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1、第六章 蛋白质的合成翻译,第一节 翻译概述,对于终产物为RNA的基因，只要进行转录并进行转录后的处理，就完成了基因表达的全过程 对于终产物是蛋白质的基因，还必须将mRNA翻译成蛋白质以mRNA为模板合成蛋白质的过程，叫翻译,密码子的意义并不是单独由mRNA决定的，而是由mRNA和携带氨基酸的tRNA相互作用所决定的 tRNA分子上的反密码子与其相应的氨基酸之间并无结构上的相关性，而且tRNA分子本身并不能催化相应氨基酸的荷载，而是需要相应的氨酰基-tRNA合成酶来催化,氨酰基-tRNA合成酶又是如何识别它的两个底物的呢？对于氨基酸来说,是识别它们的侧链基团;而对于tRNA分子来说,每个tRNA
2、分子上有一个特异的小区以供其氨酰基-tRNA合成酶所识别,这就是tRNA分子上的副密码子荷载相应氨基酸的tRNA分子并不能独立地与mRNA发生作用,因为单靠密码子与反密码子三个碱基对之间的氢健联结是无法保证配对精确性的,更无法形成肽键并促成肽链的起始、延伸和终止。因此,需要核糖体和有关因子的存在,mRNA 含有一系列密码子(Codons),这些密码子同氨酰-tRNA的反密码子(AntiCodon)相互作用,使相应的氨基酸掺入到肽链中核糖体提供一个控制mRNA与氨酰-tRNA相互作用的环境,它像一个沿着模板前进的移动工厂,快速地重复合成肽键的循环氨酰-tRNA以惊人的速度进出核糖体，卸载下氨基酸
3、；延伸因子(Elongation factor)反复的与核糖体结合、解离。在这些辅助因子(Accessory factors)的共同参与下核糖体完成蛋白质合成的全过程。,第二节 mRNA和tRNA,一、mRNA的结构与功能1、大小：150 1800 bp，沉降系数812S2、结构：单链，局部区域可形成双链3、功能：传递遗传信息，将DNA的遗传信息传递合成蛋白质 蛋白质合成的信息蕴藏在三联核苷酸密码 中，每个密码子指定一个氨基酸。DNA或mRNA的四种碱基共组成64个三联体密码子，其中61个密码子编码常规的20种氨基酸，3个密码子为肽链终止密码，又称为无义密码子。,由于有61个密码子分配给20种
4、氨基酸，因此出现了由多种密码子(最多为6种)编码一个氨基酸的现象，这称为密码子的简并性（degeneracy）。定义同一个氨基酸的几个密码子称为同义密码子（synonym）,如UUU和UUC是Phe的同义密码子，而Ser是同义密码子UCU、UCC、UCA、UGG、AGU和AGC编码的。事实上，当密码子的第一和第二个核苷酸完全相同时，第三个核苷酸无论时胞嘧啶还是尿嘧啶，均编码相同的氨基酸。,每条mRNA的蛋白质编码区由连续的、不交叉的、称作可读框(open-reading frame,ORF)的密码子串组成。每个ORF对应一个蛋白质，其起始和终止点都位于mRNA内部，即ORF的终止点不同于mRN
5、A的终止点。翻译起始于ORF的5端起点，一个密码子一个密码子的通向3端终点。第一个和最后一个密码子分别称为起始密码子(start codon)和终止密码子(stop codon)。,细菌中，起始密码子通常为5-AUG-3,但5-GUG-3和5-UUG-3也使用；真核细胞总是使用5-AUG-3为起始密码子。起始密码子有2个主要功能，第一，指定掺入到增长的多肽链中的第一个氨基酸；第二，确定了所有后续密码子的可读框。由于密码子是一个一个，而且由三个核苷酸组成，一旦翻译开始，每一后续的密码子总是立即紧接着（但不重叠）前一个密码子，这样，通过固定第一个密码子的位置，起始密码子决定了所有后续密码子的位置。
6、终止密码子有3个，5-UAG-3、5-UGA-3和5-UAA-3，它们决定了可读框的终点，并发出终止多肽合成的信号。,对可读框含义的理解：它是一段连续的密码子，以特定的框架（由第一个密码子决定）来“阅读”，该框架对翻译是开放的，因为它没有终止密码子（即，直到ORF的最后一个密码子）。mRNA包含至少一个ORF。每条mRNA的ORF数量在真核和原核细胞中有区别：真核细胞的mRNA几乎都只有一个ORF，而原核细胞的mRNA经常含有2个或多个ORF，因此编码多个肽链。含有多个ORF的mRNA称作多顺反子mRNA，只编码一个ORF的mRNA称作单顺反子mRNA，多顺反子mRNA常常编码功能相关的蛋白质
7、。,4、密码子的一般特征（1）兼并性（2）密码子中不同碱基的重要性：密码子中前2个碱基决定了密码子的特异性，第3个起到辅助作用，一个显而易见的规律是，当一个密码子的第1和第2个碱基均为G或C，第3个位置上的碱基无论是4个中的哪一个，均编码相同的氨基酸；但当第1和第2个碱基均被A或U占据时，第3个位置上的碱基对蛋白质的编码就会产生影响（3）通用性：除线粒体外，真核和原核生物密码子体内体外通用（4）密码子阅读方向为53，与RNA合成方向一致,精氨酸有六种编码同义密码子（AGA，CGT，CGC，CGA，CGG，和AGG）。但是在酵母基因组中，精氨酸的48%由密码子AGA确定，而其余五种编码精氨酸的同
8、义密码子则以较低的大致相等的频率被使用（每种10%左右）;果蝇以完全不同的密码子使用偏性编码精氨酸，即比起其它五种选择（每一种的出现频率约为13%）来说，果蝇更倾向于使用密码子CGC（33%）。某一物种或某一基因通常倾向于使用一种或几种特定的同义密码子，这些密码子被称为最优密码子(Optimal Codon)，此现象被称为密码子偏好性(Codon Usage bias)。人们已对不同物种的密码子使用偏好性进行了一些研究，发现不同物种的基因在密码子使用上存在着明显的偏好性；不同功能的基因其密码子使用偏好性也存在较大的差异。,二、tRNA的结构与功能,tRNA是密码子和氨基酸之间的转配器。蛋白质合
9、成的核心是将核苷酸序列的信息（以密码子的形式）翻译成氨基酸，这是由tRNA分子完成的，它担当密码子及其所指定的氨基酸直接的转配器。tRNA分子有多种，但每一种仅与一个特定的氨基酸结合并识别mRNA的一个或几个特定的密码子（多数tRNA识别一个以上密码子）。,1、大小:7595个核苷酸组成的小分子RNA2、结构：虽然不同来源的tRNA各自的序列不同，但有很多共同特征：（1）碱基成分相近，含有稀有碱基，且很稳定。这些稀有（或特殊）碱基是多核苷酸链的正常碱基在转录后由酶的修饰作用形成的，例如假尿嘧啶（U）就是尿苷经异构化作用使尿嘧啶与核糖结合的位置从环1位的N转移到环5位的C而形成的；双氢尿嘧啶是尿
10、苷经酶的作用使5位和6位之间的C双键减为单键而而形成的。,（2）几乎所有tRNA的5末端为G，只有少数为C；（3）3末端均以5-CCA-3序列结束。空间结构：tRNA都有三叶草型的二级结构。RNA分子通常含有自我互补区域，能够通过碱基配对形成有限的双螺旋结构，而RNA的其他区域因没有互补结构，所以是单链的。tRNA的三叶草型结构主要特征是有一受体臂、3个茎环（U环、D环和反密码子环）和第四个可变环,受体臂：结合氨基酸的位点而得名，由5和3端的碱基配对而成，3端的5-CCA-3序列伸出双链外；U环：因特殊碱基U（假尿嘧啶）的存在而得名；D环：因双氢尿嘧啶的存在而得名；反密码子环：包含反密码子，即
11、一个通过碱基配对识别mRNA的密码子的三核苷酸解码单位。反密码子的两端由5端的尿嘧啶和3端的嘌呤界定；可变环：位于反密码子环和U环之间，从312bp不等。,3、反密码子：在tRNA分子上，用于识别mRNA上密码子，并与其配对的三个碱基组成的序列。反密码子的前两个碱基很重要，叫反密码子的摇摆性，即一种反密码子能与不同的密码子发生碱基配对的现象。同工tRNA（isoaccepting tRNA）：携带的氨基酸相同，而反密码子不同的一组tRNA。,三、氨基酸与tRNA的连接,1、氨基酰tRNA的合成氨基酸通过高能酰基连接到tRNA 3端的腺苷酸上使tRNA负载，连接了氨基酸的tRNA分子称为负载的（
12、charged）tRNA，未连接氨基酸的tRNA分子称为空载的（uncharged）tRNA。负载过程需要氨基酸的羧基与tRNA受体臂末端突出的腺苷酸的2或3羟基形成酰基。,形成的酰基是一个高能磷酸键，这一高能磷酸键水解释放的能量帮助多肽链中氨基酸之间肽键的形成。2、氨基酰tRNA合成酶分两步使tRNA负载 氨基酰tRNA合成酶分两步使tRNA负载：第一步为腺苷酰基化（adenylylation），即氨基酸和ATP反应形成氨基酰-腺苷酸，同时释放出焦磷酸；第二步为tRNA负载（tRNA charging）,氨基酰-腺苷酸与tRNA反应，导致氨基酸通过2或3羟基被转移到tRNA的3端，同时释放出
13、AMP。,AA ATP AA-AMP PPiAA-AMP tRNA AA-tRNA AMP,氨基酰tRNA负载的两个步骤:a、氨基酸的腺苷酰基化；b、腺苷酰化的氨基酸转移至tRNA上,3、每种氨基酰tRNA合成酶连接一个氨基酸到一个或多个tRNA上20种氨基酸的每一种都是通过专门的tRNA合成酶连接到正确的tRNA上，由于大多数的氨基酸是由多于一个的密码子决定的，因此由一个tRNA合成酶识别多于一个的tRNA（同工tRNA）,并使其负载。,第三节 核糖体,核糖体是蛋白质合成的场所，是指导蛋白质合成的大分子机器，rRNA和蛋白质组成了核糖体,1、核糖体的构成核糖体是由RNA和蛋白质组成的大亚基和
14、小亚基两个部件组成的，大亚基含有肽键转移酶中心(peptidyl transferase center)，负责肽键的形成；小亚基含有解码中心(decoding center)，负载氨基酸的tRNA在此阅读或“解码”mRNA的密码子单位。,大、小亚基的命名是根据离心时的沉降速率而定的，测量沉降速率的单位是Svedberg(S;S值越大，沉降速率越快)斯韦德贝里，1884-1971,瑞典化学家,曾获1926年诺贝尔化学奖，超速离心的发明者。,原核生物和真核生物核糖体的构成组成,真核生物核糖体的构成比原核生物复杂。大、小亚基都由核糖体RNA和许多蛋白质组成。,2、核糖体的组装核糖体是以rRNA为骨架
15、，将蛋白质结合上去，而另一部分蛋白质则结合在蛋白质上。,3、核糖体的活性位点（1）mRNA结合位点（2）tRNA的结合位点：核糖体上有3个tRNA的结合位点A、P和E，A位点是氨基酰tRNA的结合位点，P位点是肽基酰tRNA的结合位点，E位点是延伸的多肽链转移到氨基酰tRNA后释放的tRNA的结合位点（E，EXIT）,（3）5S rRNA位点：位于50S上，与tRNA的介入有关（4）肽基转移酶活性位点：A位点和P位点之间的连接处（5）延伸因子位点:位于50S上，靠近30S，与氨基酰tRNA的结合有关,第四节 肽链的合成,肽链的合成 翻译的起始翻译延伸翻译终止,翻译过程就是一个不断的循环过程，每
16、一个循环包括大、小亚基之间及其与mRNA的结合，翻译mRNA，然后各自分离，这种结合和分离称为核糖体循环(ribosome cycle),即，当mRNA和起始tRNA结合于游离的小亚基上，翻译过程就开始了，随后这个小亚基-mRNA的复合体吸引大亚基结合，从而形成完整的、夹着mRNA的核糖体；随后，蛋白质合成启动，始于mRNA 5端的起始密码子，并向3端移动；随着核糖体从一个密码子易位到另一个密码子，一个接一个的负载tRNA进入核糖体的解码和肽基转移酶中心；当移动的核糖体遇到终止密码子时，已合成的多肽链就被释放出来，核糖体大、小亚基分离，各自离开mRNA。这些已分离的亚基就可以结合到新的mRNA
17、分子上，开始下一轮蛋白质合成的循环。,虽然一个核糖体一次只能合成一条肽链，但每个mRNA分子可以同时被多个核糖体结合同时进行翻译。结合多个核糖体的mRNA称为多核糖体（polyribosome 或polysome）,一、翻译的起始蛋白质合成（翻译）要成功的起始，必须发生3个重要的事件，第一，核糖体必须被募集到mRNA上；第二，负载的tRNA必须置于核糖体的相应位点上；第三，核糖体必须精确地定位于起始密码子上。,原核细胞翻译起始：,1、三元复合物IF3-30S-mRNA的形成（1）起始因子3与小亚基结合形成复合物（IF3-30S小亚基复合物）原核细胞的翻译起始于小亚基，由3种翻译起始因子(tra
18、nslation initiation factor)IF1、IF2和IF3所催化。,（2）IF3-30S小亚基复合物与mRNA结合即mRNA募集到小亚基上，形成IF3-30S-mRNA三元复合物。原核细胞的mRNA最初通过与rRNA的碱基配对募集到小亚基上。小亚基和mRNA的结合是由mRNA的核糖体结合位点和小亚基的16S rRNA之间的碱基配对作用介导的；对定位理想的核糖体结合位点，小亚基处于mRNA的恰当位置，使大亚基加入复合体时，起始密码子正好处于P位点。大亚基是在起始过程即将结束时加入复合体的，恰好在第一个肽键形成之前。,2、30S前起始复合物的形成（1）起始因子结合于小亚基每一个起
19、始因子结合于小亚基的3个tRNA结合位点或附近，随着3个起始因子的加入，小亚基已经准备好结合起始tRNA了。,（2）在起始因子作用下，甲酰甲硫氨基酸起始tRNA（fMet-tRNAMet）与mRNA分子中的起始密码子结合，即密码子和反密码子相互反应。起始tRNA（initiator tRNA）为特定tRNA，它与起始密码子（通常为AUG或GUG）碱基配对。,3、70S起始复合物的形成50S大亚基与已经形成的30S前起始复合物结合，同时IF2因子脱离，形成70S起始复合物，即30S-mRNA-50S-fMet-tRNAMet复合物，此时，fMet-tRNAMet占据50S的肽酰位点（peptid
20、yl site,P位点）,而50S氨基酰位点（aminoacyl site,A位点）是空的。这个核糖体-mRNA的复合体已经准备好在A位点结合负载tRNA，开始肽链的合成。,二、肽链的延伸,新生肽链的延伸过程包括进位、肽键形成、脱落和移位4个步骤，肽链合成的延长需要2种延长因子(elongation factor,EF),分别为EF-T和EF-G，该阶段需要GTP提供延伸过程所需的能量。（P315),1、进位70S起始复合体形成后，新的氨酰-tRNA进入50S亚基，结合到A位点，与mRNA分子上相应的密码子结合。,2、肽键形成在大亚基肽酰转移酶催化下，将P位点上的tRNA所携带的甲酰甲硫氨酰（
21、肽酰基）转移到A位点上新加入的氨酰-tRNA，即由P位点上的氨基酸（或肽的3端氨基酸）上的羧基与A位点上的氨基酸的氨基形成肽键。此时，P位点上的tRNA成为无负载的，而A位点上的tRNA负载二肽或多肽酰基。,3、无负载tRNA脱落50S亚基P位点上无负载tRNA（最初为tRNAMet）从复合体上脱落下来。肽酰tRNA从A位点转移到P位点。,4、移位在EF-G和GTP的作用下，核糖体沿着mRNA链移动，每次移动一个密码子的距离，使下一个密码子准确定位于A位点，而此时，原来处于A位点的二肽或多肽酰tRNA已经转移到P位点。依次按上述顺序循环，延长过程每重复一次，肽链就延伸一个氨基酸，直到整个肽链合
22、成完成。,三、翻译终止,氨基酰tRNA的结合、肽键的形成和移位的循环，在3个终止密码子的其中之一进入A位点时就终止了。终止密码子是由释放因子(release factor,RF)或称为终止因子识别的，这些因子激活多肽链从多肽酰tRNA中释放的水解反应。（图15，P317）,1、多肽链合成终止mRNA上肽链合成的终止密码子UAA、UAG或UGA的一种出现在核糖体A位点时，终止因子识别这些密码子，并与之结合，阻止肽链的延伸。,2、多肽链释放终止因子使核糖体上P位点的肽酰转移酶发生变构，酶活性由转肽作用转变为水解作用，使tRNA与其所携带的多肽链水解，多肽链从核糖体及tRNA上释放出来。最后，核糖体与mRNA分离。,真核生物蛋白质合成：,真核生物蛋白质的合成基本类似于原核生物，其区别在于（1）真核生物的mRNA通过5帽子结构识别及许多辅助因子的作用吸引小亚基，然后，小亚基以53方向沿着mRNA巡视，直到遇见起始密码子AUG。与原核生物一样，只有在起始密码子AUG被识别后大亚基才能结合于mRNA。,(2)核糖体结构、大小、组成及mRNA等不同(3)翻译的起始过程中涉及更多的起始因子，起始过程更复杂,
