分子生物學(xué)基礎(chǔ)第五章遺傳信息的翻譯-從mRNA到蛋白質(zhì)第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

分子生物學(xué)基礎(chǔ)第五章遺傳信息的翻譯—從mRNA到蛋白質(zhì)

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程蛋白質(zhì)生物合成亦稱為翻譯，即把mRNA分子中堿基排列順序轉(zhuǎn)變?yōu)榈鞍踪|(zhì)或多肽鏈中的氨基酸排列順序的過程。蛋白質(zhì)生物合成主要包括下列步驟：翻譯的起始―—核糖體與mRNA結(jié)合并與氨酰-tRNA生成起始復(fù)合體；肽鏈的延伸──核糖體沿mRNA5’端向3’端移動，使多肽鏈的合成從N端向C端的方向進(jìn)行；肽鏈的終止以及新合成多肽鏈的折疊和加工——核糖體從mRNA上解離，準(zhǔn)備新一輪合成反應(yīng)。各階段必須的成分見表5-10。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程一、氨基酸的活化原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，真核生物的起始tRNA是Met-tRNAMet。原核生物中30S小亞基首先與mRNA模板相結(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80S·mRNA·Met-tRNAMet起始復(fù)合體。起始復(fù)合體的生成除了需要GTP提供能量外，還需要Mg2+、NH4+及3個起始因子（IF-1、IF-2和IF-3）。起始因子與30S小亞基的結(jié)合較為松散，用1mol/LNH4Cl處理即可使之游離。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程二、翻譯的起始1．原核生物蛋白質(zhì)合成的起始

起始階段的主要任務(wù)是在mRNA分子的正確起始點(diǎn)即起始密碼子處完成完整核糖體的組裝。蛋白質(zhì)翻譯的起始復(fù)合體包括：30S核糖體小亞基、mRNA、fMet-tRNAfMet、三個起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）、GTP、50S核糖體大亞基、Mg2+。翻譯的起始又可被分成三步，如圖5-7所示。

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

圖5-7蛋白質(zhì)翻譯起始過程

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

①IF-1和IF-3與游離的30S核糖體小亞基相結(jié)合，以阻止在與mRNA結(jié)合前30S亞基與大亞基的結(jié)合，從而防止無活性核糖體的形成。②由30S小亞基、起始因子IF-1和IF-3及mRNA所組成的復(fù)合體立即與GTP-IF-2及fMet-tRNAfMet相結(jié)合。起始tRNA通過其反密碼子與mRNA分子上AUG密碼子配對，與上述復(fù)合體結(jié)合，同時釋放IF-3。IF-3的作用在于保持大小亞基彼此分離狀態(tài)，以及有助于mRNA結(jié)合。此時的復(fù)合體稱為30S起始復(fù)合體。

③30S起始復(fù)合體再與50S大亞基結(jié)合，替換出IF-1和IF-2，而GTP在此耗能過程中被水解。起始后期形成的該復(fù)合體被稱為70S起始復(fù)合體。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程如圖5-8所示。其中IF-3的功能是使核糖體的30S和50S亞基保持分開，其它兩個起始因子IF-1及IF-2的功能則是促進(jìn)fMet-tRNAifMet及mRNA與30S小亞基的結(jié)合。如前所述，mRNA的SD序列可與小亞基上16SrRNA的3′進(jìn)行堿基配對，起始密碼子AUG可與起始tRNA上的反密碼子進(jìn)行配對。當(dāng)30S小亞基結(jié)合上fMet-tRNAifMet以及與mRNA形成復(fù)合體后，IF-3就解離下來，以便50S大亞基與復(fù)合體的結(jié)合，后一結(jié)合使IF-2離開核糖體，同時使結(jié)合在IF-2上的GTP水解，原核生物的起始過程需要1分子GTP水解成GDP及磷酸提供能量。

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

圖5-8原核生物蛋白質(zhì)合成起始復(fù)合體的形成

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

2．真核生物蛋白質(zhì)合成的起始真核生物蛋白質(zhì)合成的起始需要更多的蛋白質(zhì)因子eIF參與，目前至少發(fā)現(xiàn)有9種，其中有些因子含有多達(dá)11種不同的亞基。但對它們的功能了解甚少，主要過程如圖5-9所示。與原核系統(tǒng)類似，eIF-3使40S的小亞基與大亞基分開，但其間的反應(yīng)不同。Met-tRNAiMet首先與小亞基結(jié)合，同時與eIF-2及GTP形成起始四元復(fù)合體，該復(fù)合體再在多個因子的幫助下開始與mRNA的5′端結(jié)合。其中eIF-4因子含有1個特殊的亞基，能特異性地結(jié)合在mRNA的5′端帽子結(jié)構(gòu)上。結(jié)合在mRNA上后，核糖體小亞基就開始向3′端移動至第一個AUG，這種移動由ATP水解為ADP及磷酸來提供能量。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

圖5-9真核生物蛋白質(zhì)合成起始復(fù)合體的形成

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程三、肽鏈的延伸肽鏈延伸也可被分為三步：1．第一步，進(jìn)位氨酰-tRNA首先必須與GTP-EF-Tu復(fù)合體相結(jié)合，形成氨酰-tRNA-GTP-EF-Tu復(fù)合體并與70S中的A位點(diǎn)相結(jié)合。此時，GTP水解并釋放GDP-EF-Tu復(fù)合體。如圖5-11所示。

2．第二步，轉(zhuǎn)肽轉(zhuǎn)肽是形成肽鍵的反應(yīng)，轉(zhuǎn)肽如圖5-12所示。該過程是在延伸因子從核糖體上解離下來的同時進(jìn)行的。催化這一過程的酶是存在于核糖體大亞基上的23StRNA與酶蛋白稱為肽酰轉(zhuǎn)移酶，催化的本質(zhì)是使一個酯鍵轉(zhuǎn)變成一個肽鍵，由新加入的氨酰-tRNA上氨基酸的氨基對肽酰-tRNA上酯鍵的羰基進(jìn)行親核反應(yīng)而成。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

3．第三步，移位移位是延伸過程的最后一步，如圖5-13所示。該過程由移位因子EF-2催化（原核中為EF-G，真核中為EF-2）。核糖體的移位需要EF-G和另一分子GTP水解提供能量。移位的目的是使核糖體沿mRNA向下游移動，使下一個密碼子暴露于核糖體的合適位點(diǎn)以供繼續(xù)翻譯。此過程除需EF-2外，還需GTP、Mg2+。按進(jìn)位→轉(zhuǎn)肽→移位，每進(jìn)行一次核糖體循環(huán)，就在肽鏈上增加1個氨基酸殘基。以嘌呤霉素作為抑制劑通過實驗表明，核糖體端mRNA移動與肽基-tRNA的移位這兩個過程是偶聯(lián)的。肽鏈延伸是由許多這樣的反應(yīng)組成的，原核生物中每次反應(yīng)共需3個延伸因子，EF-Tu、EF-Ts、EF-G，真核生物細(xì)胞需EF-1、及EF-2，消耗2個GTP，向生長中的肽鏈加上一個氨基酸。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

圖5-11細(xì)菌中肽鏈延伸的第一步反應(yīng)：進(jìn)位

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

圖5-12轉(zhuǎn)肽

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

圖5-13細(xì)菌中肽鏈延伸的第三步反應(yīng)：移位

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程四、翻譯的終止翻譯的最后一步涉及到肽酰-tRNA中連接tRNA和C端氨基酸酯鍵的切斷，這一過程需要終止和釋放因子（RFs）。核糖體與mRNA的解離還需要核糖體釋放因子（RRF）的參與。細(xì)胞中通常不含能識別3個終止密碼子的tRNA。在大腸桿菌中，當(dāng)終止密碼子進(jìn)入核糖體上的A位點(diǎn)后，即被釋放因子識別。RF-1可識別UAA和UAG，RF-2識別UAA和UGA，RF-3有助于RF-1和RF-2的活性。釋放因子使肽酰轉(zhuǎn)移酶將多肽鏈轉(zhuǎn)至H2O分子而不是通常的氨酰-tRNA，釋放出mRNA并與核糖體亞基完全解離。當(dāng)釋放因子識別在A位點(diǎn)上的終止密碼子后，存在于大亞基上的肽酰轉(zhuǎn)移酶專一活性轉(zhuǎn)變成了酯酶活性，以水解新生合成的肽鏈。原核生物蛋白質(zhì)合成中新生肽鏈的釋放如圖5-14所示。第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成的過程

圖5-14原核生物蛋白質(zhì)合成中新生肽鏈的釋放

第二節(jié)蛋白質(zhì)生物合成