位点(Exitsite)脱酰tRNA(deacylated-tRNA)短暂地占据。图6.8(a)70S起始复合体上的三个tRNA结合位点；(b)起始tRNA最初结合在P位。UAC•••5’3’mRNAPsiteAsiteEsitefMetAUGCAGGCUACGGAGACUAGG5’3’mRNAAUGCAGGCUACGGAGACUAGG(a)(b)6.2.2延伸在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位、转位和移位三个步骤：进位：为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的A位，称为进位。转位：涉及肽键的形成。移位：转位作用发生后，氨基酸都位于A位，P位上无负荷氨基酸的tRNA就此脱落，核蛋白体沿着mRNA向3’端方向移动一组密码子，使得原来结合二肽酰tRNA的A位转变成了P位，而A位空出，可以接受下一个新的氨基酰tRNA进入。以后，肽链上每增加一个氨基酸残基，即重复上述进位、转位、移位的步骤，直至所需的长度，实验证明mRNA上的信息阅读是从5’端向3’端进行，而肽链的延伸是从氨基端到羧基端。所以多肽链合成的方向是N端到C端。图6.9翻译延伸的循环机理AUG123aa1AUG123aa1Peptidyltransfer(Round1)MetMetfftRNA1enteringAUG123aa1fMetTranslocationAUG123aa1Metfaa2tRNA2enteringInitiatortRNAleavingAUG123Metfaa2aa1Translocation4AUG123aa145Metfaa2tRNA1leavingaa3tRNA3enteringAUG123aa1Metfaa2Peptidyltransfer(Round2)tRNA2O图6.10肽键形成，由肽基转移酶催化。AUG123aa1Metfaa2HNCCR1OHNHCCR2O••tRNA1OAUG123Metfaa2aa1tRNA2ONCCR1ONHCCR2OtRNA1OHHHHHHPsiteAsitePsiteAsitePeptidyltransferase肽基转移酶：在核糖体内催化形成肽键的酶称为肽基转移酶。过去认为，大亚基的蛋白质具有酶的活性，促使肽键形成，故称为转肽酶。20世纪90年代初，H.F.Noller等证明大肠杆菌的23SrRNA能够催化肽键的形成，才证明rRNA是一种核酶，从而根本改变了传统的观点。核糖体催化肽键合成的是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助的作用。延伸因子是参与蛋白合成过程中肽链延伸的蛋白因子，在原核生物中有三种延伸因子，即EF-Tu、EF-Ts、EF-G。原核生物蛋白质合成的延伸因子

因子基因功能抑制剂EF-TutufA,tufB与氨基酰tRNA黄色霉素及GTP结合EF-Tstsr结合EF-Tu，取代GDPEF-G结合核糖体梭链孢酸

和GTP

终止密码UAA,UGA,UAG；在E.coli中释放因子（releasefactors（RF））;终止反应是释放因子识别终止位点并与之结合，激活肽基转移酶，水解了P位点上多肽与tRNA之间的键，然后释放了多肽和tRNA。在真核系统中只有一种释放因子——eEF可识别3种终止密码子。6.2.3终止释放因子（releasefactors，RF）：又称终止因子。在GTP存在下能识别终止密码子的一种因子。其作用是终止肽链合成并使肽链释放出核糖体。RF与核糖体A位结合后，活性肽基转移酶水解P位上的tRNA与肽链之间的链，把P位上的肽基转移至水分子。随后，新生肽链与最后一个去酰化的tRNA释放出核糖体。在原核生物中发现三个释放因子RF-1，RF-2，RF-3。

图6.11翻译终止机理StopcodonGlySerUAAReleasefactorPheAlaLeuValLys6.3真核生物翻译真核生物的翻译和原核生物的最大区别：

原核生物起始tRNA携带N-甲酰甲硫氨酸起始阶段

真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸

但只能跟起始密码子结合。

扫描：为寻找起始密码子的位置，48S复合体会从mRNA的5`帽结构开始沿mRNA滑行，这一过程称为扫描。在大部分mRNA中，遇到的第一个AUG会被作为起始密码子。AUGAUG40SScanningTranslationinitiationmRNAIRESAUGTranslationinitiationAUG40SsubunitentersIRESsitedirectly80S80S(a)TranslationinitiationatAUGchosenbyscanning(b)TranslationinitiationatIRESsite40SAUGAUGmRNA图6.12通过扫描寻找AUG(a)和通过直接进入IRES位点(b)启动的翻译。IRES:内部核糖体进入序列IRES为内核糖体进入序列（internalribosomeentrysite），它可翻译一条mRNA上的两个开放读框，由其连接的两个基因的表达率相同。真核起始因子(eukaryoticinitiationfactor，eIF)，又称为真核翻译起始因子，是指参与真核翻译起始这一过程的蛋白质。与原核起始因子只有三种（IF1、IF2、IF3）相比，真核起始因子种类多且复杂，目前已鉴定的真核起始因子共有12种。通过这些真核起始因子之间以及不同的真核起始因子与核糖体、mRNA和起始tRNA之间的相互作用，来完成真核生物的翻译起始。因此相比于原核生物，真核生物的翻译起始过程更多得依赖于蛋白质与蛋白质以及蛋白质与RNA之间的相互作用，而非RNA与RNA间的相互作用。eIF1是一种参与真核翻译起始的重要的蛋白质。eIF1在起始密码子AUG的识别中发挥重要的作用，它能使起始密码子的识别具有很高的保真度。在酵母中，eIF1是维持其生存不可或缺的蛋白质。eIF1A是一种在真核翻译起始进程中发挥重要作用的蛋白质，也是一种RNA结合蛋白。其主要的功能是稳定Met-tRNAi与40S核糖体亚基间的结合，参与激活