第 15 章蛋白质翻译 Protein Biosynthesis (Translation)

第15章蛋白质翻译Protein Biosynthesis (Translation)

本章主要内容 翻译系统蛋白质生物合成的过程多肽链翻译后的修饰蛋白质的到位

真核原核基因在原核和真核细胞中最终得到表达

1 蛋白质的翻译系统 原料氨基酸，20种 mRNA是合成蛋白质的“蓝图（或模板）” tRNA是原料氨基酸的“搬运工” rRNA与多种蛋白质结合成核糖体,作为合成多肽链的 “装配机（操作台）”

蛋白质翻译系统示意图

1.1 信使RNA (mRNA) mRNA是遗传信息的载体（载有遗传密码，genetic code），是合成蛋白质的蓝图（模板），它以一系列三联体密码子（codon）的形式从DNA转录了遗传信息。每个密码子代表一个氨基酸。 mRNA占细胞总RNA的5-10%，不稳定，寿命短。原核的mRNA 是多顺反子;真核的mRNA 是单顺反子。

遗传密码 上世纪60年代，利用均聚核苷酸实验，破译了遗传密码。遗传密码为三联体（每三个碱基代表一个氨基酸），由5’到3’阅读，无间断。即使在少数重叠基因（如病毒）中，其开放阅读框架（open reading frame, ORF）仍按此原则。起始密码为AUG, 终止密码为UAA，UAG和UGA。 5’AUGCCAUGCACCCGGGUU …………..CAAUAG3’ Pro Cys Thr Arg Val …………..Gln 密码有简并性（degeneracy），即一个氨基酸可由几个密码子表示；通用性，大多数生物使用同样的遗传密码，但也会有所偏爱。

遗传密码表

1.2 转运RNA (tRNA) 原核tRNA有30-40种，真核有50-60种，含70-90个核苷酸，并有多种稀有碱基。 tRNA是最小的RNA，占细胞总RNA 的15%左右，其功能是搬运氨基酸和解读密码子。 tRNA 具有“四环一臂”和“三叶草” 形的典型结构。注意：3’端CCA氨基酸受位和反密码子环

tRNA的结构—“四环一臂” 倒L形的三级结构

tRNA的功能是解读mRNA上的密码子和搬运氨基酸。tRNA的功能是解读mRNA上的密码子和搬运氨基酸。 tRNA上至少有4 个位点与多肽链合成有关：即3’CCA氨基酸接受位点、氨基酰-tRNA合成酶识别位点、核糖体识别位点和反密码子位点。每一个氨基酸有其相应的tRNA携带, 氨基酸的羧基与tRNA的 3’ CCA-OH 以酯键结合。而tRNA的反密码子可以与mRNA上相应的密码子互补结合, 以使氨基酸正确“对号入座” （因为密码子的序列对应于多肽链上的氨基酸序列）。密码子与反密码子的配对方式

变偶性或摆动性——反密码子5’端的碱基与 密码子的第三位配对不严格

1.3 核糖体（ribosome）与核糖体rRNA 核糖体是rRNA 与几十种蛋白质的复合体，有大、小两个亚基构成。含有合成蛋白质多肽链所必需的酶、起始因子（IF）、延伸因子（EF）、释放因子（RF）等。原核的核糖体（70S）= 30S小亚基 + 50S大亚基 30S小亚基: 16S rRNA + 21种蛋白质 50S大亚基: 23S，5SrRNA + 34种蛋白质真核的核糖体（80S）= 40S小亚基 + 60S大亚基 40S 小亚基: 18S rRNA + 33种蛋白质 60S 大亚基: 28S，5.8S，5SrRNA + 45种蛋白质

沉降系数 S 生物大分子在离心场中沉降，受到三种力的影响，它们是离心力，浮力和摩擦力。物质在单位离心力场的沉降速度是个定值，称为沉降系数（sedimentation coefficient）。蛋白质、核酸等的沉降系数在1 X 10-13到 200 X 10-13秒之间。为方便将10-13秒作为一个单位，称Svedberg单位，用S表示。其数值不仅与物质分子的质量有关，也与分子的形状有关。

rRNA只有4-5种，但占细胞RNA 的大部分。 图为原核生物的两种RNA 16S rRNA和5S rRNA 的结构

核糖体的结构

核糖体有4个基本功能 1. 容纳mRNA，并能沿着mRNA由5’——3’ 移动，由tRNA解读其密码； 2. 氨基酰位点（A位点），可结合氨基酰-tRNA（AA-tRNA）； 3. 肽酰基位点（P位点），可结合肽酰基-tRNA（肽-tRNA）； 4. 脱氨基酰tRNA的出口位(E位点) ; 5. 肽酰基转移酶中心，是形成肽键的位点等。

2 蛋白质的生物合成过程 2.1 氨基酸的活化所有参与合成多肽链的氨基酸都要激活，并由数十种高度专一的氨基酰-tRNA合成酶催化。该酶由两个识别位点，它们能识别特定的氨基酸和选择其所对应的tRNA，使两者连接起来（利用ATP）。反应如下：氨基酸的羧基与tRNA 的3’端CCA-OH 以酯键相连，因此其氨基是自由的。

tRNAfmet fMet-tRNA合成酶翻译起始时，第一个氨基酸一般是甲硫氨酸，其氨基要甲酰化成为甲酰甲硫氨酸，予以保护。 Met 酯键甲酰FH4 fMet-tRNA 甲酰基氨基酸与tRNA的连接方式

2.2 起始复合物的形成 首先IF3、IF1帮助30S小亚基与mRNA结合，IF2和GTP帮助甲酰甲硫氨酸-tRNA与AUG配对，接着IF3脱离，形成30S 起始复合物。50S大亚基进入， IF1和IF2脱离，形成70S起始复合物，需要GTP。甲酰甲硫氨酸-tRNA处于P位。

一个嘌呤丰富区起始密码 起始密码AUG上游的S.D序列(一个嘌呤丰富区)与其核糖体小亚基中16S rRNA的3’端互补结合有利于30S起始复合物的形成

2.3 肽键的形成和延伸 （注意新的AA-tRNA如何定位，第一个肽键如何形成，核糖体如何移动…）氨酰基tRNA进入A位新的氨基酸-tRNA的进位依赖Tu-Ts因子和GTP的协助

肽键的形成 肽键的形成由肽酰基转移酶催化（此酶具有核酶的活性）

原核生物肽链的延长 核糖体沿着mRNA 5’——3’方向移位，多肽链沿着N端向着C端延伸，须有EF-G因子和GTP参与，空载的tRNA从E位点离开

2.4 肽链的终止 氨基酸进位，肽链形成和延伸，核糖体沿着mRNA的5’——3’ 方向移位，循环往复，新合成的肽链由N端向着C端不断延长，直至mRNA上出现终止密码，相应的肽链释放因子RF1（对应UAA、UAG），RF2（对应UAA、UGA）占据A位。肽链的合成终止，并从核糖体上释放。核糖体大、小亚基解聚，并进入下一轮合成。

多个核糖体结合在同一条mRNA上，由5’——3’进行翻译，形成多核糖体（polyribosome），以提高翻译的效率多个核糖体结合在同一条mRNA上，由5’——3’进行翻译，形成多核糖体（polyribosome），以提高翻译的效率

3 多肽链的修饰和加工 (1)N—端修饰原核生物修饰时是由肽甲酰基酶除去甲酰基，多数情况甲硫氨酸也被氨肽酶除去，真核生物中甲硫氨酸则全部被切除。 (2)多肽链的水解切除水解切除其中多余的肽段，使之折叠成为有活性的酶或蛋白质。如酶原激活 (3)氨基酸侧链的修饰氨基酸侧链的修饰包括羟化、羧化、甲基化及二硫链的形成等。 (4)糖基化修饰糖蛋白是细胞蛋白质组成的重要成分。它是在翻译后的肽链上以共价键与单糖或寡聚糖连接而成。糖基化是在酶催化下进行的。

分泌型蛋白质在翻译过程中通过信号肽协助转入内质网的机制分泌型蛋白质在翻译过程中通过信号肽协助转入内质网的机制信号肽（signal peptide）是在新生的多肽链中，可被细胞识别系统识别的特征性氨基酸序列，在蛋白质翻译过程中或翻译后的定位发挥引导的作用。

本章结束

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