第十五章 蛋白质的生物合成-翻译

二、tRNA
tRNA是氨基酸的搬运工具。 tRNA是多肽链和mRNA之间的 重要转换器。 每一种氨基酸可以有一种以上 tRNA作为运载工具。 能够携带相同氨基酸而反密码子 不同的一组tRNA分子称为氨基 酸的同工受体tRNA （isoaccepting tRNA） 。
tRNA须具备的功能 • 与氨基酸结合（3’末端） • 识别特异的氨酰-tRNA合成酶（D环） • 识别mRNA链上密码子 • 与核糖体结合，使延长中的肽链附着于核糖体上（TψC环）
蛋白质生物合成过程包括： 1. 氨基酸的活化； 2. 合成起始； 3. 肽链延伸：进入、转肽、移位； 4. 终止合成。
一、氨基酸的活化
二、合成的起始阶段
核糖体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨酰tRNA的结合； 核糖体大亚基结合。
1. 核糖体大、小亚基分离 IF1和IF3与30S小亚基结合，促进核糖体大、小
翻译过程实际上就是由tRNA携带着氨基酸，逐一识别 mRNA上的密码子，并将氨基酸依密码子的排序相互 连接的过程。核糖体是翻译的场所。
一、mRNA模板和遗传密码
• mRNA是翻译的直接模板。 （一）遗传密码的破译
mRNA上四种核苷酸→组成蛋白质的20种aa
核苷酸与氨基酸对应关系？
3个相邻的核苷酸→1个aa， 有43种排列→64种密码子
• 核糖体可以看作是一个大分子的机构，它具有许多精密的 配合部分，来挑选并管理参与蛋白质合成的各个组分。它 参与多肽链的启动、延伸和终止的各种因子的识别。
原核生物核糖体
5S rRNA， 23S rRNA 50S
34种蛋白质 70S
16S rRNA 30S
21种蛋白质
真核生物核糖体
5SrRNA，5.8SrRNA，28SrRNA 60S
IF-2 GTP
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
30S起始复合体
4. 核糖体大亚基结合，起始复合体形成
IF2结合的GTP被水解，三种IF脱离，50S大亚基与30S小亚 基、模板mRNA以及起始fMet-tRNAf构成起始复合体。
IF-2 -GDTP
Pi
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
70S起始复合体
• 氨基酸的活化与携带反应由氨酰tRNA合成酶催化。
• 书写规则：tRNAGly 表示将要接受甘氨酸的tRNA； Gly-tRNAGly表示对应的氨酰tRNA。
氨酰tRNA合成酶催化的反应 第一步：氨基酸的活化
氨基酸 + ATP + E → 氨酰-AMP-E + PPi
第二步：氨酰tRNA的生成 氨酰-AMP-E + tRNA → 氨酰tRNA + AMP + E
五、延伸因子（EF）
• 与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为延伸因子 （elongation factor，EF）。
• 原核生物中存在3种延长因子（EF-TU，EF-TS，EF-G）。
多肽链合成的延伸因子
六、释放因子（RF）
• 与多肽链合成终止并使之从核糖体上释放相关的 蛋白因子称为终止因子（termination factor， TF）或释放因子（release factor，RF）。
（synonymous codons）。 • 遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要意义。
遗传密பைடு நூலகம்的简并性
2. 通用性（universality）
蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶 绿体等。 密码的通用性对进化过程中物种的稳定性及物种之间的 相互联系与沟通十分重要。
• RF在原核生物中有3种：RF1，RF2，RF3 。
RF的生物学功能主要有：
• RF1特异识别终止密码子UAA、UAG；而RF2可识别 UAA、UGA； RF3 与GTP结合并促进RF1和RF2与A位 点的结合。
• 终止因子作用于A位点，促使肽酰tRNA的水解、肽链 和tRNA的释放以及核糖体解离为大、小亚基。
亚基分离，为合成作准备。
IF-1 IF-3
2. mRNA在小亚基的精确定位
mRNA的起始密码子如何在30S亚基上找到准确 位置？
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
原核mRNA的5’上游区有一段富含嘌呤的特殊核苷酸顺序，称为S-D 序列（Shine-Dalgarno序列），一般为4-9个核苷酸。
而原核16S rRNA3’端存在一段富含嘧啶的序列，二者之间可通过碱基 配对，使mRNA与核糖体小亚基结合。
起始tRNA
• 能够识别mRNA中5´端起始密码AUG的tRNA是一种特 殊的tRNA，称为起始tRNA，用于肽链的起始。
• 在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸（Nformalmethionine ， fMet) 的 tRNA ， 即 fMet-tRNAf ； 而 在 真 核 生 物 中 ， 起 始 tRNA 是 一 种 携 带 蛋 氨 酸 的 tRNA，即Met-tRNAm。
49种蛋白质 80S
18SrRNA 40S
33种蛋白质
核 糖 体 的 组 成
核糖体大、小亚基的功能
1. 三个与tRNA结合的位点： • ⑴ A位（aminoacyl site）： 又称氨酰基位点，可与新进入 的氨酰tRNA结合；由大、小亚 基成分构成。 • ⑵ P位（peptidyl site）：又 称肽酰基位点，可与延伸中的 肽酰tRNA结合；由大、小亚基 成分构成。也是fMet-tRNAfMet 可结合的唯一位点。 • ⑶ E位（exit site）：又称排 出位，空载tRNA脱离核糖体前 的结合位点；主要由大亚基成 分构成。
mRNA上的遗传密码
作 为 指 导 蛋 白 质 生 物 合 成 的 模 板 ， mRNA 中 每三个相邻的核苷酸组成三联体，代表一个氨基 酸的信息，此三联体就称为密码子（codon）。
标准的通用遗传密码表
遗传密码共有64种，其中： 起始密码（initiation codon）: AUG； 终止密码（termination codon）: UAA，UAG， UGA。没有对应的tRNA的 反密码子与之结合，但能被 蛋白质合成的终止因子或释 放因子识别，终止肽链结合。
（二）遗传密码的特性
1.简并性 2.通用性 3.不重叠 4.兼职
1. 简并性（degeneracy）
• 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外， 其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。
• 一个氨基酸存在多个密码子的现象称为密码子的简并性。 • 编码同一个氨基酸的一组密码子称为同义密码子
1966年F.Crick提出的摆动假说（wobble hypothesis）
密码子与反密码子的摆动配对
tRNA反密码子 第1位碱基
I
U G AC
mRNA密码子 第3位碱基
U, C, A A, G U, C U G
三、rRNA和核糖体
• 核 糖 体 （ ribosome ） 是 蛋 白 质 合 成 的 场 所 ， 是 由 多 种 rRNA与蛋白质组装形成的复合体。
原核生物翻译过程中核糖体结构模式
• 2.与模板mRNA：主要与小亚基 有关。
• 3.起始因子、延伸因子及释放因 子的结合位点：分别由大、小亚 基成分构成。
• 4.GTPase活性：水解GTP，获得 能量；分别由大、小亚基成分构 成。
• 5.转肽酶活性：将P位上的肽酰基 转移给A位上的氨酰tRNA，形成 肽键；由大亚基成分构成。
3. 不重叠
不重叠：每3个碱基编码1个氨基酸，碱基不重复使 用。
遗传密码的阅读框架
通常只有一种阅读框能够正确地编码有功能活性的蛋白质， 而其他两种阅读框架存在太多的终止密码子，而无法解读和 翻译为功能蛋白质的氨基酸序列。
从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止 密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码子 连续排列编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅 读框（open reading frame，ORF）。
• 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的 tRNA，识别非起始部位的蛋氨酸密码子AUG，用于肽 链的延伸。
• 所以AUG兼职密码子，它既可以作为起始密码子，作为 肽链合成的起始信号；另外也可作为肽链内部相应氨基 酸的密码子，这时AUG编码Met。
tRNA对密码子的辨认
密码子的第一、第二位专一性很强，第三位专一性就弱。 已证明，密码子的专一性主要由前两位碱基决定， Crick对第三位碱基的这一特性给于一个专门的术语， 称“摆动性” wobble。
氨基酸的活化和氨酰tRNA生成
• 一个氨基酸的羧基与另 一个氨基酸的氨基失水 缩合成为肽键，从热力 学上是极端困难的。
• 但是若将氨基酸转移到 tRNA 分子上，则能使 氨基酸的羧基活化，就 能较容易地与氨基酸失 水缩合了。
• 特定的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨酰tRNA， 从而由tRNA携带活化的氨基酸参与蛋白质的生物合成。
第十章 蛋白质的生物合成 — 翻译
• 蛋白质生物合成体系 • 原核生物蛋白质合成的过程
• 蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的 遗传信息，再具体转译为蛋白质中氨基酸排列顺序的 过程，这一过程被称为翻译（translation）。
第一节 蛋白质生物合成体系
参与蛋白质生物合成的物质
• 原料：20种氨基酸 • 供能：ATP和GTP • 运载工具：tRNA • 模板：mRNA（每个aa由三个碱基确定） • 装配机：核糖体（rRNA、蛋白质） • 其他：酶、蛋白质因子、无机离子（Mg2+、K+ ）
原核生物翻译过程中核糖体结构模式