第十二章 蛋白质的生物合成翻译Word文档下载推荐.docx

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mRNA作为蛋白质生物合成的直接模板，因此编码各种蛋白质的mRNA大小不同。

在各种RNA中mRNA半衰期最短，说明mRNA在细胞生命活动中代谢非常活跃。

现在认为，mRNA分子中核苷酸序列包含指导多肽链氨基酸序列合成的信息。

在mRNA信息区内，相邻3个核苷酸组成1个三联体的遗传密码（geneticcodon），编码一种氨基酸。

由A、G、C、U这4内核苷酸可组合成64组三联体的遗传密码，足够编码蛋白质的20种氨基酸。

遗传密啊吗阅读方向是从5＇到3＇。

其中几组密码有特别功能，如AUG编码多肽链内的甲硫氨酸，又可多肽合成的起始信号，称为起始密码（initiationcodon）。

而有3组密码（UAA，UAG，UGA）不编码任何氨基酸，只作为肽链合成终止的信号，称为终止密码（terminationcodon）。

有61组密码编码20种氨基酸，称为有意义密码。

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个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架（openreadingframe，ORF）。

通常开放阅读框架包含500组以上的密码。

从1961年，MarshallNirenberg等研究者在体外用细胞抽提物和人工合成的不同特异序列mRNA模板进行翻译，再分析相应合成多肽产物的氨基酸序列，研究遗传密码的意义。

到1965年确定了所有遗传密码的生物学意义，最终完成了遗传密码的破译工作（表12-1）。

遗传密码具有几个重要特点：

（一）遗传密码的连续性（commaless）

编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。

基于遗传密码的连续性，如基因损伤引起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），造成下游翻译产物氨基酸序列的改变。

多种生物基因转录后存在一种对mRNA外显子加工过程，可通过特定碱基的插入、缺失或置换，导致mRNA的转码、错义突变或提前终止。

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）简并性（degeneracy）

从遗传密码表中显示，每组密码仅编码一种氨基酸，但除甲硫氨酸和色氨酸只对应1个密码子外，其他氨基酸都有2、3、4或6个密码子为之编码，这称为遗传密码的简并性。

比较编码同一氨基酸的几组三联体简并密码可发现：

密码第一、二位碱基多相同，前2位碱基决定编码氨基酸的特异性，而仅第三位碱基差异。

如丙氨酸的密码是GCU、GCC、GCA、GCG；

而密码ACU、ACC、ACA、ACG都编码苏氨酸。

对应于这些密码第三位的碱基变异或突变并不影响所翻译氨基酸的种类。

但不同生物在翻译中，对同一氨基酸的几组密码，可表现选择某些密码优先使用的特性，即对密码的“偏爱性”。

（三）通用性（universal）

蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。

仅发现少数例外，如动物细胞的线粒体中存在独立的基团表达体系，翻译使用的密码和通用密码间有一定差别。

如用AUA兼作甲硫氨酸密码和起始密码，终止密码可为AGA、AGG，而UGA编码色氨酸等。

密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。

（四）摆动性（wobble）

转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互补与mRNA上的遗传密码反向配对结合，但反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规律，称为摆动配对。

按从5＇→3＇阅读密码规则，摆动配对在反密码的1位碱基与密码的3位碱基间更常见。

如tRNA的反密码第1位有稀有碱基次黄核苷（inosine,I）出现，可分别与密码第3位U、C、A配对（表12-2）。

摆动配对的碱基间形成的是特异、低键能的氢键连接，有利于翻译时tRNA迅速与密码分离。

这可使1种tRNA能识别mRNA的1~3种简并性密码，据计算最少32种tRNA即可满足对61种有意义密码的识别。

表12-2密码子、反密码子配对的摆动现象

tRNA反密码子第1位碱基IUGAC

mRNA密码子第3位碱基U,C,AA,GU,CUG

学习中应当学会如何应用遗传密码表从碱基序列查出氨基酸序列，或反过来根据氨基酸查出碱基三联体密码，并理解遗传密码上述的重要特点。

应该记住起始密码AUG，和终止密码UAA、UAG、UGA，而不需强记整个密码表。

二、核蛋白体是多肽链合成的装置

早在1950年，PaulZamecnik等用放射性标记氨基酸注射动物，随即分离动物肝的不同细胞组分。

发现在注射几分钟后放射性标记蛋白质首先仅出现于细胞的核蛋白体，而数小时或数天后可在所有细胞组分出现。

证明细胞中蛋白质生物合成在核蛋白体完成，进而运输到其他组分。

现在明确，核蛋白体是完成有氨基酸合成多肽链的复杂超分子生物装置。

各种细胞核蛋白体都有大、小两个亚基，每亚基都由多种核蛋白体蛋白质（ribosomalprotein,rp）和rRNA组成。

大、小亚基所含蛋白质分别称为rpL或rpS，它们多是参与蛋白质生物合成过程的酶和蛋白质因子。

rRNA分子含较多局部螺旋结构区，可折叠形成复杂三维构象作为亚基结构骨架，使各种rp附着结合，装配成完整亚基。

不同细胞核蛋白体的组分见表12-3。

表12-3原核、真核生物核蛋白体的组成

原核生物真核生物

核蛋白体小亚基大亚基核蛋白体小亚基大亚基

S值70S30S50S80S40S60S

rRNA16S-rRNA5S-rRNA28S-rRNA

23S-rRNA18S-rRNA5S-rRNA

5.8S-rRNA

蛋白质rpS21种rpL36种rpS33种rpL49种

原核生物核蛋白体的两个亚基三维构象不规则，大小亚基间存在裂隙，是mRNA及tRNA结合部位（图12-1）。

真核生物核蛋白体结构与原核相似，但组分更复杂。

小亚基

大亚基（a）

（b）

图12-1原核生物核蛋白体结构模式

a．核蛋白体大小亚基间裂隙为mRNA和tRNA结合部位

b．翻译过程中核蛋白体结构模式

三、tRNA与氨基酸的活化

蛋白质生物合成是信息传递过程。

细胞内20种氨基酸都存在时，如何能依据mRNA模板的指导，保证氨基酸排列连接成特异的多肽链序列呢？

DNA双螺旋的发现者FrancisCrick设想，应有一种小分子RNA的肽链合成中作为结合体（adaptor），该分子的一部分可结合氨基酸，另一部分可识别核苷酸密码序列。

后来证明tRNA就是这种结合体分子，tRNA能携带氨基酸，也能识别遗传密码。

各种氨基酸需要先活化，即在ATP存在时与tRNA共价结合，才能参与多肽链的合成。

一种氨基酸可以和2~6种tRNA特异地结合，已发现的tRNA有40~50种。

（一）氨基酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNAsynthetase）

所谓氨基酸活化过程，即氨基酸与特异tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程。

这一化合反应由氨基酰-tRNA合成酶催化完成。

氨基酸+tRNA+ATP氨基酰-tRNA合成酶氨基酰-tRNA+AMP+PPi

反应中tRNA能连接的氨基酸，总是按氨基酸mRNA遗传密码决定的。

氨基酰-tRNA分子中tRNA的反密码可通过碱基配对识别mRNA分子的遗传密码，使氨基酸按mRNA信息的指导“对号入座”，保证了从核酸到蛋白质遗传信息传递的准确性。

氨基酰-tRNA合成酶（E）催化氨基酰-tRNA合成过程分两步，都是在底物-酶复合物状态下进行。

第一步氨基酸结合与AMP-酶（AMP-E），形成中间产物。

AMP-E通过消耗ATP生成。

第二步才生成氨基酰-tRNA。

氨基酸+ATP-E→氨基酰-AMP-E+PPi

氨基酰-AMP-E+tRNA→氨基酰-tRNA+AMP+E

反应中氨基酸的α-羧基与tRNA的3＇端氨基酸臂-CCA的腺苷酸3＇-OH以酯键连接，形成氨基酰-tRNA。

细胞中的焦磷酸酶不断分解反应生成的PPi，促进反应持续向右进行，每个氨基酸活化需消耗2个高能磷酸键。

氨基酸与tRNA分子的正确结合，是维持遗传信息准确翻译为蛋白质过程保真性的关键步骤之一，氨基酰-tRNA合成酶在其中起着主要作用。

氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。

该酶通过分子中相分隔的活性部位分别识别结合ATP、特异氨基酸和携带简并密码的种数tRNA。

如tRNA分子氨基酸臂的G-U碱基对及7对碱基螺旋区等结构是被该酶特异识别的重要位点。

此外，氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性（proofreadingactivity），即该酶可将反应任一步骤中出现的错配加以改正。

所谓校正活性实际上是水解酯键的催化活性，即将任何氨基酰-AMP-E或氨基酰-tRNA错误产物的酯键水解，再换上与密码相对应的氨基酸。

如用三字母缩写代表氨基酸，各种氨基酸和对应的tRNA结合形成的氨基酰-tRNA可以如下方法表示，如Ala-tRNA,Ser-tRNA，Met-tRNA等。

各种Ala-tRNA生成反应，可写成反应式举例如下：

Gly+tRNA+ATP氨基酰-tRNA合成酶Gly-tRNAGly+AMP+PPi

（二）起始肽键合成的氨基酰-tRNA

密码子AUG可编制甲硫氨酸（Met），同时作为起始密码。

在真核生物中与甲硫氨酸结合的tRNA至少有两种：

tRNAi称为起始者tRNA（initistor-tRNA），在肽链延长（elongation）中携带甲硫氨酸的tRNA表示为tRNAe。

Met-tRNAe和Met-tRNAi可分别被延长或起始过程起催化作用的酶和因子所辨认。

原核生物的起始密码只能辨认甲酰化的甲硫氨酸，即N-甲酰甲硫氨酸（N-formylmethionine,fMet）。

某些原核生物还可使用GUG、UUG作为起始密码。

N-甲酰甲硫氨酸的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一，反应有转甲酰基酶催化，甲酰基从N-甲酰四氢叶酸（THFA）转移到甲硫氨酸的α-氨基上，反应如下：

第二节蛋白质的生物合成过程

RNA的碱基序列从5’端自左至右书写至3’端，对应的肽链的氨基酸序列从N端自左至右书写至C端。

翻译过程从阅读框架的5’-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止子密码出现。

终止密码前一位三联体，翻译出肽链C端氨基酸。

整个翻译过程也可分为起始、延长、终止阶段来描述。

氨基酰-tRNA的合成，是伴随着起始、延长阶段不断地进行配合着的。

此外，蛋白质合成后，还需要加工修饰。

一肽链合成起始

肽链合成起始阶段，是指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合形成翻译起始复合物（translationalinitiationcomplex）的过程。

参与这一过程的多种蛋白因子，称为起始因子（initiationfactorIF）。

真核生物（eukaryote）起始因子称为eIF，原核生物有3种IF（表12-4）。

原核和真核生物翻译起始有类似过程。

（一）原核翻译起始复合物形成

1.核蛋白体亚基分离蛋白质肽链合成连续进行，上一轮合成终止紧接下一轮合成的起始。

这时完整核蛋白体大小亚基须拆离，准备mRNA和起始氨基酰-tRNA与小亚基结合。

IF-3、IF-1与小亚基结合，促进大小亚基分离。

2.mRNA在小亚基定位结合原核生物mRNA在小亚基上定位涉及两种机制。

其一，在各种原核mRNA起始AUG密码上游越8～13核苷酸部位，存在4～9个核苷酸的一致序列，富含嘌呤碱基，如-AGGAGG-，称为Shine-Dalgarno序列（S-D序列）。

而原核小亚基16S-rRNA3’端有一富含嘧啶的短序列，如-UCCUCC，通过与S-D序列碱基配对使mRNA与小亚基结合。

S-D序列又称为核蛋白体结合位点（ribosomalbindingsite，RBS）。

其二，mRNA上紧接S-D序列的小核苷酸序列，可被核蛋白体小亚基蛋白rpS-1识别结合（图12-2）通过上述RNA-RNA、RNA-蛋白质相互作用使mRNA的起始AUG在核蛋白体小亚基上精确定位，形成复合体。

图12-2原核生物mRNA与核蛋白体小亚基结合定位的两种机制

rpS:

核蛋白体小亚基蛋白

3.起始氨基酰-tRNA的结合原核核蛋白体上有3个位点，结合氨基酰-tRNA的氨基酰位（aminoacylsite）称A位，结合肽酰-tRNA的肽酰位称P位，二者都是由大小亚基蛋白成分共同组成。

排出卸载tRNA的排出位（exitsite）称E位，主要是大亚基成分（图12-1）。

起始fMet-tRNAifMet和GTP结合的IF-2一起，识别结合对应小亚基P位的mRNA起始密码AUG，这也促进mRNA的准确就位。

而起始时A位被IF-1占据，不与任何氨基酰-tRNA结合。

4.核蛋白体大亚基结合上述结合mRNA、fMet-tRNAifMet的小亚基再与核蛋白体大亚基结合，同时IF-2结合的GTP水解释能，促使3种IF释放，形成由完整核蛋白体、mRNA、起始氨基酰-tRNA组成的翻译起始复合物。

此时，结合起始密码AUG的fMet-tRNAifMet占据P位，而A位空留，对应mRNA上AUG后的下一组三联体密码，准备相应氨基酰-tRNA的进入（图12-3）。

（二）真核生物翻译起始复合物形成

真核生物肽链合成起始过程与原核生物相似但更复杂。

真核生物有不同的翻译起始成分，如核蛋白体为80S（40S和60S），起始因子种类更多，至少有9种起始甲硫氨酸不需甲酰化等。

成熟的真核mRNA有5‘帽子和3’polyA尾结构，与mRNA在核蛋白体就位相关。

真核起始过程如下：

1.核蛋白体大小亚基的分离起始因子eIF-2B、eIF-3、与核蛋白体大小亚基结合，在eIF-6参与下，促进80S核蛋白体解离成大、小亚基。

2.起始氨基酰-tRNA结合起始Met-tRNAiMet和结合的eIF-2共同结合小亚基P位的起始位点。

3.mRNA在核蛋白体小亚基的准确就位真核mRNA不含类似原核的S-D序列，真核mRNA在核蛋白体小亚基就位，涉及多种蛋白因子形成的复合物。

其中帽子结合蛋白复合物（eIF-4F）包括eIF-4E、eIF-4G、eIF-4A个组分。

该复合物通过eIF-4E结合mRNA5‘帽子，poly结合蛋白（PAB）结合3’poly尾。

连接mRNA首尾的eIF-4E和PAB在通过eIF-4G和eIF-3与核蛋白体小亚基结合复合物。

然后通过消耗ATP从mRNA5‵端起扫描，直到起始AUG与甲硫氨酰-tRNA的反密码配对，mRNA最终在小亚基准确定位。

eIF-4F复合物组分与该过程有关，如eIF-4A有RNA解螺旋酶活性，可消耗ATP松懈mRNA的AUG上游5‵区段的二级结构以利于mRNA的扫描，eIF-4B也促进扫描过程。

4.核蛋白体大亚基结合已经结合mRNA、Met-tRNAiMet的小亚基迅速与60S大亚基结合，形成翻译起始复合物。

同时通过eIF-5作用和水解GTP供能，促进各种eIF从核蛋白体释放（图12-4）

图12-4真核生物翻译起始复合物形成过程

原核、真核生物的各种起始因子在肽链合成过程起始中有多方面作用（表12-4）。

真核生物eIF-2-GTP通过促进起始氨基酰-tRNA首先与小亚基结合，是起始复合物生成第一关键步骤必需的蛋白因子。

eIF-2既是真核肽链合成调节的关键成分，又是多种生物活性物质、抗代谢物及抗生素作用靶点。

因此，对eIF-2的研究较为彻底。

二肽链的延长

肽链合成的延长是指根据mRNA密码序列的指导，依次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。

由于肽链延长在核蛋白体上连续性循环式进行，又称为核蛋白体循环（ribosomalcycle），每次核蛋白体循环肽链增加一个氨基酸。

每次循环又可分三步，即进位（entrance）、成肽（peptidebondformation）和转位（translocation）。

延长需要的蛋白因子称为延长因子（elongationfactor），见表12-5。

真核生物肽链延长过程和原核生物基本相似，只是反应体系和因子组成不同。

这里主要讨论原核生物肽链延长过程。

表12-4原核、真核生物各种起始因子的生物功能

起始因子生物功能

IF-1占据A位防止结合其他tRNA

原核生物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

eIF-2促进起始tRNA与小亚基结合

eIF-2B,eIF-3最先结合小亚基促进大小亚基分离

eIF-4AeIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进mRNA结合小亚基

eIF-4B结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUG

真核生物eIF-4EeIF-4F复合物成分，结合mRNA5’帽子

eIF-4GeIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PAB

eIF-5促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基

eIF-6促进核蛋白体分离成大小亚基

（一）进位

肽链合成起始后，核蛋白体P位结合fMet-tRNAifMet，但A位空留并对应下一组三联体密码，需加入的氨基酰-tRNA，即为该密码子决定。

而后的每次肽链延长循环后，核蛋白体P位将结合肽酰-tRNA，同样是A位空留。

进位又称注册（registration），既是根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。

这一过程需要延长因子EF-T参与。

表12-5肽链合成的延长因子

原核延长因子生物功能对应真核延长因子

EF-Tu促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTPEF1-α

EF-Ts调解亚基EF1-βγ

EFG有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNAEF-2

由A位前移到P位，促进卸载tRNA释放

延长因子EF-T为EF-Tu和EF-Ts亚基的二聚体，当EF-Tu结合GTP后可使EF-Ts分离。

EF-Tu-GTP与进位的氨基酸-tRNA结合，以氨基酸-tRNA-EF-Tu-GTP活性复合物形式进入并结合核蛋白体A位。

EF-Tu有GTP酶活性促使GTP水解，驱动EF-Tu和GTP从核蛋白体释出，重新形成EF-Ts二聚体。

EF-T继续催化下一氨基酰-tRNA进位（图12-6）。

核蛋白体对氨基酰-tRNA的进位有校正作用。

肽链生物合成以很高速度进行，在大肠杆菌细胞合成100残基多肽只需10秒钟（37℃），要求延长阶段每一过程速度与之适应。

EF-Tu-GTP仅存在数毫秒即分解，在此时限内，只有正确的氨基酰-tRNA能迅速发生反密码-密码适当配合而进入A位。

反之错误氨基酰-tRNA因反密码-密码配对不能及时发生，即从A位解离。

这是维持蛋白质合成高度保真性的另一机制。

（二）成肽

成肽是转肽酶催化的肽键形成过程，数种大亚基蛋白组成转肽酶活性。

结合于核蛋白体A位的氨基酰—tRNA使氨基酸臂部分弯折，使该氨基酸在空间上接近P位。

P位的起始氨基酰-tRNA（或延长中的肽酰-tRNA）由酶催化，将氨基酰基（或延长中的肽酰基）从tRNA转移，与A位下一氨基酸α-氨基形成肽键连接，即成肽反应在A位上进行。

第一个肽键形成后，二肽酰—tRNA占据核蛋白体A位，而卸载的tRNA仍在P位（图12-5）。

由于起始的甲酰甲硫氨酸的α-氨被持续保留，将成为新生肽链的N末端。

肽键延长过程以相似机制连续循环，成肽后形成的三肽、四肽等肽酰—tRNA将暂留A位，P位有卸载的tRNA。

图12-5肽链合成延长阶段的肽键形成过程

（三）转位

延长因子EF-G有转位酶（translocase）活性，可结合并水解1分子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3＇侧移动。

使起始二肽酰-tRNA-mRNA相对位移进入核蛋白体P位，而卸载的tRNA则移入E位。

A位空留并对应下一组三联体密码，准备适当氨基酰-tRNA进位开始下一核蛋白体循环。

同样，再经过第二轮进位-成肽-转位循环，P位将出现三肽酰-tRNA，A位空留并对应第四个氨基酰-tRNA进位，余类推。

在肽链合成连续循环时，核蛋白体空间构象发生着周期性改变，转位时卸载的tRNA进入E位，可诱导核蛋白体构象改变有利于下一氨基酰-tRNA进入A位；

而氨基酰-tRNA的进位又诱导核蛋白体变构促使卸载tRNA从E位排出（图12-6）。

图12-6原核生物肽链合成的延长和延长因子作用

显示转位时卸载tRNA进入E位，下一氨基酰tRNA进位诱导该卸载tRNA从E位排出

延长过程不断循环，将使三肽酰-tRNA、四肽酰-tRNA等陆续出现于核蛋白体P位，A位空留，开始下一氨基酰-tRNA进位。

这样，核蛋白体从5＇→3＇方向阅读mRNA遗传密码，连续进行进位、成肽、转位的循环过程，每次循环向肽链C端添加一个氨基酸，使肽链从N端向C端延伸。

（四）真核生物延长过程

真核生物链合成的延长过程与原核生物基本相似，只是有不同的反应体系和延长因子（表12-5）。

另外，真核细胞核蛋白体没有E位，转位时卸载的tRNA直接从P位脱落。

三、肽链合成的终止

当核蛋白体A位出现mRNA的终止密码后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离，这些