蛋白質(zhì)的合成+

生物信息的傳遞（下）

從mRNA到蛋白質(zhì)

在真核生物中，mRNA是在細(xì)胞核中合成的，而蛋白質(zhì)合成發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中，是通過細(xì)胞質(zhì)中游離的核糖體，或是通過與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連的核糖體合成的在細(xì)菌中，轉(zhuǎn)錄和翻譯是耦聯(lián)在一起的。細(xì)菌真核生物內(nèi)容第一節(jié)蛋白質(zhì)合成體系第二節(jié)蛋白質(zhì)合成過程第三節(jié)蛋白質(zhì)合成后的輸送蛋白質(zhì)合成體系第一節(jié)20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、無機(jī)離子參與蛋白質(zhì)生物合成的物質(zhì)包括：三種RNAmRNA（是蛋白質(zhì)合成的直接模板）tRNA（專一運(yùn)送氨基酸至mRNA并與密碼子配對(duì)）rRNA（與蛋白質(zhì)構(gòu)成核糖核蛋白體，是蛋白質(zhì)合成的場所）一、蛋白質(zhì)合成場所的確定

20世紀(jì)五十年代，PaulZamecnik

等給小白鼠注射帶放射性標(biāo)記的氨基酸，然后在不同時(shí)間取小白鼠的肝臟，經(jīng)勻漿、離心、檢測發(fā)現(xiàn)注射的氨基酸幾分鐘后出現(xiàn)在核糖核蛋白體顆粒上，幾小時(shí)或幾天后所有的亞細(xì)胞成分都含有放射性標(biāo)記。這證明蛋白質(zhì)的合成是在核糖體上進(jìn)行的。二、蛋白質(zhì)合成所需mRNA遺傳學(xué)將編碼一個(gè)多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細(xì)胞中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)基因常串聯(lián)為一個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，轉(zhuǎn)錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關(guān)的蛋白質(zhì)，為多順反子(polycistron)。真核mRNA只編碼一種蛋白質(zhì)，為單順反子(singlecistron)。真核生物mRNA的特點(diǎn)

（單順反子）

（一）遺傳密碼是三聯(lián)體密碼

mRNA上每3個(gè)核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基酸，這3個(gè)核苷酸就稱為三聯(lián)體密碼(tripletcoden)。翻譯時(shí)從起始密碼子AUG開始，沿mRNA5’→3’的方向連續(xù)閱讀直到終止密碼子，生成一條具有特定序列的多肽鏈。證明三聯(lián)體密碼的三個(gè)著名實(shí)驗(yàn)的示意圖（b）結(jié)合核糖體的研究（a）核苷酸同聚物的翻譯（c）重復(fù)核苷酸聚合物的翻譯第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是1961年由美國的M.Nirenberg完成。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一條由相同核苷酸組成的多核苷酸鏈，用它作模板，利用大腸桿菌蛋白提取液和GTP在體外合成蛋白質(zhì)。多聚（U）編碼多聚Phe；多聚（A）編碼多聚Lys；多聚（C）編碼多聚Pro。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是1964年也是由美國的M.Nirenberg完成的。他首先合成一個(gè)已知序列的核苷酸三聚體，然后與大腸桿菌核糖體和氨酰tRNA一起溫育。由此確定與已知核苷酸三聚體結(jié)合的tRNA上連接的是那一種氨基酸。該實(shí)驗(yàn)對(duì)于幾種密碼編碼同一個(gè)氨基酸提供了直接的、最好的證據(jù)第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是由JonesKhorana等人完成的。他們利用有機(jī)化學(xué)和酶法制備了已知的核苷酸重復(fù)序列，以此多聚核苷酸作模板，在體外進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，發(fā)現(xiàn)可生成三種重復(fù)的多肽鏈。

若從A翻譯，則合成出多聚Ile，即AUC對(duì)應(yīng)Ile；若從U翻譯，則合成出多聚Ser，即UCA對(duì)應(yīng)Ser；若從C翻譯，則合成出多聚His，即CAU對(duì)應(yīng)His。這是因?yàn)轶w外合成是無調(diào)控的合成，可以隨機(jī)地從A、或U、或C翻譯，所以有三種重復(fù)的多肽鏈生成。通過Nirenberg和Khorana兩位科學(xué)家的辛勤工作，于1966年全部密碼都被破譯。共有64個(gè)密碼，其中61個(gè)密碼是編碼氨基酸的，其余3種是終止密碼。遺傳密碼表丙氨酸AlanineA或Ala亮氨酸LeucineL或Leu精氨酸ArginineR或Arg賴氨酸LysineK或Lys天冬酰胺AsparagineN或Asn蛋氨酸MethionineM或Met天冬氨酸AsparticacidD或Asp苯丙氨酸PhenylalanineF或Phe半胱氨酸CysteineC或Cys脯氨酸ProlineP或Pro谷氨酰胺GlutamineQ或Gln絲氨酸SerineS或Ser谷氨酸GlutamicacidE或Glu蘇氨酸ThreonineT或Thr甘氨酸GlycineG或Gly色氨酸TryptophanW或Trp組氨酸HistidineH或His酪氨酸TyrosineY或Tyr異亮氨酸IsoleucineI或Ile纈氨酸ValineV或Val氨基酸中英文對(duì)照及縮寫酪[lào]；纈[xié]（二）遺傳密碼的特點(diǎn)：

1.簡并性(degeneracy)

遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個(gè)或多至6個(gè)三聯(lián)體為其編碼。

意義：密碼的簡并性可以減少堿基突變?cè)斐傻挠泻π?yīng)。2.通用性(universal)蛋白質(zhì)生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。已發(fā)現(xiàn)少數(shù)例外，如動(dòng)物細(xì)胞的線粒體、植物細(xì)胞的葉綠體。密碼的通用性進(jìn)一步證明各種生物進(jìn)化自同一祖先。3.擺動(dòng)性(wobble)

密碼和反密碼之間堿基配對(duì)規(guī)則一般為A與U配對(duì)，G與C配對(duì)，并且配對(duì)區(qū)內(nèi)的鏈?zhǔn)欠雌叫械模珜?shí)際上存在某些變通性。Crick將這種變通性稱之“擺動(dòng)”。因此反密碼的5ˊ位有時(shí)也稱為擺動(dòng)位置。下表給出了反密碼的5ˊ（擺動(dòng)）位和mRNA的3ˊ位之間的堿基配對(duì)原則。結(jié)果：一種tRNA能與多個(gè)一二位相同的三聯(lián)體密碼配對(duì)（簡并密碼子）tRNA反密碼子5’位堿基IUGACmRNA密碼子3’堿基U,C,AA,GU,CUG次黃嘌呤核苷酸（I）常常出現(xiàn)在tRNA的5ˊ（擺動(dòng)）位，I可以與U，C和A形成氫鍵帶有反密碼子IGC的tRNAAla分子可以與特異編碼Ala的三個(gè)密碼（GCU，GCC，GCA）中的任一個(gè)結(jié)合

64個(gè)密碼中有61個(gè)密碼編碼氨基酸，余下的3個(gè)密碼（UAA，UGA，和UAG）為終止密碼。

終止密碼一般不能被任何tRNA分子識(shí)別，但能被特殊的蛋白質(zhì)識(shí)別，引起新合成的肽鏈從翻譯機(jī)器上脫落。終止密碼起始密碼甲硫氨酸密碼AUG也常常充當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)合成的起始密碼，所以常稱AUG為起始密碼。

Thiscodonhastwoimportantfunctions.First,itspecifiesthefirstaminoacidtobeincorporatedintothegrowingpolypeptidechain.Second,itdefinesthereadingframeforallsubsequentcodons.ThreepossiblereadingframesoftheE.coli

trpleadersequence.Startcodonsareshadedingreenandstopcodonsareshadedinred.Theaminoacidsequenceoftheencodedsequenceisindicatedinthesinglelettercodebeloweachcodon.readingframe開放閱讀框架openreadingframe,ORF從mRNA5端起始密碼子AUG到3端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個(gè)三聯(lián)體密碼連續(xù)排列編碼一個(gè)蛋白質(zhì)多肽鏈，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。三、蛋白質(zhì)合成所需tRNA

tRNA分子在蛋白質(zhì)合成中充當(dāng)?shù)氖沁z傳密碼的翻譯，是mRNA的核苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之間的橋梁。每一個(gè)細(xì)胞內(nèi)至少含有20種tRNA（一種氨基酸對(duì)應(yīng)一種tRNA），就是說每種tRNA應(yīng)當(dāng)能夠至少識(shí)別一個(gè)mRNA密碼，才能滿足它作為適配器的作用。（一）

tRNA的三葉草型二級(jí)結(jié)構(gòu)所有的tRNA都具有類似的結(jié)構(gòu)。最早確定的tRNA結(jié)構(gòu)是丙氨酸-tRNA，是由Holley確定的。（二）tRNA的L形三級(jí)結(jié)構(gòu)

tRNA的L形高級(jí)結(jié)構(gòu)反映了其生物學(xué)功能，因?yàn)樗纤\(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)，而它的反密碼子必須與小亞基上的mRNA相配對(duì)，所以兩個(gè)不同的功能基團(tuán)最大限度分離。Conversionbetweenthecloverleafandtheactualthree-dimensionalstructureofatRNA.(a)Cloverleafrepresentation,(b)L-shapedrepresentationshowingthelocationofthebase-pairedregionsofthefinalfoldedtRNA.(c)RibbonrepresentationoftheactualfoldedstructureofatRNA.（三）氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸結(jié)合在tRNA分子上

一個(gè)特定的氨基酸經(jīng)酶催化可以連接到相應(yīng)的tRNA分子的3ˊ端上，該酶稱為氨酰-tRNA合成酶，產(chǎn)物稱為氨酰-tRNA。AA-tRNA合成酶既要能識(shí)別tRNA，又要能識(shí)別氨基酸，氨酰-tRNA合成酶對(duì)底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)，將錯(cuò)配的進(jìn)行校正。蛋白質(zhì)合成的精確度依賴于氨酰-tRNA合成酶催化正確的氨基酸連接到相應(yīng)的tRNA分子上。氨酰-tRNA合成酶會(huì)引入兩種錯(cuò)誤：一種是將錯(cuò)誤的氨基酸加在正確的tRNA上；另一種是將正確的氨基酸加在錯(cuò)誤的tRNA上。前者現(xiàn)錯(cuò)的可能性更大。tRNAmoleculestowhichanaminoacidisattachedaresaidtobecharged,andtRNAsthatlackanaminoacidaresaidtobeuncharged.tRNAsarechargedbytheattachmentofanaminoacidtothe3'terminaladenosinenucleotideviaahigh-energyacyllinkage.一個(gè)成熟的tRNA分子的3ˊ端的核苷酸序列總是5’-CCA-3’，一個(gè)特異的氨基酸通過它的羧基與tRNA的核苷酸殘基3’端的2’或3’羥基形成的共價(jià)鍵連接在tRNA分子上。tRNA的氨?；峭ㄟ^兩步反應(yīng)完成的。Thetwostepsofaminoacyl-tRNAcharging(a)Adenylylationofaminoacid.Thetwostepsofaminoacyl-tRNAcharging(b)TransferoftheadenylylatedaminoacidtotRNA.四、rRNA構(gòu)成的核糖體的結(jié)構(gòu)與功能核糖體像一個(gè)能沿mRNA模板移動(dòng)的工廠，執(zhí)行著蛋白質(zhì)合成的功能。它是由幾十種蛋白質(zhì)和rRNA組成的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。核糖體由一個(gè)大亞基和一個(gè)小亞基組成的。E.coli中的小亞基是30S亞基；而大亞基是50S亞基。在蛋白質(zhì)合成期間，兩個(gè)亞基結(jié)合形成一個(gè)70S核糖體。Sedimentationbyultracentrifugationtoseparateindividualribosomesubunitsandthefullribosome.

原核與真核細(xì)胞核糖體的結(jié)構(gòu)31Compositionoftheprokaryoticandeukaryoticribosomes.TherRNAandproteincompositionofthedifferentsubmitsareindicated.ThesizesoftherRNAandthenumberofproteinsareindicated.小亞基的作用---與mRNA結(jié)合Fortranslationtooccur,theribosomemustberecruitedtothemRNA.Tofacilitatebindingbyaribosome,manyprokaryoticopen-readingframescontainashortsequenceupstream(onthe5'side)ofthestartcodoncalledtheribosomebindingsite(RBS).ThiselementisalsoreferredtoasaShine-DalgarnosequenceafterthescientistwhodiscovereditonthebasisofcomparingthesequencesofmultiplemRNAs.StructureofmessengerRNA.(a)Apolycistronicprokaryoticmessage.TheribosomebindingsiteisindicatedbyRBS.(b)Amonocistroniceukaryoticmessage.The5'capisindicatedbya"ball"attheendofthemRNA.大亞基的作用—提供A位P位；具有催化肽鍵合成的功能TheribosomehasthreetRNAbindingsites.Theschematicillustrationoftheribosomeshowsthethreebindingsites(E,P,andA)thatspanthetwosubunits.核糖體的A位與P位：P位和A位，二者緊密連接，各占一個(gè)密碼子的距離。

P：結(jié)合起始的氨酰-tRNA和肽酰-tRNA，

A：結(jié)合新?lián)饺氲陌滨?tRNA。

P位上肽酰-tRNA上的羧基與進(jìn)入A位的氨酰-tRNA上的氨基形成新的肽鍵P位上tRNA卸下肽鏈成為無負(fù)載的tRNA核糖體移動(dòng)一個(gè)密碼子的距離，A位上的肽酰-tRNA又回到P位，A位又空，再進(jìn)行下一次循環(huán)。原核生物翻譯過程中核蛋白體結(jié)構(gòu)模式:蛋白質(zhì)生物合成過程第二節(jié)蛋白質(zhì)的合成機(jī)制是最復(fù)雜的生物合成機(jī)制:

真核細(xì)胞中，蛋白質(zhì)的合成需要：

70種以上的核糖體蛋白參與；多于二十種的酶來激活氨基酸；

12種或更多的輔酶和其它專一性的蛋白因子來進(jìn)行肽鏈合成的起始、延伸、和終止；

一百多種酶參與各類蛋白的最后修飾；還需要多于四十種的tRNA和核糖體RNA。共有300多種不同的生物大分子參與且協(xié)同地工作來合成多肽。翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)整個(gè)翻譯過程可分為：翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯(lián)體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼出現(xiàn)。Overviewoftheeventsoftranslation一、原核生物的翻譯過程：

（一）起始階段1.核蛋白體大小亞基分離；2.mRNA與小亞基結(jié)合；3.起始氨基酰-tRNA與小亞基結(jié)合；4.核蛋白體大亞基結(jié)合；AnoverviewoftheeventsoftranslationinitiationThe16SrRNAinteractswiththeribosomebindingsitetopositiontheAUGinthePsite.起始因子在翻譯的起始階段，需要3種起始因子(IF)的參與，即IF1、IF2、IF3。IF1促進(jìn)大小亞基分離IF-3促進(jìn)mRNA與小亞基的定位結(jié)合IF-2水解GTP，提供能量，使起始tRNA進(jìn)入P位，并促進(jìn)大亞基與核蛋白體結(jié)合。IF-11.核蛋白體大小亞基分離--IF1促進(jìn)大小亞基分離AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA與小亞基結(jié)合--IF-3促進(jìn)mRNA與小亞基的定位結(jié)合IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)與小亞基結(jié)合AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結(jié)合，起始復(fù)合物形成，釋放起始因子AUG5'3'Asummaryoftranslationinitiationinprokaryotes.Asummaryoftranslationinitiationinprokaryotes.（二）延長階段

肽鏈延長包括以下三步：1.進(jìn)位(entrance)2.成肽(peptidebondformation)3.轉(zhuǎn)位(translocation)延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延長因子生物功能對(duì)應(yīng)真核延長因子EF-Tu促進(jìn)氨基酰-tRNA進(jìn)入A位，結(jié)合分解GTPEF-1-αEF-Ts調(diào)節(jié)亞基EF-1-βγEFG有轉(zhuǎn)位酶活性，促進(jìn)mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進(jìn)卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子1.進(jìn)位指根據(jù)mRNA下一組遺傳密碼指導(dǎo)，使相應(yīng)氨基酰-tRNA進(jìn)入核蛋白體A位。

EF-Tuescortsaminoacyl-tRNAtotheAsiteoftheribosome.ChargedtRNAsareboundtoEF-Tu-GTPastheyfirstinteractwiththeAsiteoftheribosome.Whenthecorrectcodon-anticodoninteractionoccurs,EF-Tuinteractswiththefactorbindingcenter,hydrolyzesitsboundGTPandisreleasedfromthetRNAandtheribosome.TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsThreemechanismstoensurecorrectpairingbetweenthetRNAandthemRNA.(a)Additionalhydrogenbondsareformedbetweentwoadenineresiduesofthe16SrRNAandtheminorgrooveoftheanticodon-codonpaironlywhentheyarecorrectlybase-paired.ThreemechanismstoensurecorrectpairingbetweenthetRNAandthemRNA.(b)Correctbase-pairingallowsEF-Tuboundtotheaminoacyl-tRNAtointeractwiththefactorbindingcenterinducingGTPhydrolysisandEF-Turelease2.成肽是由轉(zhuǎn)肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。具有轉(zhuǎn)肽酶活性的是大亞基中的23sRNA(核酶)The

peptidyltransferasereaction

3.轉(zhuǎn)位延長因子EF-G有轉(zhuǎn)位酶(translocase)活性，可結(jié)合并水解1分子GTP，促進(jìn)核蛋白體向mRNA的3'側(cè)移動(dòng)。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目錄進(jìn)位轉(zhuǎn)位成肽Summaryofthestepsoftranslocation（三）終止階段終止相關(guān)的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)。原核生物釋放因子包括：