生物化学学习资料：第十五章 蛋白质的合成

第十五章蛋白质的合成

第一节MRNA2、糖基化

一、原核生物MRNA的结构3、甲基化

二、真核生物MRNA的结构4、磷酸化

第二节遗传密码（五卜原核生物的翻译调控

一、遗传密码的破译四、真核生物的蛋白质合成

二、遗传密码的特点（一）、翻译起始

第三节核糖体（二卜延伸

一、核糖体的结构与组成1、入位

二、RRNA与核糖体蛋白的结构与功能2、肽键形成（转肽）

（一）、rRNA的结构与功能3、移位

（二”核糖体蛋白的结构与功能（三）、终止

第四节蛋白质合成的机理（四）、真核生物的翻译后加工

一、氨酰TRNA合成醮：氨基酸的活化1、切除加工

和氨酰TRNA的合成2、糖基化

（一）、活化3、羟基化

（二）、连接4、磷酸化

二、蛋白质合成的一般过程5、亲脂修饰

（一）、翻译起始6、甲基化

（二）、延伸7、二硫键形成

（三）、终止（五卜真核生物的翻译调控

（四）、翻译后加工1、mRNA向细胞质的运输

三、原核生物的蛋臼质合成2、mRNA的稳定性

（一）、翻译起始3、翻译的负调控

（二人延伸4、起始因子磷酸化。

1、新氨酰IRNA入位5、translationalframeshifting

2、肽键形成（转肽）五、蛋白质合成后的定向转运

3、核糖体移位。（一）、信号肽：翻译转运同步机制

（三人终止（二）、翻译后转运机制（posttranslational

（四）、原核生物的翻译后加工[ranslocation）

1、切除加工六、蛋白质的折叠

对于终产物为RNA的基因，只要进行转录及转录后的处理，就完成了基因表达的全过程。

而对于终产物是蛋白质的基因，还必须将mRNA翻译成蛋白质。

因此，蛋白质是基因表达的最终产物（基因表达的最终产物还包括tRNA、rRNA及其他

RNA）,蛋白质的生物合成过程实质上也是基因表达的一个过程，它包括转录和翻译。从化学

的角度讲，蛋白质的合成就是20种基酸按照特定地顺序聚合成多肽并按照一定的折叠机制折

叠成最终的活性构象状态。那么，我们要问，在生物体内是谁直接决定着蛋白质合成的氨基

酸顺序从而最终主宰了它的高级结构和功能的呢？mRNA。

根据中心法则，DNA特定的碱基次序A、T、G、C就象一串密码（称为遗传密码），首

先经过转录作用，DNA的A、T、G、C碱基序列严格按照碱基配对原则被复制成mRNA的

A、U、G、C序列，于是mRNA就直接充当了蛋白质合成的模板，mRNA的A、U、G、C

序列被转变成蛋白质的氨基酸序列，这种转变是一个质的飞跃，称为翻译，就好象把一种语

言（碱基序列）翻译成另一种语言（氨基酸序列）。

那么在翻译过程中就有两个关键性地问题：（1）遗传密码（碱基序列）到底是怎样决定

氨基酸序列的呢？也就是说什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？（2）通过什么样

的方式或机制实现碱基序列到氨基酸序列的转变？因为氨基酸不能与碱基配对，因此一个碱

基序列显然不能象转录一样简单地直接转换成氨基酸序列，而必须通过一种中间分子（又称

接头分子）的媒介作用来实现，而旦这种接头分子要能同时识别碱基序列和它所决定的氨基

酸序列。这种接头就是IRNA分子。

需要指出的是蛋白质的合成是一个复杂的过程，包括翻译、翻译后加工和定向输送以及

正确折叠，而且到现在为止，具中的许多重要方面仍在研究之中。

真核生物蛋白质的合成，需要300多种生物大分子协同工作：核糖体RNA及结合蛋白、

各种醵、各种IRNA、加工修饰酶等。

蛋白质合成的场所：标记各种a.a,注入大鼠体内，在不同时间取出肝脏，匀浆，离心分

离各种亚细胞器，分析放射性蛋白的分布，证实蛋白质的合成是在核糖体上进行的。

首先认识一下mRNA、遗传密码、和核糖体，然后再深入学习蛋白质合成的细节过程。

第一节mRNA

mRNA的概念首先是由FJacob和J.Monodl965年提出来的.因为当时已经知道编码蛋

白质的遗传信息载体DNA是在细胞核中，而蛋白质的合成是在细胞质中，于是就推测，应

该有一种中间信使在细胞核由合成后携带上遗传信息进入细胞质中指导蛋白质的合成，后来

经过众多科学家的实验，发现了除rRNA和tRNA之外的第三种RNA,它起着这种遗传信息传

送的功能，称为信使RNA（mRNA）。mRNA的半衰期很短，很不稳定，一旦完成其使命后很快就

被水解掉。

原核生物和真核生物mRNA的结构差异教大，尤其是在5'端。

一、原核生物mRNA的结构

(1)5'端SD序列

P404-P405

在起始密码子AUG上游9-13个核甘酸处，有一段可与核糖体16SrRNA配对结合的、

富含噂吟的3-9个核甘酸的共同序列，一般为AGGA,此序列称SD序列。它与核糖体小亚

基内16SrRNA的3,端一段富含喀咤的序列GAUCACCUCCUUA-OH(暂称反SD序列)互

补，形成氢键。使得结合于30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子

AUGo

(2)原核mRNA分子，许多是多顺反子。

转译时，各个基因都有自己的SD序列、起始密科子、终止密码子，分别控制其合成的

起始与终止，也就是说，每个基因的翻译都是相对独立的。如E.coli,一个7000b的mRNA

编码5种与Trp合成有关的酶

二、真核生物mRNA的结构

⑴真核生物mRNA5,端均具7rm?GpppN帽子结构，无SD序列。

帽子结构具有增强翻译效率的作用。若起始AUG与帽子结构间的距离太近(小于12个

核甘酸)，就不能有效利用这个AUG,会从下游适当的AUG起始翻译。当距离在17-80个核

甘酸之间时，离体翻译效率与距离成正比。

(2)真核生物mRNA通常是单顺反子。

真核mRNA具有“第一AUG规律”，即当5,端具有数个AUG时，其中只有一个AUG

为主要开放阅读框架的翻译起点。起始AUG具有二个特点：

(1)AUG上游的-3经常是喋吟，尤其是A。

(2)紧跟AUG的+4常常是G。

起始AUG邻近序列中，以ANNAUGGN的频率最高。若-3不是A,贝U+4必须是G。无

此规律的AUG,则无起始功能。

有关mRNA发现及其证实的细节看书P391.

第二节遗传密码

我们已经知道，多肽上氨基酸的排列次序最终是由DNA上核甘酸的排列次序决定的，而

直接决定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核甘酸的排列次序,不论是DNA还是mRNA都

是由4种核甘酸构成，而组成多肽的氨基酸有20种，显然，必须是几个核甘酸的组合编码一个

氨基酸才能应付局面.用数学方法很容易算出,如果每2个核甘酸编码1个氨基酸，那么4种核

甘酸只有16中编码方式，显然不行,如果每3个核甘酸编码1个氨基酸，则有64种编码方式,

很理想，如果4对1则有256种,太没必要也太复杂了，时刻记住生物体是一个最理想的体系.而

且科学家们用生物化学实验已经证实是3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子。

那么让我们看一下遗传密码是如何破译的。

一、遗传密码的破译

在遗传密码的破译中，美国科学家M.W.Nircnbcrg等人做出了重要贡献，并于1968年获得

了诺贝尔生理医学奖.

早在1961年，M.W.Nirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种

标记的氨基酸，经保温后得到了多聚phe-phe-phe,于是推测UUU编码phe。利用同样的方法

得至UCCC编码pro,GGG编码gly,AAA编码lys0

如果利用poly(UC),则得到多聚Ser・Leu-Ser・Leu,推测UCU编码Ser,CUC编码Leu,

因为poly(UC)有两种读码方式：UCU——CUC和CUC——UCU

采用这种方式，到1965年就全部破译了64组密码子，见表P394。

二、遗传密码的特点

在64个密码子中有61个编码氨基酸，3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，

称为终止密码子，它们是UAG、UAA、UGA,密码子AUG(编码Met)又称起始密码子。

密码子：mRNA上由三个相邻的核甘酸组成一个密码子，代表肽链合成中的某种氨基酸

或合成的起始与终止信号。

(1)方向性:从mRNA的向到3'

(2)连读性

编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列，密码子之间既不重叠也不间隔,

从起始密码子到终止密码子构成一个完整的读码框架［不包括终止子)，又称开放阅读框架

(ORF)o那么如果在阅读框中排入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误(称为

移码)O

需要指出的是，两个基因之间或两个ORF之间可能会互相部分重叠（共用部分序列）。

（3）简并性

几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。如GGN（GGA、GGU、GGG、

GGC）都编码Gly,那么这4种密码子就称为Gly的简并密码。只有Met和Trp没有简并密

码。一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。

*问题：简并性的生物学意义？

A、可以降低由于遗传密码突变造成的灾难性后果

试想，如果每种氨基酸只有一个密码子，那么剩下的44个密码子都了终止子，如果一旦

哪个基基酸的密码子发生了单碱基的点突变，那么极芍可能造成肽链合成的过早终止。如

GUU编码Ala,由于简并性的存在，不论第三位的U变成什么，都仍然编码Ala

B、可以使DNA上的碱基组成有较达的变化余地，而仍然保持多肽上氨基酸序列不变

（意思基本同上）。

（4）摇摆性

密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循A-U、G-C

的原则，也就是说密码子的碱基配对只有第一、二位是严谨的，第三位严谨度低，Crick把这

种情况称为摇摆性，有人也称摆动配对或不稳定配对。显然，密码子的第三位和反密码子的

第一位是摇摆位点。

具体说来，反密码子第一位的G可以与密码子第三位的C、U配对，U可以与A、G配

对;另外反密码子中还经常出现罕见的I,可以和密码子的U、C、A配对;这使得该类反密

码子的阅读能力更强。见表P396

*问题：细胞内有几种tRNA?

当遗传密码破译后，由于有61个密码子编码氨基酸，于是人们预测细胞内有61种，但

事实上绝大多数细胞内只有50种左右，Crick也正是在这种情况下提出了摇摆假说并合理解

释了这种情况。

根据摇摆性和61个密码子，经过仔细计算，要翻译61个密码子至少需要31种tRNA,

外加1个起始tRNA,共需32种.但是，在叶绿体和线粒体内，由于基因组很小用到的密码

子少，那么，叶绿体内就有30种左右tRNAs,线粒体只有24种。

（5）通用性：密码子在不同物种间儿乎是完全通用的。

目前只发现线粒体和叶绿体内有列外情况，这也是如火如荼的转基因的前提。但要注意

的是不同生物往往偏爱某一种密码子。

第三节核糖体

核糖体又称核蛋白体，它是蛋白质合成的场所：标记各种a.a,注入大鼠体内，在不同时

间取出肝脏，匀浆，离心分离各种亚细胞器，分析放射性蛋白的分布，证实蛋白质的合成是

在核糖体上进行的。对于真核细胞来说，核糖体按其在细胞质中的位置分为游离核糖体（合

成细胞质蛋臼）和内质网核糖体（合成分泌蛋白和细胞器蛋白）。

不论原核细胞还是真核细胞，一条mRNA可以被同时几个核糖体阅读，把同时结合并翻

译同一条mRNA的多个核糖体称为多核糖体。

一、核糖体的结构与组成

核糖体是由核糖核酸（称为核糖体核酸，rRNA）和几十种蛋白质分子（核糖体蛋白）组

成的一个巨大的复合体。不同类型生物中核糖体的结构高度保守，尽管其rRNA和核糖体蛋

白的一级结构有所不同，但其三级结构却惊人的相似。

核糖体的大亚基上有两个重要的位点：P位点是结合肽酰tRNA的肽酰基的位点，A位

点是结合氨酰IRNA的氨酰基的位点。

每个核糖体是由大小两个亚基组成，每个亚基都有自己不同的rRNA和蛋白质分子，表

P307

二、rRNA与核糖体蛋白的结构与功能

（一）、rRNA的结构与功能

结构：有大量的茎环（发夹）结构，结构复杂，可能是核糖体的钢筋骨架。

功能：

（1）蛋白质合成的施工平台（骨架）

（2）催化肽键形成的转移酶活性存在于23SrRNA上

有人小心的去掉细菌核糖体的蛋白质组分，保持rRNA的相对完整性，发现蛋白质的合

成仍可进行。

（3）参与tRNA与mRNA的结合

可能的情况是：mRNA先识别rRNA的特定序列并结合固定下来，然后tRNA再识别并固

定到rRNA特定的部位，其反密码子才与mRNA密码子配对。已经知道16SrRNA上有一段

序列与原核mRNA上的SD序列相结合。

（4）在大小亚基的聚合中起重要作用

（5）在翻译的校正和翻译的调控方面有重要功能（如可结合调控因子）

总的来说，RNA分子似乎是整个核糖体的活跃的活性中心。

（二）、核糖体蛋白的结构与功能

结构：大多数核糖体蛋白呈纤维状（可能起骨架作用），少数呈球状（可能起生物功能）。

功能：

（1）维持核糖体的结构

（2）新发现：一些核糖体蛋白具有DNA结（Heilix—turn-Heilix模块）；还有些真核核糖

体蛋白具有DNA修复功能

问题：

既然蛋白质是在核糖体之合成的，那么第一个核糖体中的蛋白组分又是怎样合成的？第

一个核糖体又是怎样出现的？

先有DNA还是先有蛋白质？

大多数科学家越来越支持RNA起源论，既然核糖体中既有蛋白质又有RNA,那么彻底

搞清楚核糖体的结构与功能及其起源也许会弄清生命的起源和演化。

RNA起源论：

第一个生活细胞里出现的是RNA分子，他同时具有信息储藏和生物演化的双重特性，也

就是说既可以在一定程度上复制自己，又可以催化一些最初的生化反应，后来，随着活细胞

的进化，DNA逐渐出现并成为更为稳定的遗传信息储存分子。

第四节蛋白质合成的机理

真核生物和原核生物在登白质合成方面有许多共同之处，因此，我们先学习蛋白质合成

的一般过程，然后分别看一下原核和真核蛋白质合成的具体过程。

游离氨基酸在掺入肽链以前必须活化以获得额外的能量，每一种游离氨基酸首须在专一

的氨酰IRNA合成酶的帮助下与专一的IRNA相连（有人称装载，LOAD）,然后由tRNA负

责将它带到核糖体上的特定位点（A位点上）并添加到正在合成的肽链C末端，这种从游离

氨基酸到形成氨酰tRNA的过程既是氨基酸的活化过程.，也是肽链每合成一步或延伸一步的

必经准备阶段。下边我们先看一下这个过程是怎样完成的？

一、氨酰tRNA合成酶：氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成

基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步，由氨酰tRNA合成酶催化。

氨酰tRNA合成酶既能识别氨基酸，又能识别tRNA。

（一）、活化

在Mg2+的存在下，氨酰tRNA合成酶首先识别并结合专一的配体氨基酸，然后氨基酸的

竣基与细胞环境中的ATP发生反应形成一个酸酢型的高能复合物（氨酰AMP中间复合物）。

该中间复合物暂时结合在酶上。

酶/

氨基酸+ATP诅1AMP-酷+PPI

（二人连接

由于氨酰tRNA合成酸上还存在专一的IRNA识别位点，因此特定的游离IRNA就会识

别并结合到氨酰AMP-酶复合物的活性部位，此时氨基酸就会被转移到tRNA的3端，其竣基

与tRNA3端的自由-0H形成氨酰酯键，从而形成氨酰IRNA,这也是一个高能化合物，其能

量足以形成肽键。由于氨酰tRNA能量低于氨酰AMP,所以这一过程是可以自发的。

氨酰AMP-酶fRNA、氨酰tRNA+AMP+酶

—>

氨基酸一旦与tRNA形成氨酰tRNA后进一步的去向就由tRNA来决定了，tRNA凭借自

身的反密码子与mRNA上的密码子相识别，从而把所携带的氨基酸送到肽链的一定位置上。

每一个密码子对应的肽链位置.上都能掺入正确的氨基酸。

结论：

（1）氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步，每一种氨基酸在被

掺入肽链之前都首先被活化和连接在专一tRNA上，活化和连接都发生在氨基酸的竣基上。

（2）载体tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别而把所携带的氨基酸

送到肽链的一定位置上

（3）遗传信息是通过mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子间碱基配对作用翻译出

来的。

氨酰IRNA合成腋：

每一种氨基酸都有至少一种专一的氨酰tRNA合成酶，它即能识别氨基酸，又能识别

tRNA,从而把特定的氨基酸连到对应的IRNA上，有人也把氨酰tRNA合成醐的双向识别功

能称为第二遗传密码。

不同的氨酰tRNA合成酶在分子量、氨基酸序列、亚基组成上差异较大。它是如何识别

氨基酸的呢？仍不甚清楚。一些氨基酸由于结构上的显著特征容易识别如大小不同（Trp与

Gly）,带正负电荷（lys,asp）,而一些氨基酸结构极其相似，如lie与Vai仅差一个甲基。尽

管如此tRNA"。合成酶也能正确识别，但有时也能错误的形成Vai-tRNA叱但是每一种氨酰

-tRNA合成酶都有一个校正位点，由于大小原因，只riValtRNA"c才能结合到校正位点，然

后合成酶将Vai又从tRNA0。上将其水解下来。

氨酰-tRNA合成酶还能正确的识别和结合tRNA,对于一些酶来说，tRNA上的反密码子

是其识别特征，此外，tRNA上的受体茎环（acceptorstem）也是识别特征。

tRNA分子的突变与校正基因

可以说［RNA是一个万能接头：

（1）对氨酰-tRNA合成酶的识别位点（接头合成酶）

（2）3端・CCA上的氨基酸运载位点（接头氨基酸，装载）

（3）对核糖体的识别位点（将氨基酸运送到目的地）

（4）反密码子位点（接头MRNA,验货并卸载）

同复突变：突变型生物有时重所获得其原有的性状，这是通过突变型遗传物质的化学变

化而发生的。这种变化使遗传物质恢复到有功能的状态，重所获得原有的表型，这种过程称

为回复，被回复的生物称为回复子。

回复突变的原因很多，其中有一种回复突变是由其在基因上发生一个突变引起的，这称

为基因校正突变。大多数较E突变发生在tRNA基因上。

举例：基因间校正突变

图

当有某种IRNA突变分子出现时，必定还有可以识别正常密码子的该种IRNA存在。

二、蛋白质合成的一般过程

蛋白质合成的一般过程如图18.3,

可以分为三个阶段：起始、延伸、终止，分别由不同的起始因子、延伸因子和终止因子

（释放因子）参与。

（一）、翻译起始

（1）小亚基与mRNA结合

（2）起始氨酰tRNA进入P位点，它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配

对。

（3）大亚基与小亚基结合形成起始复合物。

（二）、延伸

方向：mRNA夕______白，

新生肽：W

（1）就位;第二个氨酰tRNA通过密码子一反密码子的配对作用进入核糖体的八位点（氨

基位点）。

（2）转肽：在大亚基上肽酰转移酶（peptidyltransferase）的作用下，A位点氨基酸的

A・氨基亲核攻击P位点氨基酸的竣基基团并形成肽键，结果两个氨基酸均连到了A位点的

tRNA上，该过程称为转肽作用（transpeptidation）,此时，P位点上卸载的tRNA从核糖体上

离开。

（3）移位（translocation,也可称转位）：核糖体沿着mRNA移动1个密码子位置，携带

肽链的tRNA转位到P位点，A位点空出以便接纳下一个氨基酸。

（三）、终止

由于终止密码子不能结合任何氨酰IRNA,于是肽链合成的终止因子（又称释放因子）识

别并结合到终止密码子上，接着肽转移醐的酯化酶功能转变成水解功能，将肽链从P位点

tRNA上水解掉，核糖体释放掉mRNA并解体成大小亚基，翻译结束。

在翻译过程中除了核糖体大小亚基、mRNA和氨酰tRNA外，还需要GTP和许多蛋白

辅助因子。这些辅助因子有的起催化作用，有的起改变和稳定构象作用。

（四人翻译后加工

不论原核生物还是真核生物，翻译完成后，一些肽链能直接折叠成最终的活性形式，不

需要加工修饰，然而经常的情况是新生肽链需要加工修饰（称为翻译后加工或修饰）包括：

（1）切除部分肽段（蛋白酶）、（2）在特定氨基酸残基的侧链上添加一些基团（共价修饰）、

（3）插入辅因子，还有些单肽要聚合成多亚基蛋白。

翻译后加工有两方面目的：

（1）功能需要

（2）定向转运的需要（这在真核生物中尤为复杂，合成的蛋白要定向运输到细胞质、质

膜、各种细胞器如叶绿体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体等）。

尽管原核生物与真核生物在蛋白质合成方面有许多相似之处，但也存在差异，这些差异

正是一些抗生素治疗和研究应用的基础。见表18.2

表18.2蛋白质合成的选择性抗生素抑制剂

抗生素作用

氯霉素与50s亚基结合，抑制原核肽转移酶

cycloheximide抑制真核肽转移酶活性

Erythromycin抑制原核肽链延伸

链霉素、卡那霉素结合到原核30S亚基上引起读妈错误，导致合成的多肽连一级

结构改变

Tetracycline与30S亚基结合，干扰氨酰IRNA的结合

三、原核生物的蛋白质合成

原核生物（大肠杆菌）每秒钟可翻译20个氨基酸，比真核生物快得多，血真核生物每分

钟才大约50个氨基酸。

（一）、翻译起始

（图18.5）

翻译是从形成起始复合物开始的，在原核生物中该过程需要三个起始因子参与：IB,IF?,

和冷。（IF1的功能尚不清楚）。

（1）IF3首先结合在30s亚基上，防止它过早地与50S亚基结合。

（2）mRNA结合到30s亚基上。

原核mRNA上在距起始密码子上游约10bp处有一段很短的（约10bp）富含嚓吟的区域

称为SD序列，它能与30S亚基上的16SrRNA3端的一段互补序列（不妨称反SD序列）配

对结合，mRNA正是通过其SD序列与16SrRNA的配对结合而使它处于核糖体上的恰当的

位置，并使起始密码子AUG处于P位点。SD序列与16SrRNA的配对还为识别起始密码子

和Met密码子提供了一种机制。

原核多顺反子mRNA上的每一个基因都有自己的SD序列、起始密码子和终止密码子，

每一个基因的翻译都是相对独立的。

（3）回、fMelRNAfm”结合到30s亚基上

IF2是一个GTP结合蛋白，它先与30S亚基结合并促使起始氨酰tRNA的密码子与mRNA

上的AUG结合（P位点）。原核生物的起始氨酰tRNA是N一甲酰甲硫氨酰tRNA

fmct

（fMct-tRNA）o

（4）50s大亚基结合到30s小亚基上，形成起始复合物。

GTP水解成GDP释放的能量引起30S亚基构象变化，50s亚基结合到30s亚基上，同时

IF2和IF3释放。

因此，原核生物肽链合成的起始复合体由mRNA、70s核糖体、fMet-tRNAMi组成。

（二）、延伸

肽链延伸分三步进行：（1）新的氨酰tRNA进入核糖体的A位点；（2）肽键形成（转肽）；

（3）核糖体移位（转位）。这三步构成了肽链延伸的一个循环。

1、新氨酰tRNA入位

图18.6

首先，在进入A位点之前，新氨酰tRNA必须与延伸因子EF—TU—GTP结合。延伸因

子EF—TU是一个GTP结合蛋白，参与氨酰RNA的就位。氨酰RNA就位后，EF-TU—GTP

水解，EF—TU—GDP从核糖体上释放下来，在第二个延伸因子EF-Ts帮助下EF—Tu—GDP

释放掉GDP并重新结合一分子GTP再生成EF—Tu—GTPo

2、肽键形成（转肽）

肽键是在肽酰转移酶催化下形成的，现在认为肽酰转移酣活性存在于50S亚基23SrRNA

上。驱动肽键形成的能量由P位点上的氨基酸与它的tRNA的高能肽酰再旨键提供。新肽键形

成后P位点卸载的tRNA就离开核糖体。

3、核糖体移位。

移位需要另一个GTP结合蛋白EF-G（延伸因子G,又叫移位酶）的参与。现在认为，

GTP水解成GDP时释放出的能量促使核糖体构象发生变化，驱动肽酰tRNA从A位点移动到

P位点。空下的A位点等待接纳下一个氨酰tRNAo

EF—Tu：机动蛋白（motorprotein）

多亚基的复合体（如核糖体）就象一个生化机器。它由几个相互作用的工作部件组成。

机械性的工作是力与距离的产物。每一个生化机器的设计都能非常准确地保证所施用的力的

量、所产生运动的量与方向，最后完成一项特定的工作。其中的力通常由核甘酸结合蛋白提

供，称为NTPae,实质上是机动蛋白（motorprotein,或称机械化学转换器

mcchanochcmicaltransducers）因为NTP（ATP和GTP）的水解所造成的它自身构象的变化

驱动了相连分子的构象向所需的方向转变。这种NTP水解驱动的构象变化主要定位于一个固

定化的结构单元（称为开关）。EF—Tu就是一个广泛研究的GTP结合机动蛋白。

EF—Tu有三个结构域（domain）,域1含有一个GTP结合位点和二个开关区，域2通

过一个柔软的肽段与域1相连。在结合GTP的活性状态下（EF-Tu-GTP）,EF-TU有一个

aa-tRNA结合位点。aa-tRNA与EF-Tu-GTP结合后的整个结构称为三元复合体。

EF-Tu的三个域都参与tRNA的结合。域3的几个氨基酸残基与tRNA的T（pC环相互作

用。aa-tRNA的反密码子从三元复合物上突出来，以便与mRNA的密码子相互作用。

在蛋白质合成时，EF-Tu-GDP（非活性状态）与EF・Ts相互作用释放出GDP,随后域1

的GTP结合位点结合一分子GTP并改变域1的两个开关区的构象，结果使域1与域2靠近,

形成1个aa—tRNA结合缝（bindingcleft）o一旦一个aa-tRNA结合到该裂缝中，三元复合物

就进入核糖体，aa—tRNA的反密码子与A位点上mRNAD的密码子可逆结合，核糖体构象

的变化触发EF-Tu的GTP结合位点的构象变化，随后GTP水解使域1与域2分开，aatRNA

被释放下来，EF-TU-GDP离开核糖体。

（三）、终止

当终止密码子（UAA,UAGUGA）进入A位点时肽链合成就进入终止期。原核生物有三

个释放因子（RF-l,RF-2,RF-3）参与终止。

RFi识别UAA和UAG,RF2识别UAA与UGA,RR作用尚不清楚，可能促进RFi与RF2

结合。这种识别过程需要GTP并改变了核糖体的构象，肽酰转移酶的功能发生瞬时变化，转

变成酯酶功能，将连接肽链与P位点tRNA的肽酰酯键水解开，肽链从核糖体上释放，mRNA

与IRNA解离，核糖体解体。

原核生物蛋白质合成中的能量计算（合成一个二肽）

ATPA(GTP)高能键

甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成ATP-AMP2

起始（IF-2）GTP-GDP1

第二个a.a-tRNA合成ATP-AMP2

第二个a.a-tRNA进入核糖体（EF-TU）GTP-GDP1

核糖体移位（EF-G）GTP-GDP1

终止（?）GTP-GDP1

合成二肽（形成一个肽链）需8个高能键，其后每加一个a.a需4个高能键。

例：合成200个a.a残基的多肽

8+198X4=800

4n=4X200=800

（真核：起始多1个ATP和1个GTP）

（四）、原核生物的翻译后加工

一些新生肽链从核糖体上释放下来后就直接折叠成最终的三维结构。但多数情况下是新

生肽要经过一系列的加工修饰，才具有功能。有关翻译后加工修饰的许多信息都来自真核生

物中的研究，但是原核细胞中的多肽也要经过几种类型的共价修饰。

1、切除加工

包括去掉N端的甲酰甲硫氨酸和信号肽序列。信号肽（Signalpeptide）,也叫引导肽（leader

peptide）,是决定多肽最终去向的一段序列，通常较短，典型情况下位于N端。在细菌中的

一个例子就是多肽要插入细胞质膜必须借助信号肽序列。

2、糖基化

尽管在原核生物中，绝大多数的复合糖是糖酯，但是，也有少量的糖蛋白的报道，例如

Halobacterium细胞表面的糖蛋白，有关原核生物糖基化的机制及其功能都还不知道。

3、甲基化

甲基转移酶利用硫酰甘甲硫氨酸对特定蛋白进行甲基化修饰。

在大肠杆菌和有关细菌e发现的一种甲基转移酶能甲基化膜结合的化学受体蛋白的谷氨

酸残基。这种甲基转移酶和另外一种甲基酯酶催化的甲基化/去中基化过程在细菌趋化性的信

号转导中起重要作用。

4、磷酸化

近年来，已经发现由蛋白激酶和蛋白磷酸化酶催化的蛋白质磷酸化/去磷酸化在原核生物

中十分普遍。磷酸化/去磷酸化的意义还不太清楚。目前只知在细菌趋化性和氮代谢调空中有

瞬间的磷酸化作用。

（五）、原核生物的翻译调控

蛋白质的合成是一个非常耗能的过程。每形成一个肽键要消耗4个高能磷酸键（tRNA装

载2个，aa-tRNA入位1个，移位1个）。在大肠杆菌中，用于合成的能量90%都给了蛋白质

合成。因此，其合成必然要受到严格的调控。

在原核生物中，蛋白质合成的调控多在转录的水平上（操纵子模型），有如下几个原因：

（1）转录与翻译直接偶联，转录后不久就开始翻译，

图18.7

（2）原核生物mRNA的半衰期很短，大约1〜3分钟，随着环境条件的改变，细胞内产

生的mRNA种类会迅速改变。大多数mRNA被两种核酸外切酶降解：RNAasell和多核甘酸

磷酸化酶。

除了转录调控机制外，mRNA翻译速率也是调控位点。这种翻译速率的调控大多是由于

SD序列的差异造成翻译起始效率的不同。因为SD帮助识别AUG和启动翻译的起始，因此

SD序列的变化能影响翻译的起始效率从而调控了mRNA的翻译速率。乳糖操纵子的基因产

物有3个：小半乳糖甘酶，半乳糖透过酶，半乳糖昔转甲基酶，各个顺反子（即基因之间），

常有一段非编码的间隔区。不同间隔区的长度变化，可以在1-100个之间，甚至可以重叠。

但是它们的翻译量是不等的，硫代半乳糖甘转甲基酶的量只有供半乳糖昔酶的1/5（硫代半乳

糖甘酶的功能不清楚。乳糖发酵通常都是在不能产生它的突变细胞中进行的）。

乳糖将纵子产物

7基因产物：半乳糖甘酶1

Y基因产物：半乳糖透性粉0.5

A基因产物：半乳糖乙酰化酶0.2

除了SD序列的差异外，原核生物还有一种调控机制：相对过剩的蛋白质翻译产物对自

身多顺贩子mRNA翻译的负调控。也就是说，多顺贩子mRNA的其中一个产物相对过剩时

能抑制整个多顺贩子mRNA的翻译。

图18.8

原核核糖体的55种蛋白质由20个操纵子编码。细菌的良好生长要求这些蛋白质的合成

之间及其与rRNA的合成之间协调起来。例如PL11操纵子编码核糖体蛋白L1和L11,如果

L1相对过剩就会占用了可利用的23SrRNA,结果抑制PL11mRNA的翻译。在23SrRNA缺乏

的情况下，L1蛋白也会结合在PLUmRNA的5'端抑制自身操纵子的翻译。

结论：

(1)原核生物蛋白质的合成相对较快，它需要起始因子IF-1、IF-2、1-3,延伸因子EF-TU、

EF-TS、EF-G,释放因子RF-1、RF-2、RF-3的参与。

(2)尽管原核生物基因的表达多在转录水平上进行调控，但翻译水平上的调控也时有发

生，包括SD序列对翻译起始的调控和相对过剩的翻译产物对自身多顺反子mRNA翻译的负

调控。

四、真核生物的蛋白质合成

蛋白质合成的研究最早是在哺乳动物细胞内进行的(入氨酰tRNA合成酶和tRNA的发

现)，但到6()年代后注意力却集中到了细菌。原因很简单，细菌细胞易于培养，细菌基因的

表达较简单也易于操作。进入70年代后，真核细胞的蛋白质合成又变成了研究的热点。

真核细胞的蛋白质翻译需要大量的蛋白因子，翻译后加工和定向输送比原核复杂得多。

(一)、翻译起始

真核的翻译起始比原核尤为复杂，原因如下：

(1)真核mRNA的二级结构更为多样和复杂

(2)真核mRNA是经过多重加工的，它被转录后首先要经过各种加工才能从细胞核进

入细胞质中，并形成各种各样的二级结构。一些mRNA与几种类型的蛋白质结合在一起形成

一种复杂的颗粒状，有时称核糖核蛋白粒(ribonucleoproteinparticle),在翻译之前，它的二级

结构必须改变，其中的蛋白质必须被去掉。

(3)核糖体需要扫描mRNA以寻找翻译起始位点

真核mRNA没有SD序列来帮助识别翻译起点，因此核糖体要扫描每一个mRNA。核糖

体结合到mRN八的5'端的帽子结构并向3'端移动一寻找起始位点。这种扫描过程很复杂，

知之甚少，

真核的翻译起始用到的起始因子（elF）至少有9种，多数的功能仍需进步研究。

翻译起始物的形成过程如下：

图18.9

（1）40S小亚基・（eIF-3）结合到（eIF-2-GTP）-Met-tRNAi复合物上形成40S前起始复合物

（40Spreinitiationcomplex）

这里，eIF-2-GTP介导了起始tRNA与40S小亚基的结合，然后eIF-2-GDP通过eIF-2B

（鸟昔酸释放蛋白）再生。

此时，由于eIF-3和40s小亚基相结合，eIF-6和60S大亚基相结合，所以小亚基暂时还

不能与大亚基相结合。

（2）mRNA结合到40S前起始复合物上形成40S起始复合物。

该过程需要ATP,另外还需要一些起始因子（eIF-4A>eIF-4B、eIF-4F、eIF-l）0

eIF-4F结合在mRNA5'端的帽子结构上，elF-4A（一种ATPase）和cIF-4B（一种helicase）

改变mRNA的二级结构。对真核起始因子的鉴定发现一些起始因子是更大因子的组成亚基，

如eIF-4E（也称cap结合蛋白或CBPI）就是由几个eIF-4F亚基组成。（eIF-4F常称为CBP

II）

（3）40s起始复合物扫描mRNA寻找适当的起始密码子（通常是5'端附近的AUG）。

（4）40S复合物与60S大亚基结合形成80S起始复合物。

该过程另需1个GTP。此时，60S大亚基上的eIF・6已经被释放。在形成复合物过程中，

在eIF-5参与下，eIF-2-GTP水解成eIF-2-GDP。eIF-2,eIF-3,eIF-4A,eIF-4B,eIF-4F,eIF-1

从起始复合物上释放。

因此，真核生物肽链合成起始复合物由mRNA、80s核糖体和Met-tRNAiMci组成。与原

核相比，真核起始多消耗了1个ATP（形成40S起始复合物）、1个GTP（形成80S起始复合

物）。

（二）、延伸

图18.10

与原核类似，也可分为aa・tRNA的入位、转肽、移位三步反应。

1、入位

50kD的延伸因子eEF-la-GTP与aa-tRNA结合，引导aa-tRNA进入A位点，aa-tRNA的

反密码子如果与mRNA的密码子正确配对后eEF-laGTP水解掉一个P,随后eEF-laGDP

离开核糖体，留下aa-tRNA。在eEF-m、eEF-ly的帮助下，eEF-la-GDP再生为eEF-la-GTP。

在真菌（如酵母）中，需要另一个延伸因子eEF-3与eEF・la共同引导aa“RNA的入位。

2、肽键形成（转肽）

核糖体大亚基的肽酰转移酶活性催化A位点a-氨基亲核攻击P位点的aa的粉基，在A

位点形成一个新的肽键。P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开

3、移位

移位需要一个iOOkD的延伸因子cEF-2-GTPoeEF-2-GTP结合在核糖体未知的位置上，

GTP水解成释放的能量使核糖体沿mRNA移动一个密码子的位置，然后eEF-2-GDP离开核

糖体。

（三）、终止

真核细胞中有两个释放因子eRF-1和eRF-3（GTP结合蛋白）介导终止。当GTP结合到

eRF-3后它的GTPase活性就被激活，eRF-1和eRF-3-GTP形成一个复合物，当UAG,UGA,

UAA进入A位点时，该复合物就结合到A位点.匕接着GTP水解促使释放因子离开核糖体,

mRNA被释放，核糖体解体成大小亚基，新生肽在肽酰转移酶催化下被释放。

真核生物蛋白质合成中的能量计算（合成一个二肽）

ATPA(GTP)高能犍

甲硫氨酰-IRNA合成ATP-AMP2

3

起始（IF-2）2GTP-GDP

A1P-ADP

第二个a.a-tRNA合成ATP-AMP2

第二个a.a-tRNA进入核糖体（cEF-la-GTP）GTP-GDP1

核糖体移位（eEF-2-GTP）GTP-GDP1

终止(eRF-3・GTP)GTP-GDP1

合成二肽（形成一个肽链）需10个高能键，其后每加一个a.a需4个高能键。

例：合成200个a.a残基的多肽

10+198X4=802

（4n+2）=4X200+2=802

（四）、真核生物的翻译后加工

许多新生肽要经过一种或几种共价键修饰，这种修饰可以在正延伸着的肽链中进行。一

般情况下，翻译后修饰一是为了功能上的需要，另一种情况是折叠成天然构象的需要。包括:

1、切除加工

典型的情况包括切除N-端甲硫第酸、信号肽序列和切除部分肽段将无活性的前体转变成

活性形式。

我们知道，一些酶的前体（称为前体酶proenzyme,或酶原zymegen）只有切除特定的肽

段后才能从无活性形式转变成活性形式。无活性的多肽前体称为前体蛋白（proprotein）

图18.11是胰岛素的翻译后加工

包含信号肽的胰岛素前体称为前胰岛素原（pre-proinsulin）,去掉信号肽的胰岛素的前体

称为胰岛素原（proinsulin）,进一步切除称为C链的肽段后才能形成活性形式的胰岛素（insulin）

•蛋白质内含子

90年代初，发现了两类新的内含子。

一类是蛋白质内含子，其DNA序列与外显子一起转录和翻译，产生一条多肽链，然后

从肽链中切除与内含子对应的a.a序列，再把与外显子对应的氨基酸序列连接起来，成为有功

能的蛋白质。

另一类是翻译内含子，mRNA中存在与内含子对应的核甘酸序列，在翻译过程中这一序

列被“跳跃”过去，因此产生的多肽链不含有内含子对应的氨基酸序列。

2、糖基化

真核生物中糖基化修饰很普遍，但是糖基基团的功能还不是十分清楚。通常情况下，分

泌蛋白的寡糖链较复杂，而内质网膜蛋白含有较高的甘露糖。

图18.12是N-糖首键型核心寡糖链的合成，它是在磷酸多菇醇上组装成的（多语醇存在于

所有细胞的细胞膜上，磷酸化多砧醇主要存在于内质网膜）。

3、羟基化

在结缔组织的胶原蛋白和弹性蛋白中pro和1*是经过羟基化的。此外，在乙酰胆碱酯酶

（降解神经递质乙酰胆碱‘）和补体系统（参与免疫反应的一系列血清蛋白）都发现有4-羟辅

氨酸。位于粗糙内质网（RER）上的三种氧化酶（脯氨酰-4-羟化酶，prolyl-4-hydroxylase,脯

氨酰-3-羟化酶和赖氨酰羟化酶，lysylhydroxylase）负责特定脯氨酸和赖氨酸残基的羟化。脯

氨酰-4-羟化酶只羟化-Gly-x-pro-,脯氨酰-3-羟化酶羟化Gly-pro-4-Hyp（Hyp:hydroxyproline）,

赖氨酸羟化酶只作用于-Gly-X-lys-,胶原蛋的肺氨酸残基和赖氨酸残基羟化需要Vc,饮食中

Vc不足时就易患坏血症（血管脆弱，伤口难愈），原因就是胶原纤维的结构不力（weakcollagen

fiberstructure）。

4、磷酸化

蛋白磷酸化参与代谢调控和信号转导以及蛋白与蛋白之间的相互作用。例如，PDGF受

体的酪氨酸残基经过自身磷酸化后才与细胞质定位蛋白质结合。

5、亲脂修饰

蛋白质亲脂修饰后可以改变膜结合能力和特定的蛋白与蛋白之间的相互作用。最常见的

亲脂修饰是酰化和异戊二烯化。尽管豆蔻酸在真核细胞中很罕见，但是豆蔻酰化却是最常见

的酰化形式之一。N-豆蔻酰化(豆蔻酸以酰酰氨键形式共价连在肽链N端的残基上)能增加

特定G蛋白的a亚基对膜结合的0、y亚基的亲和力。

6、甲基化

通过甲基转移酶进行。天冬氨酸的甲基化能促进已破坏蛋白的修复或降解，在2,3-二磷

酸核酮糖竣化酶(rihilose-2,3-biosphosphatecarboxylase)钙调蛋白(calmodulin)、组氨酸

(histone).某些核糖体蛋白和细胞色素C中都有甲基化的赖氨酸残基。其它可甲基化的氨基

酸残基还有His(如组蛋白、视紫红质、eEF-2)、Arg(如休克蛋白、核糖体蛋白)。

7、二硫键形成

二硫键通常只发现于分泌蛋白(如胰岛素•)和某些膜蛋白中，在细胞质中由于有各种还

原性物质(如谷胱甘肽glutathione和硫氧还蛋白ihioredoxin)所以细胞质蛋白没有二硫键。

因为内质网腔是一个非还原性环境，所以粗糙内质网上的新生肽只暂时形成二硫键。当新生

肽进入内质网腔时，一些肽馀可能会按氨基酸次序依次暂时形成二硫键，但最终会通过交换

二硫键位置的形式形成正确的结构，内质网中可能还有一种二硫键异构酶(disulfide

isomerase)催化该过程。

(五)、真核生物的翻译调控

真核的翻译调控非常复杂，总结起来有以下几个方面：

1、mRNA向细胞质的运输

核膜创造的转录与翻译的隔离为基因的表达提供了一个重要的调控机会。mRNA的加工

(内含子切除)、mRNA向细胞质的运输都是调控位点，mRNA向细胞质的运输是一个受到

严格控制的过程，并且它至少需要mRNA5'端的帽子和3'端的polyA尾巴。

2、mRNA的稳定性

mRNA的半衰期从2()分钟到24小时。在mRNA上有一些去稳定序列(destablization

sequence)，它们的二级结构是核酸酶的底物，也有些稳定序列(stablizationsequence)0特定

蛋白与mRNA上特定序列的结合能影响它的稳定性，3'端的腺昔化核去腺昔化会影响它的

稳定性核翻译活性。在核中，mRNA被加工后运输到细胞质时含有100~