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1、第四章 生物信息的传递(下),翻译（从mRNA-蛋白质）,表,核糖体的活性位点,活性位点,功能,组分,mRNA,结合,位点,结合,mRNA,和,IF,因子,S1,、,S18,、,S21,；及,S3,、,S4,、,S5,、,S12,16SrRNA,3,末端区域,P,位点,结合,fMet-tRNA,和,肽基,-,tRNA,L2,、,L27,及,L14,、,L18,、,L24,、,L33,16S,和,23SrRNA,3,附近区域,A,位点,结合氨酰基,-tRNA,L1,、,L5,、,L7/L12,、,L20,、,L30,、,L33,16S,和,23SrRNA,（,16S,的,1400,区）,E,位点
2、,结合脱酰,tRNA,23SrRNA,是重要的,L5,、,L18,、,L25,复合体,肽酰基转移,酶,将肽链转移到氨基,酰,-tRNA,上,L2,、,L3,、,L4,、,L15,、,L16,23SrRNA,是重要的,EF-Tu,结合,位点,氨基酰,-tRNA,的进,入,EF-G,结合,位点,移位,L7/L12,GTP,酶需要,L7,、,L12,4.4 蛋白质合成的生物学机制,已证明核酸是生命体内最基本的物质，因为蛋白质的合成和结构最终都取决于核酸，但蛋白质仍是生物活性物质中最重要的大分子组分，生物有机体的遗传学特性仍然要通过蛋白质来得到表达。蛋白质的生物合成包括氨基酸活化、肽链的起始、伸长、终
3、止。,表4-12 蛋白质合成个阶段的主要成分简表,4.4.1 氨基酸的活化,氨基酸在进行合成多肽链之前,必须在氨酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸AA-tRNA。,原核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：真核生物中，起始氨基酸是：起始AA-tRNA是：,甲酰甲硫氨酸fMet-tRNAfMet甲硫氨酸Met-tRNAMet,Met+tRNAfMet+ATP Met-tRNAfMet+AMP+PPiN10-甲酰四氢叶酸+Met-tRNAfMet四氢叶酸+fMet-tRNAfMet,存在tRNAMet和tRNAfMet,存在tRNAiMet和tRNAeMet,4.4.2 翻译的起始,蛋
4、白质合成的起始是指在模板mRNA编码区5端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合物并将甲酰甲硫氨酸放入核糖体P位点。原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合,真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始复合物。起始复合物的生成除了GTP外，还需要Mg2+、NH4+及3个起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）。,图4-12 翻译起始复合物的形成。,第一步，30S小亚基与翻译起始因子IF-1，IF-3结合，通过SD序列与mRNA
5、模板相结合。第二步，fMet-tRNAfMet在IF-2的协同下进入小亚基的P位，tRNA上的反密码子与mRNA上的起始密码子配对。第三步，带有tRNA、mRNA、三个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，释放翻译起始因子。,1.原核生物翻译的起始,30S亚基具有专一性的识别和选择mRNA起始位点的性质，IF-3协助该亚基完成这种选择。Shine及Dalgarno等证明几乎所有原核生物mRNA上都有一个5-AGGAGGU-3序列，这个富嘌呤区与30S亚基上16S rRNA 3末端的富嘧啶区5-GAUCACCUCCUUA-3相互补。,SD序列（Shine-Dalgarno sequenc
6、e),存在于原核生物起始密码子AUG上游712个核苷酸处的一种47个核苷酸的保守片段，它与16S rRNA 3端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译作用。根据首次识别其功能意义的科学家命名。,图4-14细菌mRNA分子上往往存在一个与16SrRNA3末端相互补的SD序列。,细菌核糖体上一般存在三个与氨基酰-tRNA结合的位点，即A位点（aminoacyl site），P位点（peptidyl sit）和E位点（Exit site）。只有fMet-tRNAfMet能与第一个P位点相结合，其它所有tRNA都必须通过A位点到达P位点，再由E位点离开核糖体。,三
7、种起始因子IF-1IF-2 IF-3,辅助IF-370S起始复合物生成后促进IF-2释放有GTP酶活性特异识别fmet-tRNAfmet形成fmet-tRNAfmet-IF-2-GTP是30S起始复合物与50S亚基连接所必须促进30S小亚基结合mRNA终止时：促使核糖体解离,2.真核生物翻译的起始,真核生物蛋白质生物合成的起始基本与原核生物相同，只不过其核糖体较大，有较多的起始因子，mRNA具有m7GpppNp帽子结构，Met-tRNAMet不甲酰化，mRNA分子5端的“帽子”和3端的多聚A都参与形成翻译起始复合物（图4-14）。,图4-14 真核生物翻译起始复合物的形成。,除了帽子结构以外，
8、40S小亚基还能识别mRNA上的起始密码子AUG。Kozak等提出了一个“扫描模型”来解释40S亚基对mRNA起始密码子的识别作用。按照这个模型，40S小亚基先结合在mRNA5 端的任何序列上，然后沿mRNA移动直至遇到AUG发生较为稳定的相互作用，最后与60S亚基一道生成80S起始复合物。40S小亚基之所以能在AUG处停下，可能是由于Met-tRNAiMet的反密码子与AUG配对的结果。,真核生物与原核生物翻译起始的差异:,起始Met-tRNAiMet不需甲酰化；,起始因子为eIF，且种类多；,小亚基先与Met-tRNAiMet结合，再与 mRNA结合；,核糖体不同,mRNA与40s亚基的结
9、合依靠帽子结合蛋白（eIF-4E）与mRNA帽子结构的识别结合。,(6)模板不同，5端有帽子，3端有poly(A),4.4.3 肽链的延伸,生成起始复合物，第一个氨基酸（fMet/Met-tRNA）与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式（图4-16）被有序地结合上去。肽链延伸中的每个循环都包括 AA-tRNA与核糖体结合 肽键的生成 移位,图4-16 多肽链上肽键的形成缩合反应。,后续AA-tRNA与核糖体结合（进位）,图4-17细菌中肽链延伸的第一步反应：第二个氨基酰-tRNA的结合。该氨基酰-tRNA首先与EF-TuGTP形成复合物，进入核糖
10、体的A位，水解产生GDP并在EF-Ts的作用下释放GDP并使EF-Tu结合另一分子GTP，进入新一轮循环。,由于EF-Tu只能与fMet-tRNA以外的其他AA-tRNA起反应，所以起始tRNA不会被结合到A位上，mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现甲酰甲硫氨酸。,肽键的生成(转肽),图4-18细菌中肽链延伸的第二步反应：肽键的生成。,在核糖体mRNAAA-tRNA复合物中，AA-tRNA占据A位，fMet-tRNAfMet占据P位。在50S亚基上肽基转移酶（peptidyl transferase）的催化下，P位的肽（氨）酰-tRNA把肽（或氨酰基）转给A位的AA-t
11、RNA，并以肽键相连。起始tRNA在完成使命后离开核糖体P位点，A位点准备接受新的AA-tRNA，开始下一轮合成反应。,移位,图4-18细菌中肽链延伸的第三步反应：移位。核糖体通过EF-G介导的GTP水解所提供的能量向mRNA模板3末端移动一个密码子，使二肽基-tRNA完全进入P位,准备开始新一轮肽链延伸。,用嘌呤霉素作为抑制剂做实验表明，核糖体沿mRNA移动与肽基-tRNA的移位这两个过程是耦联的。肽链延伸是由许多个这样的反应组成的，原核生物中每次反应共需3个延伸因子，EF-Tu、EF-Ts及EF-G，真核生物细胞需EF-1及EF-2，消耗2个GTP，向生长中的肽链加上一个氨基酸。,肽链延伸
12、是由许多个这样的反应组成的，原核生物中每次反应共需3个延伸因子，EF-Tu、EF-Ts及EF-G，真核生物细胞需EF-1及EF-2，消耗2个GTP，向生长中的肽链加上一个氨基酸。,当终止密码子UAA、UAG或UGA出现在核糖体的A位时，没有相应的AAtRNA能与之结合，而释放因子能识别这些密码子并与之结合，水解P位上多肽链与tRNA之间的二酯键，释放新生的肽链和tRNA，核糖体大、小亚基解体，蛋白质合成结束。释放因子RF具有GTP酶活性，它催化GTP水解，使肽链与核糖体解离。,4.4.4 肽链的终止,释放因子有两类：I类释放因子识别终止密码子，并能催化新合成的多肽链从P位点的tRNA中水解释放
13、出来II类释放因子在多肽链释放后刺激I类释放因子从核糖体中解离出来。细菌细胞 RF1（能识别UAG和UAA）、RF2（能识别UGA和UAA）为I类释放因子。RF3为II类释放因子，与核糖体的解离有关。真核细胞的I类和II类释放因了分别为eRF1（能够识别3个终止密码子）和eRF3,4.4.5 蛋白质前体的加工 新生的多肽链大多数是没有功能的，必须经过加工修饰才能转变为有活性的蛋白质。N端fMet或Met的切除 细菌蛋白质氨基端的甲酰基能被脱甲酰化酶水解，不管是原核生物还是真核生物，N端的甲硫氨酸往往在多肽链合成完毕之前就被切除。,图4-20新生蛋白质经蛋白酶切割后变成有功能的成熟蛋白质。左：新
14、生蛋白质在去掉N端一部分残基后变成有功能的蛋白质；右：某些病毒或细菌可合成无活性的多聚蛋白质，经蛋白酶切割后成为有功能成熟蛋白。,二硫键的形成 mRNA中没有胱氨酸密码子，而不少蛋白质都含有二硫键。蛋白质合成后往往通过两个半胱氨酸的氧化作用生成胱氨酸。特定氨基酸的修饰氨基酸侧链的修饰作用包括磷酸化（如核糖体蛋白质）、糖基化（如各种糖蛋白）、甲基化（如组蛋白、肌肉蛋白质）、乙基化（如组蛋白）、羟基化（如胶原蛋白）和羧基化等，图4-21是生物体内最普通发生修饰作用的氨基酸残基及其修饰产物。,图4-21生物体内最常见的被修饰的氨基酸及其修饰产物。,图4-22发生在小牛组蛋白H3前35个氨基酸残基中的
15、4种化学修饰。,糖蛋白主要是蛋白质侧链上的天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸残基加上糖基形成的，胶原蛋白上的脯氨酸和赖氨酸多数是羟基化的。实验证明，内质网可能是蛋白质N-糖基化的主要场所（图4-23）。,图4-23内质网可能是蛋白质N-糖基化的主要场所。,切除新生肽链中非功能片段,如新合成的胰岛素前体是前胰岛素原，必须先切去信号肽变成胰岛素原，再切去B-肽，才变成有活性的胰岛素。,图4-23 前胰岛素原蛋白翻译后成熟过程示意图。,图4-25蜂毒蛋白只有经蛋白酶水解切除N-端的22个氨基酸以后才有生物活性。该胞外蛋白酶只能特异性切割X-Y2肽，其中X是丙氨酸，天门冬氨酸和谷氨酸，Y是丙氨酸或脯氨酸。,蛋白
16、质的折叠,分子伴侣（molecular chaperone）是一类序列上没有相关性但有共同功能的保守性蛋白质，它们在细胞内能帮助其他多肽进行正确的折叠、组装、运转和降解。至少有两类：热休克蛋白(heat shock)伴侣素（chaperonin）,4.4.7 蛋白质合成抑制剂 蛋白质生物合成的抑制剂主要是一些抗生素，如嘌呤霉素、链霉素、四环素、氯霉素、红霉素等，此外，如5-甲基色氨酸、环已亚胺、白喉毒素、蓖麻蛋白和其他核糖体灭活蛋白等都能抑制蛋白质的合成。,抗生素对蛋白质合成的作用可能是 阻止mRNA与核糖体结合（氯霉素）阻止AA-tRNA与核糖体结合（四环素类）干扰AA-tRNA与核糖体结合
17、而产生错读（链霉素、新霉素、卡那霉素等）作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成（嘌呤霉素）,链霉素是一种碱性三糖，能干扰fMet-tRNA与核糖体的结合，从而阻止蛋白质合成的正确起始，也会导致mRNA的错读。若以多聚（U）作模板，则除苯丙氨酸（UUU）外，异亮氨酸（AUU）也会被掺入。链霉素的作用位点在30S亚基上。,嘌呤霉素是AA-tRNA的结构类似物，能结合在核糖体的A位上，抑制AA-tRNA的进入。它所带的氨基也能与生长中的肽链上的羧基反应生成肽键，反应的产物是一条3羧基端挂了一个嘌呤霉素残基的小肽。,图4-26 嘌呤霉素抑制蛋白质合成的分子机制。a.嘌呤霉素的结构类似于带有氨基酰的tRNA，能与核糖体A位点相结合；b.肽基嘌呤霉素,青霉素、四环素和红霉素只与原核细胞核糖体发生作用，从而阻遏原核生物蛋白质的合成，抑制细菌生长。氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。,
