生物化学 第十四章翻译一

生物化学

第十四章翻译（Translation）蛋白质合成体系遗传密码原核细胞蛋白质生物合成过程真核细胞蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成的干扰和抑制蛋白质翻译后加工和靶向输送一、蛋白质合成体系1、翻译遗传信息传递过程:基因的遗传信息在转录过程中从DNA转移到mRNA，再由mRNA将这种遗传信息表达为蛋白质中的氨基酸。翻译:以mRNA为模板合成蛋白质的过程；

生物遗传信息传递2、蛋白质合成体系

20种氨基酸、mRNA、tRNA、核糖体（rRNA）、酶和蛋白质因子，以及无机离子、ATP、GTP,合成方向为N→C端。氨基酸--原料；

mRNA--模板；

rRNA--蛋白质合成场所；

tRNA--原料搬运；蛋白质因子--起始因子IF、延伸因子EF、释放因子RF等；酶--氨基酰-tRNA合成酶、转肽酶、转位酶等；无机离子--Mg2+。3、rRNA与核糖体（1）核糖体：rRNA与蛋白质一起构成核糖体，是蛋白质合成的场所。核糖体在细胞中以游离形式存在，或与mRNA结合成串联的多核糖体（原核生物），或与内质网结合而形成粗糙内质网（真核生物）。

(2)核糖体结构：由大、小两个在一定条件下可解聚的亚基构成原核生物：30S小亚基---21种蛋白质和16SrRNA50S大亚基---34种蛋白质和5S、23SrRNA真核生物：40S小亚基---30多种蛋白质和18SrRNA60S大亚基---50多种蛋白质和5S、23SrRNA原核生物核糖体组成真核生物核糖体组成16SrRNA的折叠结构30S小亚基中21种蛋白质的分布（中子衍射分析）（3）核糖体结构模型小亚基哑铃状，大亚基椅子状，相互结合形成结合面上的一大空隙；小亚基中的rRNA识别mRNA上多肽合成的起始位点，所以能与mRNA结合；大亚基上有两个tRNA位点：氨酰基位点（A位点）和肽酰基位点（P位点），所以能与tRNA非专一地结合。另外还有E位点（即空载tRNA的结合位点）。（4）核糖体的基本功能结合mRNA，在mRNA上选择适当的区域开始翻译；指导密码子（mRNA）和反密码子（tRNA）的正确配对；肽键的形成。5’3’原核生物核糖体结构模式30S小亚基：

mRNA结合位点50S大亚基：

E位（Exitsite），具有转肽酶活性；大小亚基共同组成：A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)

（5）多核糖体多个核糖体呈串珠状排列（间隔80个核苷酸），同时在一条mRNA上进行翻译；蛋白质开始合成时，第一个核糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸；然后核糖体向mRNA3’端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合；然后是第三个核糖体，依次下去，直至终止。每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以多核糖体在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，大大提高了翻译的效率。

4、tRNA（1）tRNA的功能结合氨基酸:一种氨基酸由几种tRNA携带，结合需要ATP供能，氨基酸结合在tRNA3’-CCA的位置；反密码子环与mRNA密码配对：每种tRNA的反密码子，决定了所带氨基酸能准确的在mRNA上对号入座；tRNA的3’-端CCA-OH：是氨基酸的结合位点。

（2）密码子与反密码子的配对关系反密码子中的碱基密码子中的碱基

GU或CCGAUUA或GI（次黄嘌呤核苷）A、U或C

但反密码子与mRNA的第三个核苷酸配对时，并不严格遵从碱基配对原则。（3）氨基酰-tRNA的写法

Arg-tRNAargMet-tRNAimet（真核）

fMet-tRNAfmet（原核）Met-tRNAemet

（原核）

5、mRNAmRNA携带DNA的遗传信息，是多肽链的合成模板；mRNA在原核细胞内，存在时间短，在转录的同时翻译；在真核细胞内，较稳定；蛋白质合成时，mRNA结合于核糖体小亚基上，大亚基结合携带氨基酸的tRNA；tRNA的反密码子与mRNA密码子配对，ATP供能，合成蛋白质；mRNA只识别tRNA，与氨基酸无关。原核生物和真核生物mRNA结构的比较

mRNA上存在遗传密码mRNA分子上从5

至3

方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码（tripletcodon）。从mRNA5

端起始密码子AUG到3

端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码一条多肽链，称为开放阅读框（openreadingframe，ORF）。框移突变：基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshiftmutation)。

mRNA编辑：由于对mRNA外显子的加工，造成mRNA与其DNA模板序列之间不匹配，使同一mRNA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mRNA编辑（mRNAediting)。

二、遗传密码1、密码子为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线性位置的三个核苷酸单位称为密码子（Codon）或三联体密码。2、密码子的破译统计学方法人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一种氨基酸合成的多肽核糖体结合试验：1965年，Nirenberg用polyU加入C14标记的20种aa，合成仅有苯丙氨酸的寡肽，UUU=苯丙氨酸，用此法破译了全部密码，编出遗传密码表。同样方法证明了CCC是Pro的密码子，AAA是Lys的密码子。polyU，ATP，GTP，氨基酸保温多聚苯丙氨酸（UUU是Phe的密码子）细菌＋矾土颗粒轻轻研磨细菌液离心，去除细胞壁和膜提取液(DNA、mRNA、tRNA、核糖体、酶、离子）DNA水解酶，20种氨基酸等蛋白质合成核糖体结合实验3、遗传密码4、遗传密码子特点

起始信号为AUG（真核为Met、原核起始为fMet，后翻译为Met）和缬氨酸的密码子(GUG)（极少出现），终止信号为UAG、UAA、UGA；（1）连续性：密码子是不重叠的，每个三联体中的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用,噬菌体

x174中某些基因之间有重叠现象。重叠密码非重叠连续的密码不连续的密码（2）摆动性：tRNA上反密码子的第1位碱基与mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基配对规律，这一现象称为摆动性。（3）简并性（degeneracy）几种密码子对应于相同一种氨基酸，色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子（UGG和AUG）；由几组密码子编码同一种氨基酸的现象称密码简并性；编码相同氨基酸的密码子称同义密码子；简并性的生物意义是减少有害突变。（4）通用性几乎所有生物都共用同一套密码。某些线粒体（如人）中遗传密码有例外，UGA不是终止密码子，而编码色氨酸；AGA和AGG不编码精氨酸，而是终止密码子；三、原核细胞蛋白质生物合成过程

蛋白质的生物合成过程以mRNA为模板，氨基酸经活化获得的氨酰tRNA为原料，GTP、ATP供能，在核糖体中完成。氨酰-tRNA通过反密码臂上的三联体反密码子识别mRNA上相应的遗传密码，并将所携带的氨基酸按mRNA遗传密码的顺序安置在特定的位置，最后在核糖体中合成肽链。肽链合成方向N→C（同位素证明）以mRNA的5’-3’方向阅读遗传密码该合成过程是一个耗能过程：合成一个n肽所需能量至少4×n＋2高能键（一）氨基酸活化（氨基酰-tRNA的合成）氨基酸的活化形式是在氨基酰合成酶作用下形成氨基酰－tRNA，氨基酸的活化部位为α－羧基，氨基酸与tRNA连接方式为酯键；反应中形成的PPi水解成正磷酸，每个氨基酸活化净消耗2个高能磷酸键；氨基酰合成酶对氨基酸绝对专一性（专一的L-氨基酸）；氨基酰合成酶具有校正活性;第一步反应:氨基酸-AMP-酶复合物的形成

RCHCOOH+ATP+合成酶RCHCO-AMP•合成酶+PPiNH2NH2

氨基酸的羧基通过酸酐键与AMP上的5’-磷酸基相接，形成高能键；

第二步反应：氨基酸的羧基通过酯键连接tRNA3’-端的AMP（-CCA3’）氨基酰-AMP•合成酶+tRNA氨基酰-tRNA+合成酶+AMP

丙氨酰-tRNA合成酶识别tRNAAla

（G=U碱基对是专一结合和酰化的唯一元件）氨酰tRNA合成酶与tRNA、ATP复合物的晶体结构（二）翻译起始（原核）翻译起始：指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物（translationalinitiationcomplex）。起始因子：参与起始过程的蛋白质因子称起始因子（initiationfactor，IF）。原核生物起始因子有三种：IF-1：占据A位防止结合其他tRNA；IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合；IF-3：促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA敏感性。1、起始密码的识别首先辨认出mRNA链上的起始密码子（常为AUG，少数为GUG）；起始密码子上游约10个核苷酸处有一段富含嘌呤的序列，称SD序列（Shine-Dalgarno），它与16SrRNA3’-端的核苷酸序列互补；甲硫氨酰-tRNA与mRNA结合到核糖体形成起始复合物。起始氨基酸是甲硫氨酸，起始的氨基酰-tRNA复合物是N-甲酰甲硫氨酰-tRNA（fMet-tRNAf)，由甲酰化酶催化Met-tRNAf上甲硫氨酸的-NH2甲基化而成。S-D序列：在原核生物mRNA起始密码AUG上游，存在4-9个富含嘌呤碱的一致性序列，如-AGGAGG-，称为S-D序列，又称为核糖体体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS)。

核糖体小亚基上的16SrRNA

2、起始复合物形成过程mRNA在IF3（起始因子）参与下与核糖体小亚基结合形成mRNA-30S-IF3复合物→在IF1和IF2参与下与fMet-tRNAi和GTP结合形成30S-mRNA-fMet-tRNAi复合物（30S起始复合物）；IF3IF1A、核糖体大小亚基分离AUG5'3'IF-3IF1B.mRNA在小亚基定位IF-3IF1IF2GTPAUG5'3'C.起始氨基酰-tRNA与小亚基结合IF3IF1AUG5'3'IF-2GTPIF2GDP+Pi50S起始过程消耗1个GTPAUG5'3'IF3IF1IF2GTPGDP+PiD.核糖体大小亚基结合50SE.fMet-tRNA占据P位点，空载A位点准备接受另一个氨酰-tRNA30S起始复合物释放出IF3→再与大亚基结合形成70S起始复合物，同时GTP水解并释放出IF1和IF2；此时，fMet-tRNA占据核糖体上的肽酰位点（P位点），空着的氨酰-tRNA位点（A位点）准备接受另一个氨酰-tRNA。（三）肽链的延长肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomalcycle)，每次循环增加一个氨基酸。分为进位（entrance）、成肽（peptidebondformation）、转位（translocation）三步。1.延伸因子(EF)1、进位：指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核糖体A位。氨酰tRNA进位，需要延长因子EFTu（Tu）的协助。

延伸因子EF-T（Tu-Ts）与GTP结合→再与氨酰-tRNA结合成氨酰tRNA-Tu-GTP复合物（释放出Ts）→复合物与70S起始复合物结合并释放出Tu-GDP，氨酰tRNA结合到A位上→Tu-GDP再与延伸因子Ts反应而重新形成EF-T（Tu-Ts）。TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP2、肽链的形成在肽酰转移酶（转肽酶）作用下由转肽酶（transpeptidase）催化形成肽键过程；通过其羧基与A位点上的氨酰tRNA上的氨基形成新的肽键→P位点上的tRNA成为空载，A位点上tRNA携带一个二肽；肽链合成方向N端→C端。肽键的生成肽酰转移酶3、移位（translocase）在移位因子（移位酶）EF－G的作用下，核糖体沿mRNA5’→3’方向作相对移动（每次移动一个密码子）；原来P位点上的空载tRNA离开核糖体，A位点上的肽酰-tRNA又回到P位点，A位点又空出以接受新的氨酰tRNA。进位转位成肽进位核糖体移位肽链的形成