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1、原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰摘要:原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰，是各种功能蛋白质生物合成的一系列程序。本文通过介绍了原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰的机制、原理、过程，从而了解真核生物和原核生物的基因表达和功能蛋白质合成上的差异。关键词: 原核生物 真核生物 基因 转录 翻译 后修饰0 引言：21 世纪，基因水平上的研究受到人们广泛的关注。原核生物和真核生物中基因的转录、翻译和后修饰是基础研究，人们也只有在此基础不断扩散深入研究其它基因水平问题。本文只简单介绍了一些关于基因转录、翻译和后修饰的一部分相关研究成果。1 原核生物和真核生物中基因的转录：基
2、因转录是在由 RNA 聚合酶和辅助因子组成的转录复合物的催化下，从双链 DNA 分子中拷贝生物信息生成一条 RNA 链的过程。转录中，一个基因会被读取被复制为 mRNA，就是说一特定的 DNA 片断作为模板，以 DNA 依赖的 RNA 合成酶作为催化剂的合成前体 mRNA 的过程。转录产物主要有三类 RNA，即信使RNA（mRNA） 、核糖体 RNA（rRNA）和转移 RNA（tRNA） 。在基因转录过程中，RNA聚合酶起着非常重要的作用。RNA 聚合酶可以催化所有四种核苷- 5-三磷酸（ATP、GTP、UTP 和 CTP）聚合成与模板 DNA 互补的 RNA。此反应需要 Mg2+,反应中释放
3、焦磷酸。1该酶在转录的各个过程中发挥了不同的作用。11 基因转录的启动RNA 聚合酶正确识别 DNA 模板上的启动子并形成由酶、DNA 和核苷三磷酸构成的三元起始复合物，转录便开始进行。启动子是 DNA 分子上可与 RNA 聚合酶特异结合，而使转录开始的一段 DNA 序列而本身不被转录。DNA 模板上的启动区域常含有 TATAATG 顺序，称 P 盒。复合物中的核苷三磷酸一般为 GTP,少数为ATP,因而原始转录产物的 5端通常为三磷酸鸟苷(pppG)或腺苷三磷酸(pppA)。真核 DNA 上的转录启动区域也有类似原核 DNA 的启动区结构，和在-30bp（即在酶和 DNA 结合点的上游 30
4、 核苷酸处）附近也含有 TATA 结构，称 TATA 盒。3第一个核苷三磷酸与第二个核苷三磷酸缩合生成 3-5磷酸二酯键后,则启动阶段结束，进入延伸阶段。12 基因转录的延伸 亚基脱离酶分子，留下的核心酶与 DNA 的结合变松，因而较容易继续往前移动。核心酶无模板专一性，能转录模板上的任何顺序，包括在转录后加工时待切除的居间顺序。脱离核心酶的 亚基还可与另外的核心酶结合，参与另一转录过程。随着转录不断延伸，DNA 双链顺次地被打开,并接受新来的碱基配对，合成新的磷酸二酯键后，核心酶向前移去，已使用过的模板重新关闭起来，恢复原来的双链结构。一般合成的 RNA 链对 DNA 模板具有高度的忠实性。
5、1 .3 基因转录的终止转录的终止包括停止延伸及释放 RNA 聚合酶和合成的 RNA。在原核生物基因或操纵子的末端通常有一段终止序列即终止子； RNA 合成就在这里终止。原核细胞转录终止大多数需要一种终止因子 的帮助。真核生物 DNA 上也可能有转录终止的信号。已知真核 DNA 转录单元的 3端均含富有 AT 的序列如AATAA(A)或 ATTAA(A)等 ，在相隔 030bp 之后又出现 TTTT 顺序（通常是35 个 T）,这些结构可能与转录终止或者与 3端添加多聚 A 顺序有关。1. 4 原核生物和真核生物基因转录的差异 真核生物与原核生物基因的转录过程基本上是相同的，但仍有一些区别，主
6、要有以下几点：1原核生物的转录和翻译几乎同时进行，而真核生物的转录在胞核，翻译在胞浆。2原核生物中只有一种 RNA 聚合酶催化 RNA 的合成，而在真核生物中则有RNA 聚合酶、RNA 聚合酶和 RNA 聚合酶三种不同酶，分别催化不同种类型RNA 的合成。三种 RNA 聚合酶都是由 10 个以上亚基组成的复合酶。RNA 聚合酶存在于细胞核仁内，催化合成除 5SrRNA 以外的所有 rRNA 的合成；RNA 聚合酶和 RNA 聚合酶均存在于细胞核质内，RNA 聚合酶催化合成 mRNA 前体，即不均一核 RNA(hnRNA)的合成，而 RNA 聚合酶催化 tRNA 和小核 RNA 的合成。13真核
7、和原核生物的在起始点识别和转录终止的方式也有所不同，在前面基因过程中有所介绍。2 原核生物和真核生物的翻译基因的遗传信息在转录过程中从 DNA 转移到 mRNA，再由 mRNA 将这种遗传信息表达为蛋白质中氨基酸顺序的过程叫做翻译，即蛋白质的生物合成。现研究证明：mRNA 的翻译是从 mRNA 的 5端向 3进行的。所有蛋白质的翻译开始于甲硫氨酸的参与，一个特殊的起始 tRNA 对所有蛋白质合成中起始氨基酸-甲硫氨酸的掺入负责，这个 tRNA 可简写为 tRNAiMet,它也对选择在 mRNA 上在什么位置开始翻译起重要作用。2翻译即蛋白质的生物合成的过程大致为：（1）氨基酸的激活；（2）肽链
8、合成的起始；（3）肽链的延长；（4）肽链合成的终止和释放。21 氨基酸的激活tRNA 在氨基酰-tRNA 合成酶的帮助下，能够识别相应的氨基酸，并通过tRNA 氨基酸臂的 3-OH 与氨基酸的羧基形成活化酯氨基酰-tRNA。氨基酰-tRNA 的形成是一个两步反应过程：第一步是氨基酸与 ATP 作用, 形成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3-OH 端上, 形成氨基酰-tRNA。一般说来，各种氨基酸需要各自专一的合成酶来激活，原核细胞大体如此，真核细胞则每种氨基酸有一个以上专一的合成酶。在合成酶的作用下，氨基酸被激活且转移到 tRNA 分子上。22 肽链合成的起始在蛋白
9、质生物合成的起始阶段，核糖体的大、小亚基，mRNA 与甲酰甲硫氨酰 tRNAimet 共同构成 70S 起始复合体。这一过程需要一些称为起始因子（initiation factor，简称 IF）的蛋白质以及 GTP 与镁离子的参与。已知原核生物中的起始因子有 3 种。IF3 可使核糖体 30S 亚基不与 50S 亚基结合，而与mRNA 结合，IF1 起辅助作用。IF2 特异识别甲酰甲硫氨酰 tRNAiMet，可促进30S 亚基与甲酰甲硫氨酰 tRNAiMet结合，在核糖体存在时有 GTP 酶活性。起始阶段可分两步：先形成 30S 起始复合体，再形成 70S 起始复合体。（一）30S 起始复合体
10、的形成：原核生物 mRNA 的 5端与起始信号之间，相距约 25 个核苷酸，此处存在富含嘌呤区（如 AGGA 或 GAGG） ，称为 Shine-Dalgarno（SD）序列。核糖体30S 亚基的 16S rRNA 有一相应的富含嘧啶区可与 SD 序列互补。由此，30S 亚基在 IF3 与 IF1 的促进下，与 mRNA 的起始部位结合。IF2 在 GTP 参与下可特异与甲酰甲硫氨酰 tRNAiMet结合，形成三元复合物，并使此三元复合物中 tRNA的反密码子与上述 30S 亚基上 mRNA 的起始密码子互补结合，形成 30S 起始复合体。所以，30S 起始复合体是由 30S 亚基、mRNA、
11、甲酰甲硫氨酰 tRNAiMet及 IF1、 IF2、 IF3 与 GTP 共同构成。（二）70S 起始复合体的形成：30S 起始复合体一旦形成，IF3 也就脱落，50S 亚基随即与其结合。此时复合体中的 GTP 水解释出 GDP 与无机磷酸，使 IF2 与 IF1 也都脱落，形成了 70S起始复合体。70S 起始复合体的形成，表明蛋白质生物合成的起始阶段已经完成，已可进入肽链延长阶段。70S 起始复合体由大、小亚基，mRNA 与甲酰甲硫氨酰 tRNAiMet共同构成。23 肽链的延长这一阶段，与 mRNA 上的密码子相适应，新的氨基酸不断被相应特异的tRNA 运至核糖体的受位，形成肽链。同时，
12、核糖体从 mRNA 的 5端向 3端不断移位以推进翻译过程。一般有以下过程：（1）进位（氨酰 tRNA 进入 A 位点） ，此过程参与因子有：延长因子 EFTu（Tu） 、EFTs（Ts） 、GTP、氨酰tRNA。 （2）肽链的形成：肽酰基从 P 位点转移到 A 位点，形成新的肽链。（3）：移位：在移位因子（移位酶）EFG 的作用下，核糖体沿 mRNA（5-3）作相对移动，使原来在 A 位点的肽酰tRNA 回到 P 位点。24 肽链合成的终止和释放终止阶段包括已合成完毕的肽链被水解释放，以及核糖体与 tRNA 从mRNA 上脱落的过程。这一阶段需要 GTP 与一种起终止作用的蛋白质因子释放因子
13、（release factor， RF）的参与。原核生物的 RF 有 3 种。RF1 识别终止信号 UAA 或 UAG，RF2 识别 UAA 或 UGA，RF3 可与 GTP 结合，水解 GTP 为GDP 与磷酸，协助 RF1 与 RF2。RF 使大亚基“给位” 的转肽酶不起转肽作用，而起水解作用。转肽酶水解“给位” 上 tRNA 与多肽链之间的酯键，使多肽链脱落。RF、核糖体及 tRNA 亦渐次脱离。从 mRNA 上脱落的核糖体，分解为大小两亚基，重新进入核糖体循环。核糖体大小亚基解离状态的维持需要 IF3。25 原核生物和真核生物翻译的差异1真核生物和原核生物的翻译机制非常相似，但并不相同
14、。真核生物翻译过程涉及因子多，起始复合物形成较复杂。以下简要说明几个主要区别：1真核生物的蛋白质合成与 mRNA 的转录生成不偶联， mRNA 在细胞核内以前体形式合成，合成后需经加工修饰才成熟为 mRNA，从细胞核内输往胞浆，投入蛋白质合成过程，而原核生物的转录与翻译几乎同时进行； 2原核生物起始因子主要有 IF1， IF2 和 IF3 三种，而真核生物的起始因子就有 9 种左右，其中 elF2 由 3 个亚基组成（2，2 和 2） ，而 elF4 按其参与复合物的作用不同区分为 4A，4B，4C，4E，4F。而形成的复合物 4F 称为帽子结构结合蛋白复合物（CBPC） 。3起始复合物形成过
15、程的次序差异：真核生物蛋白质合成的起始过程分为三步：43S 起始复合体的形成；48S 起始复合体的形成和 80S 起始复合体的形成。真核生物与原核生物蛋白质合成的起始阶段中，真核细胞起始的 Met-tRNAi 只选择 mRNA 起始密码 AUG，而原核细胞起始密码除 AUG 外，还有GUG，UUG ，甚至 AUU 也可利用；40S 亚基与 mRNA5-末端接触并沿着mRNA 寻找起始密码 AUG，开始翻译的过程需要 ATP 供能。真核 mRNA 中 AUG 前的附加信号是不需要的。3 原核生物和真核生物的后修饰蛋白质生物合成完成后，必然要对新生蛋白质的进行加工修饰，才能转变为具有不同功能的蛋白
16、。把某些从 mRNA 翻译出来的蛋白质修饰加工成能被生物体细胞利用的成熟蛋白质就叫做翻译后修饰。6加工修饰的类型很多，以下简单介绍四种。31 N-端 f-Met 或 Met 的切除原核生物的肽链，其 N-端不保留 fMet，大约半数蛋白由脱甲酰酶除去甲酰基，留下 Met 作为第一个氨基酸；在原核及真核细胞中 fMet 或者 Met 一般都要被除去，此是由氨肽酶水解来完成的。水解的过程有时发生肽链合成的过程中，有时在肽链从核糖体上释放以后。至于是脱甲酰还是除去 fMet，这常与邻接的氨基酸有关。如第二氨基酸是 Arg,Asn,Asp,Glu,Ily 或 Lys 以脱甲酰基为主，如邻接的氨基酸是 Gly,Pro,Thr 或 Val 则常除去 fMet。32 二硫键的形成两个半胱氨酸相距较远硫氢基可以氧化成二硫键，产生 mRNA 中没有相应密码子的胱氨酸。很多细胞外蛋白质
