生物信息的傳遞(下)-從mRNA到蛋白質(zhì)

1、第四章 生物信息的傳遞（下）從mRNA到蛋白質(zhì)1、遺傳密碼2、 tRNA3、核糖體4、蛋白質(zhì)合成的生物學(xué)機(jī)制5、蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的生物合成步驟(1)翻譯的起始 核糖體與mRNA結(jié)合并與氨酰-tRNA生成起始復(fù)合物。(2)肽鏈的延伸 由于核糖體沿mRNA5端向3端移動(dòng)，開始了從N端向C端的多肽合成，這是蛋白質(zhì)合成過程中速度最快的階段。(3)肽鏈的終止及釋放 核糖體從mRNA上解離，準(zhǔn)備新一輪合成反應(yīng)。核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板。轉(zhuǎn)移RNA(transfer RNA，tRNA)是模板與氨基酸之間的接合體。在合成的各個(gè)階段有許多蛋白質(zhì)、酶和其他生物大分子參與。參與蛋白質(zhì)

2、合成的各種組分約占細(xì)胞干重的35%。在真核生物中有將近300種生物大分子與蛋白質(zhì)的生物合成有關(guān)。蛋白質(zhì)合成是一個(gè)需能反應(yīng)，要有各種高能化合物的參與。細(xì)胞用來進(jìn)行合成代謝的總能量的90%消耗在蛋白質(zhì)合成過程中。在真核生物細(xì)胞核內(nèi)合成的mRNA，要運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)，才能翻譯生成蛋白質(zhì)。所謂翻譯是指將mRNA鏈上的核苷酸從一個(gè)特定的起始位點(diǎn)開始，按每3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈的過程。蛋白質(zhì)合成速度很高。大腸桿菌只需要5s就能合成一條由100個(gè)氨基酸組成的多肽。41 遺傳密碼三聯(lián)子貯存在DNA上的遺傳信息通過mRNA傳遞為蛋白質(zhì)。mRNA上每3個(gè)核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基

3、酸，這3個(gè)核苷酸稱為密碼，也叫三聯(lián)子密碼。翻譯時(shí)從起始密碼子AUG開始，沿著mRNA5 3的方向連續(xù)閱讀密碼子，直至終止密碼子為止，生成一條具有特定序列的多肽鏈蛋白質(zhì)。411 三聯(lián)子密碼及其破譯首先從數(shù)學(xué)的角度來考慮：以一種核苷酸代表一種氨基酸則蛋白質(zhì)中只能有4種氨基酸，不行。以兩種核苷酸作為一個(gè)氨基酸的密碼(二聯(lián)子)，它們能代表的氨基酸只有4216種，不足20種，也不行。以3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸，則可以有4364種密碼，可以滿足編碼20種氨基酸的需要。在模板mRNA中插入或刪除一個(gè)堿基，會(huì)改變?cè)撁艽a子以后全部氨基酸序列。若同時(shí)對(duì)模板進(jìn)行插入和刪除試驗(yàn)，插入和刪除的堿基數(shù)一樣，后續(xù)密碼子序列

4、就不會(huì)變化，翻譯得到的蛋白質(zhì)序列就保持不變(除了發(fā)生突變的那個(gè)密碼子所代表的氨基酸之外)。如果同時(shí)刪去3個(gè)核苷酸，翻譯產(chǎn)生少一個(gè)氨基酸的蛋白質(zhì)，序列不發(fā)生變化。對(duì)煙草壞死衛(wèi)星病毒的研究發(fā)現(xiàn)。其外殼蛋白亞基由400個(gè)氨基酸組成，而相應(yīng)的RNA片段長(zhǎng)約1200個(gè)核苷酸，與假設(shè)的密碼三聯(lián)子體系正好相吻合。在20世紀(jì)60年代，由于體外蛋白質(zhì)合成體系的建立和核酸人工合成技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家花了幾年時(shí)間破譯了遺傳密碼，即確定了代表每種氨基酸的具體密碼。412 遺傳密碼的性質(zhì)4121密碼的簡(jiǎn)并性按照1個(gè)密碼子由3個(gè)核苷酸組成的原則，4種核苷酸可組成64個(gè)密碼子，現(xiàn)在已經(jīng)知道其中61個(gè)是編碼氨基酸的密碼子，另外

5、3個(gè)即UAA、UGA和UAG不代表任何氨基酸，它們是終止密碼子，不能與tRNA的反密碼子配對(duì)，能被終止因子或釋放因子識(shí)別，終止肽鏈的合成。密碼子有61種而氨基酸只有20種。所以除色氨酸和甲硫氨酸只有一個(gè)密碼子外，其他氨基酸都有一個(gè)以上的密碼子。由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并（degeneracy），對(duì)應(yīng)于同一種氨基酸的幾個(gè)密碼子稱為同義密碼子。AUG和GUG既是met和val的密碼子又是起始密碼子。同義密碼子第一、二第位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改變不一定影響所編碼的氨基酸。一般說來，編碼某一氨基酸的密碼子越多，該氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率也越高。精氨酸是個(gè)例外，因?yàn)?/p>

6、在真核生物中CG雙聯(lián)子出現(xiàn)的頻率較低，所以盡管有6個(gè)同義密碼子，蛋白質(zhì)中精氨酸的出現(xiàn)頻率仍然不高。對(duì)同意密碼的理解有助于PCR引物設(shè)計(jì)。4.1.2.2 密碼的普遍性與特殊性以上介紹的密碼子表是具有普遍性的，適用于一切生物。有一些特例，不編碼普遍性狀況應(yīng)該編碼的氨基酸而編碼別的氨基酸，下表列舉了一些特例。4123 密碼子與反密碼子的相互作用在蛋白質(zhì)生物合成過程中，tRNA的反密碼子在核糖體內(nèi)是通過堿基的反向配對(duì)與mRNA上的密碼子相互作用的。 在密碼子與反密碼子的配對(duì)中，前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)原則，第三對(duì)堿基有一定的自由度，可以擺動(dòng)，因而使某些tRNA可以識(shí)別1個(gè)以上的密碼子。一個(gè)tRNA究竟能

7、識(shí)別多少個(gè)密碼子是由反密碼子的第一位堿基的性質(zhì)決定的，反密碼子第一位為A或C時(shí)只能識(shí)別1種密碼子，為G或U時(shí)可以識(shí)別2種密碼子，為I時(shí)可識(shí)別3種密碼子。如果有幾個(gè)密碼子同時(shí)編碼一個(gè)氨基酸，凡是第一、二位堿基不同的密碼子都對(duì)應(yīng)于各自獨(dú)立的tRNA。第一、二位堿基相同的密碼子，則共用一種tRNA。原核生物中有3045種tRNA。真核細(xì)胞中存在50種左右tRNA。42 tRNA tRNA在蛋白質(zhì)合成中為每個(gè)三聯(lián)密碼子翻譯成氨基酸提供了接合體，為準(zhǔn)確無誤地將所需氨基酸運(yùn)送到核糖體上提供了運(yùn)送載體，它又被稱為第二遺傳密碼。各種tRNA在結(jié)構(gòu)上存在大量的共性。由于小片段堿基互補(bǔ)配對(duì)，形成三葉草形的二級(jí)結(jié)構(gòu)

8、。三葉草形tRNA分子上有4條根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)或已知功能命名的手臂。受體臂：鏈兩端堿基序列互補(bǔ)形成的桿狀結(jié)構(gòu)；3端有未配對(duì)的34個(gè)堿基；3端的CCA，最后一個(gè)堿基2烴基可被氨酰化。TC臂：其中表示擬尿嘧啶，是tRNA分子所擁有的不常見核苷酸。反密碼子臂：位于套索中央有三聯(lián)反密碼子。D臂：含有二氫尿嘧啶。酪553AUGGUU UAC ACA酪氨酰- tRNA反密碼mRNA密碼(codon)與反密碼(anticodon)的堿基配對(duì)最常見tRNA有76個(gè)堿基。所有tRNA含7495個(gè)核苷酸。tRNA長(zhǎng)度的不同主要是由其中的兩條手臂引起。在D臂中存在多至3個(gè)可變核苷酸位點(diǎn)。tRNA分子中最大的變化發(fā)生多

9、余臂上。只含有一條僅為35個(gè)核苷酸的多余臂的tRNA占所有tRNA的75%; 其余是有較大多余臂的tRNA ，包括桿狀結(jié)構(gòu)上的5個(gè)核苷酸和套索結(jié)構(gòu)上的311個(gè)核苷酸。 tRNA富含稀有堿基（約70余種）。每個(gè)tRNA分子至少含有2個(gè)稀有堿基，最多有19個(gè)，在反密碼子3端鄰近部位出現(xiàn)的頻率最高，這對(duì)于維持反密碼子環(huán)的穩(wěn)定性及密碼子、反密碼子之間的配對(duì)是很重要的。當(dāng)tRNA與核糖體的P位點(diǎn)和A位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，tRNA分子三葉草形頂端突起部位通過反密碼子和密碼子的配對(duì)與mRNA相結(jié)合，其3末端恰好將所運(yùn)轉(zhuǎn)的氨基酸送到正在延伸的多肽上。421 tRNA的L形三級(jí)結(jié)構(gòu)tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)，都呈L形折疊式，而這

10、種結(jié)構(gòu)是靠二級(jí)結(jié)構(gòu)中未配對(duì)堿基間所形成的氫鍵來維持的。tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)與氨酰-tRNA合成酶對(duì)tRNA的識(shí)別有關(guān)。受體臂和TC臂的桿狀區(qū)域構(gòu)成了第一個(gè)雙螺旋，D臂和反密碼子臂的桿狀區(qū)域形成了第二個(gè)雙螺旋。TC臂和D臂的套索狀結(jié)構(gòu)位于L的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。所以，受體臂頂端的堿基位于L的一個(gè)端點(diǎn)，反密碼子臂的套索狀結(jié)構(gòu)生成了L的另一個(gè)端點(diǎn)。 tRNA高級(jí)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是研究其生物學(xué)功能的重要線索：tRNA上所運(yùn)載的氨基酸必須靠近位于核糖體大亞基上的多肽合成位點(diǎn)，而反密碼子必須與小亞基上的mRNA相配對(duì)，所以分子中兩個(gè)不同的功能基團(tuán)是最大限度分離的。這個(gè)結(jié)構(gòu)形式滿足了蛋白質(zhì)合成過程中對(duì)tRNA的各種要求而成為

11、tRNA的通式，研究證實(shí)tRNA的性質(zhì)是由反密碼子而不是它所攜帶的氨基酸所決定的。4.2.2 tRNA的功能轉(zhuǎn)錄：DNARNA；結(jié)構(gòu)上相似；堿基配對(duì)；一對(duì)一。翻譯：mRNA 蛋白質(zhì)；結(jié)構(gòu)極不相同；復(fù)雜。信息是以能被翻譯成單個(gè)氨基酸的三聯(lián)密碼子形式存在的，tRNA的解碼機(jī)制完成翻譯。氨基酸在合成蛋白質(zhì)之前先通過AAtRNA合成酶活化，在消耗ATP的情況下結(jié)合到tRNA上，生成有蛋白質(zhì)合成活性的AAtRNA，由AA tRNA上的反密碼子與mRNA上的密碼子相互識(shí)別并配對(duì)，將AA帶到mRNA-核糖體復(fù)合物上，插入到正在合成的多肽鏈的適當(dāng)位置上。將 14C-Cys-tRNACys，經(jīng)Ni催化生成14C

12、-Ala-tRNACys，再把14C-Ala-tRNACys加進(jìn)含血紅蛋白mRNA的兔網(wǎng)織細(xì)胞核糖體的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)14C-Ala-tRNACys插入了血紅蛋白分子通常由半胱氨酸占據(jù)的位置上，這表明在這里起識(shí)別作用的是tRNA而不是氨基酸。 1起始tRNA和延伸tRNA有一類能特異地識(shí)別mRNA模板上起始密碼子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。原核生物起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸(fMet)，原核生物中Met-tRNAfMet必須首先甲?；蒮Met一tRNAfMet才能參與蛋白質(zhì)的生物合成。真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸(Met)。2同工tRNA一種氨

13、基酸可能有多個(gè)密碼子，代表一種氨基酸的多個(gè)tRNA以不同的反密碼子為特征，從而可以識(shí)別mRNA上代表一種氨基酸的多個(gè)密碼子。幾個(gè)代表相同氨基酸的tRNA稱為同工tRNA。在一個(gè)同工tRNA組內(nèi)，所有tRNA均專一于相同的氨酰-tRNA合成酶，即在一個(gè)同工tRNA組內(nèi)tRNA只專一地結(jié)上一種氨基酸。同工tRNA既要有不同的反密碼子以識(shí)別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被相同的AAtRNA合成酶識(shí)別。同工tRNA組內(nèi)具備了區(qū)分其他tRNA組的特異構(gòu)造，保證合成酶準(zhǔn)確無誤進(jìn)行選擇。tRNA的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)它的專一性起了重要作用。3校正tRNA1、 無義突變的校正tRNA：在蛋白

14、質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因中，一個(gè)核苷酸的改變使代表某個(gè)氨基酸的密碼子變成終止密碼子(UAG、UGA、UAA)，使蛋白質(zhì)合成提前終止，合成無功能的或無意義的多肽，這種突變稱為無義突變。無義突變的校正tRNA可通過改變其反密碼子區(qū)校正無義突變而依然合成原氨基酸。2、錯(cuò)義突變的校正tRNA錯(cuò)義突變是由于結(jié)構(gòu)基因中某個(gè)核苷酸的變化使一種氨基酸的密碼變成另一種氨基酸的密碼。錯(cuò)義突變的校正tRNA通過反密碼子區(qū)的改變把正確的氨基酸加到肽鏈上，合成正常的蛋白質(zhì)。如某大腸桿菌細(xì)胞色氨酸合成酶中的一個(gè)甘氨酸密碼子GGA錯(cuò)義突變成AGA(編碼精氨酸)，指導(dǎo)合成錯(cuò)誤的多肽鏈。甘氨酸校正tRNA的校正基因突變使其反密碼子從CCU

15、變成UCU，它仍然是甘氨酸的反密碼子但不結(jié)合GGA而能與突變后的AGA密碼子相結(jié)合，把正確的氨基酸(甘氨酸)放到AGA所對(duì)應(yīng)的位置上。無義突變的校正tRNA會(huì)與釋放因子競(jìng)爭(zhēng)識(shí)別密碼子；錯(cuò)義突變的校正tRNA則與該密碼的正常tRNA競(jìng)爭(zhēng)。這些都會(huì)影響校正的效率。無義突變的校正基因tRNA不僅能校正無義突變，也會(huì)抑制該基因3末端正常的終止密碼子，導(dǎo)致翻譯過程的通讀，合成更長(zhǎng)的蛋白質(zhì)，這對(duì)細(xì)胞會(huì)造成傷害。一個(gè)基因錯(cuò)義突變的校正也可能使另一個(gè)基因錯(cuò)誤翻譯，因?yàn)槿绻粋€(gè)校正tRNA在突變位點(diǎn)通過取代一種氨基酸的方式校正了一個(gè)突變，它也可以在另一位點(diǎn)這樣做，從而在正常位點(diǎn)上引入與前述突變位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的氨基酸，

16、造成錯(cuò)誤。424 氨酰-tRNA合成酶氨酰-tRNA合成酶是一類催化氨基酸與tRNA結(jié)合的特異性酶。其反應(yīng)包括兩步:第一步是氨基酸活化生成酶-氨酰腺苷酸復(fù)合物。AA+ATP+酶(E) EAAAMP+PPi第二步是氨酰基轉(zhuǎn)移到tRNA3末端腺苷殘基的2或3羥基上。EAAAMP+tRNAAAtRNA+E+AMP蛋白質(zhì)合成的真實(shí)性主要決定于tRNA能否把正確的氨基酸放到新生多肽鏈的正確位置上，而這一步主要決定于AAtRNA合成酶是否使氨基酸與對(duì)應(yīng)的tRNA相結(jié)合。AA-tRNA合成酶既要能識(shí)別tRNA，又要能識(shí)別氨基酸，它對(duì)兩者都具有高度的專一性。43 核糖體生物細(xì)胞內(nèi)，核糖體像一個(gè)能沿mRNA模板

17、移動(dòng)的工廠，執(zhí)行著蛋白質(zhì)合成的功能。核糖體是由幾十種蛋白質(zhì)和幾種核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA)組成的亞細(xì)胞顆粒。一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)約有20000個(gè)核糖體，真核細(xì)胞內(nèi)可達(dá)106個(gè)。AAtRNA以很快的速度進(jìn)入核糖體，在起始或延伸因子的作用下，與mRNA模板和延伸中的肽鏈相互作用，卸去所載氨基酸后，tRNA立即退出核糖體，以保證新一輪合成反應(yīng)的順利進(jìn)行。核糖體蛋白約占原核細(xì)胞總蛋白量的10%，rRNA占細(xì)胞內(nèi)總RNA量的80。在真核細(xì)胞內(nèi)，核糖體所占的比重有所下降，rRNA仍然占總RNA的絕大部分。431 核糖體的結(jié)構(gòu) 核糖體是一個(gè)致密的核糖核蛋白顆粒，可以解離為大小兩個(gè)亞基，大

18、亞基約為小亞基相對(duì)分子質(zhì)量的二倍。每個(gè)亞基都含有一個(gè)分子質(zhì)量較大的rRNA和許多蛋白質(zhì)分子。這些大分子rRNA能在特定位點(diǎn)與蛋白質(zhì)結(jié)合，從而完成核糖體不同亞基的組裝。原核生物核糖體由約2/3的RNA及1/3的蛋白質(zhì)組成。真核生物核糖體中RNA占3/5，蛋白質(zhì)占2/5。核糖體上有不止一個(gè)的活性中心，每一個(gè)這樣的中心都由一組特殊的蛋白質(zhì)構(gòu)成。核糖體是一個(gè)許多酶的集合體，單個(gè)酶或蛋白只有在這個(gè)總體結(jié)構(gòu)內(nèi)才擁有催化性質(zhì)，它們?cè)谶@一結(jié)構(gòu)中共同承擔(dān)了蛋白質(zhì)生物合成的任務(wù)。核糖體中許多蛋白質(zhì)(還包括rRNA)的主要功能就是建立這種總體結(jié)構(gòu)，使各個(gè)活性中心處于適當(dāng)?shù)南嗷f(xié)調(diào)的關(guān)系之中。大腸桿菌核糖體小亞基由2

19、1種蛋白質(zhì)組成；大亞基由36種蛋白質(zhì)組成。真核細(xì)胞核糖體大亞基含有49種蛋白質(zhì)；小亞基有33種蛋白質(zhì)。對(duì)核糖體蛋白質(zhì)的二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)也有不少研究。下圖是在高倍電鏡下得到的原核生物70S核糖體大、小亞基相結(jié)合的模型，核糖體分子可容納兩個(gè)tRNA和約40bp長(zhǎng)的mRNA。核糖體，ribosome4.3.2 rRNA 1、5S rRNA 細(xì)菌5S rRNA含有120或116個(gè)核苷酸。5S rRNA有兩個(gè)高度保守的區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域含有保守序列CGAAC，這是與tRNA分子TC環(huán)上的GTCG序列相互作用的部位，是5S rRNA與tRNA相互識(shí)別的序列。另一個(gè)區(qū)域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAG

20、U，與23S rRNA中的一段序列互補(bǔ)，這是5S rRNA與50S核糖體大亞基相互作用的位點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上有其重要性。2、16S rRNA其長(zhǎng)度在1475-1544個(gè)核苷酸之間，含有少量修飾堿基。該分子全部壓縮在30S小亞基內(nèi)。16S rRNA的結(jié)構(gòu)十分保守，其中3端一段ACCUCCUUA的保守序列，與mRNA5端翻譯起始區(qū)富含嘌呤的序列互補(bǔ)。在16S rRNA靠近3端處還有一段與23SrRNA互補(bǔ)的序列，在30S與50S亞基的結(jié)合中起作用。3、23S rRNA23S rRNA包括2904個(gè)核苷酸，在大腸桿菌23S rRNA第19842001核苷酸之間，存在一段能與tRNAMet序列互補(bǔ)的片段，表

21、明核糖體大亞基23S rRNA與tRNAMet的結(jié)合有關(guān)。在23S rRNA靠近5端(143-157位核苷酸之間)有一段12個(gè)核苷酸的序列與5S rRNA上第72-83位核苷酸互補(bǔ)，表明在50S大亞基上這兩種RNA之間可能存在相互作用。核糖體50S大亞基上約有20種蛋白質(zhì)能不同程度地與23S rRNA相結(jié)合。5、18S rRNA 酵母18S rRNA由1789個(gè)核苷酸組成，它的3端與大腸桿菌16S rRNA有廣泛的同源性。其中酵母18S rRNA、大腸桿菌16S rRNA和人線粒體12S rRNA在3端有50個(gè)核苷酸序列相同。6、28S rRNA長(zhǎng)度約在38904500bp左右。rRNA之間以

22、及rRNA與tRNA及mRNA之間存在有機(jī)的聯(lián)系，這種關(guān)系是建立在序列互補(bǔ)或同源的基礎(chǔ)之上的。433 核糖體的功能核糖體存在于每個(gè)細(xì)胞中進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成。盡管在不同生物體內(nèi)其大小有別，但組織結(jié)構(gòu)基本相同，而且執(zhí)行的功能完全相同。在多合肽成過程中，不同的tRNA將相應(yīng)的氨基酸帶到蛋白質(zhì)合成部位與mRNA進(jìn)行專一性的相互作用，選擇與密碼子對(duì)應(yīng)的AAtRNA結(jié)合到肽鏈上。核糖體還能同時(shí)容納肽基-tRNA(Peptidyl-tRNA)，這是肽鏈與AAtRNA 結(jié)合上的瞬時(shí)狀態(tài)。核糖體包括5個(gè)以上活性中心，即mRNA結(jié)合部位、接受AA-tRNA部位(A位)、結(jié)合肽基tRNA的部位、肽基轉(zhuǎn)移部位(P位)及

23、形成肽鍵的部位(轉(zhuǎn)肽酶中心)。此外，還有負(fù)責(zé)肽鏈延伸的各種延伸因子的結(jié)合位點(diǎn)。核糖體小亞基負(fù)責(zé)對(duì)模板mRNA進(jìn)行序列特異性識(shí)別，如起始部分的識(shí)別、密碼子與反密碼子的相互作用等，mRNA的結(jié)合位點(diǎn)也在小亞基上。大亞基負(fù)責(zé)攜帶AA-tRNA、肽鍵的形成、AA-tRNA與肽鏈的結(jié)合、A位、P位、轉(zhuǎn)肽酶中心等在大亞基上。核糖體在體內(nèi)及體外都可解離為亞基或結(jié)合成70S/80S的顆粒。在翻譯的起始階段需要游離的亞基，隨后才結(jié)合成70S/80S顆粒，開始翻譯進(jìn)程。肽鏈釋放后，核糖體脫離mRNA解聚成亞基，直接參與另一輪蛋白質(zhì)的合成。體外反應(yīng)體系中，核糖體的解離或結(jié)合取決于離子濃度。在大腸桿菌內(nèi)，Mg2濃度在

24、103mol/L以下時(shí)，70S解離為亞基，濃度達(dá)102mol/L時(shí)則形成穩(wěn)定的70S顆粒。44 蛋白質(zhì)合成的生物學(xué)機(jī)制蛋白質(zhì)是生物活性物質(zhì)中最重要的大分子組分，生物有機(jī)體的遺傳學(xué)特性要通過蛋白質(zhì)來得到表達(dá)。蛋白質(zhì)的生物合成包括氨基酸活化、肽鏈的起始、伸長(zhǎng)、終止以及新合成多肽鏈的折疊和加工，現(xiàn)將各階段的必需成分列于下表。441 氨基酸的活化 蛋白質(zhì)合成的起始需要核糖體大小亞基、起始tRNA和幾十個(gè)蛋白因子。在mRNA編碼區(qū)5端形成核糖體-mRNA-起始tRNA復(fù)合物并將甲硫氨酸放入核糖體P位點(diǎn)。原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，而真核生物是Met-tRNAMet。原核生物中30

25、S小亞基首先與mRNA相結(jié)合，再與fMet-tRNAfMet結(jié)合，最后與50S大亞基結(jié)合。在真核生物中，40S小亞基首先與Met-tRNAMet相結(jié)合，再與模板mRNA結(jié)合，最后與60S大亞基結(jié)合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始復(fù)合物。起始復(fù)合物的生成需要GTP提供能量，需要Mg2、NH4及3個(gè)起始因子(IF-l、IF-2、IF-3)的參與。氨基酸是生物合成蛋白質(zhì)的原料，氨基酸在氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸AA-tRNA才能被準(zhǔn)確地運(yùn)送到核糖體中，參與多肽鏈的起始或延伸。存在20種以上具有氨基酸專一性的氨酰RNA合成酶，能夠識(shí)別并通過氨基酸的竣基與tRNA3端腺苷酸核

26、糖基上3OH縮水形成二酯鍵。同一氨酰-tRNA合成酶具有把相同氨基酸加到兩個(gè)或更多個(gè)帶有不同反密碼子tRNA分子上的功能。氨基酸活化生成氨酰-tRNA tRNA與相應(yīng)氨基酸的結(jié)合是蛋白質(zhì)合成中的關(guān)鍵步驟，只有tRNA攜帶了正確的氨基酸，多肽合成的準(zhǔn)確性才有保障。 在細(xì)菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；所以，與核糖體小亞基相結(jié)合的是N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet，可以與延伸中的Met-tRNAMet區(qū)分開。 真核生物中，多肽合成是從生成甲硫氨酰tRNAiMet開始的，體內(nèi)存在兩種tRNAMet。只有甲硫氨酰tRNAiMet能與40S小亞基相結(jié)合，起始肽鏈合成，普通tRNAMet攜帶的甲硫氨酸只

27、能被摻入正在延伸的肽鏈中。442 翻譯的起始細(xì)菌中翻譯的起始需要如下7種成分:30S小亞基，模板mRNA，fMet-tRNAfMet，3個(gè)翻譯起始因子(IF-l、IF-2和IF-3)，GTP，50S大亞基，Mg2。翻譯起始又可被分成3步。第一步，30S小亞基與翻譯起始因子IF-l，IF-3的作用下通過mRNA 的SD序列與之相結(jié)合。第二步，在IF-2和GTP的幫助下，fMet-tRNAfMet進(jìn)入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對(duì)。第三步，帶有tRNA、mRNA及3個(gè)翻譯起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合；然后，釋放翻譯起始因子。30S亞基具有專一性的識(shí)別和選

28、擇mRNA起始位點(diǎn)的性質(zhì)，而IF-3能協(xié)助該亞基完成這種選擇。30S亞基通過其16S rRNA的3端與mRNA5端起始密碼子上游堿基配對(duì)結(jié)合。所有原核生物mRNA上都有一個(gè)5-AGGAGGU-3序列，這個(gè)富嘌呤區(qū)與30S亞基上16S rRNA3端的富嘧啶區(qū)序列5-GAUCACCUCCUUA-3相互補(bǔ)。各種mRNA的核糖體結(jié)合位點(diǎn)中能與16S rRNA配對(duì)的核苷酸數(shù)目及這些核苷酸到起始密碼子之間的距離是不一樣的，這反映了起始信號(hào)的不均一性。互補(bǔ)的核苷酸越多，30S亞基與mRNA起始位點(diǎn)結(jié)合的效率也越高。互補(bǔ)的核苷酸與AUG之間的距離也會(huì)影響mRNA-核糖體復(fù)合物的形成及其穩(wěn)定性。細(xì)菌核糖體上一般

29、存在3個(gè)與氨酰tRNA結(jié)合的位點(diǎn)，即A位點(diǎn)(aminoacyl site)，P位點(diǎn)(Peptidyl site)和E位點(diǎn)(exit site)。只有fMet-tRNAfMet能與第一個(gè)P位點(diǎn)相結(jié)合，其他所有tRNA都必須通過A位點(diǎn)到達(dá)P位點(diǎn)，再由E位點(diǎn)離開核糖體。IF-2對(duì)于30S起始復(fù)合物與50S亞基的連接是必需的，IF-l在70S起始復(fù)合物生成后促進(jìn)IF-2的釋放，從而完成蛋白質(zhì)合成的起始過程。真核生物翻譯的起始機(jī)制與原核生物基本相同，其差異是核糖體較大、起始因子較多、mRNA有m7GpppNp帽子、Met-tRNAMet不甲?；?，mRNA5端的帽子和3端的多聚A都參與形成翻譯起始復(fù)合物。

30、首先，甲硫氨酰tRNAiMet與40S小亞基相結(jié)合；接著核糖體上專一位點(diǎn)識(shí)別mRNA的帽子，使mRNA與核糖體結(jié)合，。帽子在mRNA與40S亞基結(jié)合過程中起穩(wěn)定作用。帶帽子的mRNA5端與18S rRNA的3端序列之間存在堿基配對(duì)型相互作用。除了識(shí)別帽子結(jié)構(gòu)以外，40S小亞基還能識(shí)別mRNA上的起始密碼子AUG。40S小亞基先結(jié)合在mRNA5端的任何序列上，然后沿mRNA移動(dòng)直至遇到AUG發(fā)生較為穩(wěn)定的相互作用，最后與60S亞基一道生成80S起始復(fù)合物。40S小亞基之所以能在AUG處停下，是由于Met-tRNAiMet的反密碼子與AUG配對(duì)的結(jié)果。443 肽鏈的延伸當(dāng)?shù)谝粋€(gè)氨基酸與核糖體結(jié)合以

31、后，按照mRNA模板密碼子的排列，氨基酸通過新生肽鍵的方式被有序地結(jié)合上去。每加一個(gè)AA是一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括AA-tRNA與核糖體結(jié)合、肽鍵的生成和移位。1、后續(xù)AA-tRNA與核糖體結(jié)合起始復(fù)合物形成以后，第二個(gè)AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNAEF-TuGTP復(fù)合物，然后結(jié)合到核糖體的A位上。模板上的密碼子決定了哪種AA-tRNA能被結(jié)合到A位上。由于EF-Tu不能與fMettRNA起反應(yīng)，所以起始tRNA不會(huì)被結(jié)合到A位上，這就是mRNA內(nèi)部的AUG不會(huì)被起始tRNA讀出，肽鏈中間不會(huì)出現(xiàn)fMet的原因。2、肽鍵的生成經(jīng)過上一步反應(yīng)后，在核糖體mR

32、NAAAtRNA復(fù)合物中，AA-tRNA占據(jù)A位，fMet-tRNA fMet占據(jù)P位。在肽基轉(zhuǎn)移酶的催化下，A位上的AA-tRNA轉(zhuǎn)移到P位，與fMet-tRNA fMet上的氨基酸生成肽鍵。A位點(diǎn)騰空準(zhǔn)備接受新的AA-tRNA，進(jìn)行下一輪合成反應(yīng)。起始tRNA則離開了核糖體P位點(diǎn)。3移位肽鍵延伸過程中最后一步，核糖體向mRNA3端方向移動(dòng)一個(gè)密碼子。此時(shí)，仍與第二個(gè)密碼子相結(jié)合的二肽基tRNA，從A位進(jìn)入P位，去氨酰-tRNA被擠入E位，mRNA上的第三位密碼子則對(duì)應(yīng)于A位。進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽鏈接高效率的蛋白質(zhì)合成體系444 肽鏈的終止肽鏈在延伸過程中，當(dāng)終止密碼子出現(xiàn)在核糖體的A位時(shí)，沒有相應(yīng)

33、的AA-tRNA能與之結(jié)合，而釋放因子能識(shí)別終止密碼子并與之結(jié)合，水解P位上多肽鏈與tRNA之間的酯鍵。新生的肽鏈和tRNA從核糖體上釋放，核糖體解體，蛋白質(zhì)合成結(jié)束。釋放因子RF催化GTP水解促使肽鏈與核糖體解離。細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)存在3種不同的終止因子(或稱釋放因子): RFl、RF2、RF3。RFl能識(shí)別UAG和UAA，RF2識(shí)別UGA和UAA。一旦RF與終止密碼相結(jié)合，它們就能誘導(dǎo)肽基轉(zhuǎn)移酶把一個(gè)水分子加到延伸中的肽鏈上，使肽和tRNA的酯鍵形成各自的COOH和OH。RF3與核糖體的解體有關(guān)。真核細(xì)胞只有一個(gè)(RF)終止因子。445 蛋白質(zhì)前體的加工新生多肽鏈大多數(shù)是沒有功能的，必須經(jīng)過加工修

34、飾才能轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘牡鞍踪|(zhì)。1N端fMet或Met的切除：細(xì)菌蛋白質(zhì)N端的甲?；鼙幻摷柞；杆?，原核生物和真核生物N端的甲硫氨酸在多肽鏈合成完畢之前被切除。脊髓灰質(zhì)炎病毒的mRNA可翻譯成很長(zhǎng)的多肽鏈，蛋白酶在特定位置上水解得到幾個(gè)有功能的病毒蛋白。2二硫鍵的形成 二硫鍵是蛋白質(zhì)合成后通過兩個(gè)半胱氨酸的氧化作用生成的。3特定氨基酸的修飾 氨基酸側(cè)鏈的修飾包括磷酸化(如核糖體蛋白質(zhì))、糖基化(如各種糖蛋白)、甲基化(如組蛋白、肌肉蛋白質(zhì))、乙基化(如組蛋白)、羥基化(如膠原蛋白)和竣基化等。糖蛋白是通過蛋白質(zhì)中天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸殘基側(cè)鏈上加上糖基形成的，膠原蛋白上的脯氨酸和賴氨酸為羥基

35、化的。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是蛋白質(zhì)N-糖基化的主要場(chǎng)所。4、切除新生鏈中非功能片段新合成得到前胰島素原，切去信號(hào)肽變成胰島素原，再切去C-肽變成有活性的胰島素。不少多肽類激素和酶的前體也要經(jīng)過加工才能變?yōu)榛钚苑肿?。蜂毒素能溶解?dòng)物細(xì)胞，也能溶解蜜蜂自身的細(xì)胞，在細(xì)胞內(nèi)合成沒有活性的前毒素，分泌進(jìn)入刺吸器后，N端的22個(gè)氨基酸殘基被蛋白酶水解生成毒素。鏈接446 蛋白質(zhì)生物合成抑制劑主要是抗生素、核糖體滅活蛋白等。是治療細(xì)菌感染的重要藥物?？咕貙?duì)蛋白質(zhì)合成的作用：1、阻止mRNA與核糖體結(jié)合；2、阻止AA-tRNA與核糖體結(jié)合；3、干擾AA-tRNA與核糖體結(jié)合而產(chǎn)生錯(cuò)讀；4、作為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑抑制蛋白質(zhì)合成

36、。如鏈霉素能干擾fMet-tRNA與核糖體的結(jié)合，而阻止蛋白質(zhì)合成的正確起始，也會(huì)導(dǎo)致mRNA的錯(cuò)讀。青霉素、四環(huán)素和紅霉素只與原核細(xì)胞核糖體發(fā)生作用，從而阻遏原核生物蛋白質(zhì)的合成，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。被廣泛用于人類醫(yī)學(xué)。氯霉素和嘌呤霉素既能與原核細(xì)胞核糖體結(jié)合，又能與真核生物核糖體結(jié)合，妨礙細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成，影響細(xì)胞生長(zhǎng)。氯霉素有時(shí)也用于治病，但劑量和周期受到較嚴(yán)控制。45 蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制蛋白質(zhì)的合成位點(diǎn)與功能位點(diǎn)常常被細(xì)胞內(nèi)的膜所隔開，蛋白質(zhì)需要運(yùn)轉(zhuǎn)。核糖體是真核生物細(xì)胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所，任何時(shí)候都有許多蛋白質(zhì)被輸送到細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等各個(gè)部分，補(bǔ)充和更新細(xì)胞功能。細(xì)胞各部分都有

37、特定的蛋白質(zhì)組分，蛋白質(zhì)必須準(zhǔn)確無誤地定向運(yùn)送才能保證生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。 蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)可分為兩大類: 1、翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制：蛋白質(zhì)的合成和運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)發(fā)生，則屬于; 2、翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制：蛋白質(zhì)從核糖體上釋放后才發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)。分泌蛋白質(zhì)大多是以同步機(jī)制運(yùn)輸?shù)?。在?xì)胞器發(fā)育過程中，由細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞器的蛋白質(zhì)大多是以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制運(yùn)輸?shù)?。參與生物膜形成的蛋白質(zhì)，依賴于上述兩種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制鑲?cè)肽?nèi)。451 翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制分泌蛋白的生物合成開始于核糖體，翻譯到大約50個(gè)氨基酸殘基，信號(hào)肽開始從核糖體的大亞基露出，被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體識(shí)別并與之結(jié)合。信號(hào)肽過膜后被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的信號(hào)肽酶水解，新生肽隨之通過蛋白孔道穿越疏水的雙層磷脂。當(dāng)核糖體移到mRNA的終止密碼子，蛋白質(zhì)合成即告完成，翻譯體系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖體重新處于自由狀態(tài)。蛋白質(zhì)定位的信息存在于該蛋白質(zhì)自身結(jié)構(gòu)中，并且通過與膜上特殊受體的相互作用得以表達(dá)。信號(hào)肽緊接在起始密碼之后，大部分是疏水氨基酸。信號(hào)肽的長(zhǎng)度在1336個(gè)殘基。 信號(hào)肽的特點(diǎn)：1、1015個(gè)疏水氨基酸；2、N端有帶正電荷的氨基酸；3、C端接近切割點(diǎn)處代數(shù)個(gè)極性氨基酸；4、C端氨基酸側(cè)鏈短。鏈接452 翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制葉綠體和線粒體中有許多蛋白質(zhì)和酶是由細(xì)胞質(zhì)提供的，其中絕大多數(shù)以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制