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1、2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 1 第 15章 蛋白质的生物合成 翻译 蛋白质的生物合成 ：指在细胞质中以 mRNA为模板，在核糖体、 tRNA和多种蛋白因子等的共同作用下，将mRNA中由 核苷酸排列顺序 决定的遗传信息转变成为由20种 氨基酸组成的蛋白质 的过程。 这一过程犹如电报的翻译过程，因此又将蛋白质的生物合成称为 翻译 。 转录和翻译统称为 基因的表达 。 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 2 遗传密码 是指 DNA(或 mRNA)中的 核苷酸（碱基）顺序 与其编码的蛋白质多肽链中 氨基酸顺序 之间的对应关系。 mRNA的每一个密码子
2、代表一个氨基酸。 起始密码子： AUG; 终止密码子 :UAA、 UAG、 UGA 。 15.1.1.1 遗传密码 15.1 蛋白质翻译系统的主要组成成分和功能 15.1.1 mRNA的结构与功能 mRNA在蛋白质翻译过程中起模板的作用 ，即 mRNA的核苷酸排列顺序决定着蛋白质氨基酸的排列顺序。 2013/11/25 3 第 15章 蛋白质的生物合成 55 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 4 终止密码子不被 tRNA阅读，而是被释放因子阅读 。 原核生物中蛋白质合成肽链的起始氨基酸是 N-甲酰甲硫氨酸（ fMet） 。由 fMet-tRNA来辨认起始密码子 AUG，
3、有时候也辨认 GUG。 AUG（ GUG）前面的信号决定着它或者被读成起始信号，或者是作为肽链内部的蛋氨酸密码子。 真核细胞起始氨基酸为 Met，起始密码子为 AUG。 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 5 15.1.1.2 遗传密码的共同特性和例外 （ 1） 简并性 除 色氨酸 和 蛋氨酸 仅有 1个密码子编码外，其余 18种氨基酸均至少有 2个密码子编码。 （ 2） 通用性 从病毒、细菌到高等动植物都共同使用一套密码子。 （ 3） 不重叠 绝大多数生物中的密码子是不重叠连续阅读的。 （ 4） 兼 职 AUG和 GUG除作为肽链合成起始信号外，还分别负责编码肽链内部的
4、 蛋氨酸 和 缬氨酸 。 （ 5） 密码子的例外 如：在支原体： UGATrp (色 )； 在纤毛虫： UAA和 UAGGlu （谷）； 在人的线粒体： UGA不是终止密码子，而是 Trp(色 ) ； AGA， AGG（精）变为了终止密码子，加上 UAA、 UAG，线粒体共有 4个终止密码子。 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 6 15.1.2 tRNA的结构与功能 (1)氨基酸接受臂 包含有 tRNA的 3 -末端和5 -末端， 3 -末端的最后 3个核苷酸残基都是 CCA。氨基酸可与其成酯，该区在蛋白质合成中起携带氨基酸的作用 。 (2)反密码 环 与氨基酸接受臂相
5、对的一般含有 7个核苷酸残基的区域，其中正中的 3个核苷酸残基称为 反密码 。 2013/11/25 7 第 15章 蛋白质的生物合成 55 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 8 15.1.3 核糖体及其功能 15.1.3.1核糖体的组成与结构 核糖体是由几十种 蛋白质 和数种 RNA组成的一种亚细胞结构。基本上不含有脂肪。 每个核糖体可解离成大小 两个亚基 ，大亚基的大小约为小亚基的 2倍。两个亚基均含有 RNA和蛋白质。 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 9 图 15-2 核糖体的结构 （ A）电子显微镜下的核糖体结构；（ B） 70S核糖体
6、及其大、小亚基形状示意图 15.1.3.2 核糖体蛋白 21种蛋白质 30S 16SrRNA 70S 34种蛋白质 50S 23SrRNA与 5SrRNA 原核生物完整的核糖体为 70S。 2013/11/25 10 第 15章 蛋白质的生物合成 55 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 11 真核生物完整的核糖体为 80S 33种蛋白质 40S 18SrRNA 80S 49种蛋白质 60S 28SrRNA、 5.8SrRNA与 5SrRNA 核糖体蛋白主要是 碱性蛋白 。 带负电荷的 RNA与碱性蛋白之间的相互作用有利于核糖体的稳定 。 2013/11/25 第 15章
7、 蛋白质的生物合成 55 12 15.1.3.3 rRNA rRNA是核糖体的重要组成部分。对于核糖体的自身组装和功能表现起着重要作用。 首先， 维持核糖体的三维结构 。 其次， rRNA还直接参加 mRNA与核糖体小亚基的结合以及亚基间的联合 ； 第三， 在蛋白质合成过程中起决定性作用 。 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 13 16S rRNA在蛋白质生物合成的起始、延伸与终止过程中发挥作用，其 3 端的单链区域与 mRNA 5端的核糖体结合位点（即 SD序列 ）互补配对。 这种相互作用对维持翻译的正确起始具有重要意义。另外， 16S rRNA还与核糖体的大小亚基结
8、合有关。 图 15-3 细菌翻译过程中的核糖体结合位点（ SD序列） 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 14 15.1.3.4 核糖体的功能 核糖体是蛋白质合成的装配机，至少 3个功能部位。 一个是 肽酰基 -tRNA部位 （ P位 ） ， 是 起始 -tRNA或肽酰基 -tRNA结合的部位 ， 在原核核糖体中大部分位于 30S亚基 ， 小部分位于 50S亚基； 第二个是 氨酰基 -tRNA结合的部位 （ A位 ） ， 是氨酰基 -tRNA结合的部位 ， 主要在 50S大亚基中； 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 15 第三是 脱氨酰基 tRNA
9、释放的部位 （ E位 ） 。 每个部位正好含有 mRNA的一个密码子 。 此外，还必须有 肽键形成的部位 ，它能催化正在延伸的多肽链与下一个氨基酸之间形成肽键。在原核细胞中，它的活性部位由 50S大亚基中的好几种蛋白质的一些部分组成，称为 转肽酶 中心。 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 16 15.1.3.5 多核糖体 从原核生物和真核生物的细胞中都可分离出 3种类型的核糖体： 核糖体 、 核糖体亚基 和 多核糖体 。 所谓多核糖体，就是 多个核糖体同时与一个 mRNA分子结合，同时合成几条多肽链，这样就显著提高了合成蛋白质的速度 。在多核糖体中，每个核糖体都独立的进
10、行翻译，各自合成完整的肽链。一条 mRNA上结合核糖体的数目与 mRNA的长度成正比，其最大密度约为每 80个核苷酸一个核糖体。 2013/11/25 第 15章 蛋白质的生物合成 55 17 15.2 原核生物的翻译过程 15.2.1 氨基酸的活化 氨基酸必须活化以后才能彼此间形成肽键而连接起来。活化的过程是使 氨基酸的羧基 与tRNA 3 -末端核糖上的羟基形成酯键 ，从而生成 氨基酰 -tRNA。 氨基酸本身并不能辨认其所对应的密码子，它们必须与各自特异的 tRNA结合后才能被带到核糖体中，并通过 tRNA来辨认密码子。 15.2.1.1 氨基酸的活化 tRNA在 氨基酰 -tRNA 合
11、成酶 的帮助下 ， 能够识别 相应 的氨基酸 ， 并通过 tRNA上氨基酸接受臂的 3-OH与氨基酸的羧基形成活化酯 氨基酰 -tRNA。 2013/11/25 18 第 15章 蛋白质的生物合成 55 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰 -tRNA 合成酶 。 氨基酸与 tRNA分子的连接产生氨基酰 -tRNA可分为二步： 第一步是氨基酸与 ATP 作用 , 形成氨基酰腺苷酸 ； 氨基酸 +ATP 氨基酰腺苷酸 （ AA-AMP） +PPi 第二步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3-OH 端上 , 氨基酰腺苷酸 +tRNA 氨基酰 -tRNA+AMP 均由同一的 氨基酰 -tRNA合成酶 催
12、化。 合并后即为： 氨基酸 +tRNA+ATP 氨基酰 -tRNA+AMP+PPi 2013/11/25 19 第 15章 蛋白质的生物合成 55 15.2.1.2 tRNA对密码子的辨认 蛋白质合成过程中 ， 每个氨基酸在肽链上的位置与 tRNA所带的氨基酸无直接的关系 ， 只取决于密码子与 tRNA反密码子的相互作用 。 密码子 5- X- Y-Z- 3 3 X-Y-Z-5 反密码子 mRNA上密码子的每个碱基与 tRNA反密码环上的密码子 碱基互补形成碱基对 。 2013/11/25 20 第 15章 蛋白质的生物合成 55 反密码子 tRNA 5 3 A U C 3 5 mRNA 密码
13、子 1 2 3 氨基酸 2013/11/25 21 事实上 ， 某些 tRNA分子能识别几种密码子 ， 为此提出了 “ 摆动假说 ” 。 （ 1） 摆动假说 ：密码子反密码子的相互作用 ， 首先要求 mRNA前两个碱基对是标准型的碱基互补 ， 以保证结合有最大限度的稳定性 ， 第三个碱基要求不那么严格 ， 可以允许结构上有小小的波动 （ 即摆动 ） ， 并有某些特异的碱基参与 。 mRNA第三位密码子碱基 tRNA第一位反密码子碱基 A U,I G C,U U A,G,I C G,I tRNA第 一 位反密码子碱基 mRNA第 三 位密码子碱基 C A U G U A,G G U,C I A,U,C （ 2）碱基配对：由表可知第一位反密码子中的 U可识别密码子中第三位碱基的 A、 G，而 G能识别密码子第三位的 U、 C，反密码子 I则可识别 A、U、 C，而 C仅识别密码子中的 G。 2013/11/25 23 第 15章 蛋白质的生物合成 55 15.2.1.3 翻译起始信号 作为起始密码子的 AUG通常离 mRNA5-末端约 20-30个碱基，在这段前导顺序中，具有一段特殊顺序AGGAGGU（ SD序列） ，位于起始 AUG之前的固定的位置上。 2013/11/25 24 第 15章 蛋白质的生物合成 55 1975年， J.Shine和 L.Dalgarno提出一种假设
