第5章 蛋白质的翻译
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蛋白质翻译的起始机制研究蛋白质是细胞中最重要的组成部分之一,也是细胞机能的基础。
在蛋白质的生物合成过程中,蛋白质翻译是其中的关键环节。
蛋白质的合成是从N端向C端进行的,而确定蛋白质翻译的起始点则是整个过程中最为关键的部分之一。
在真核细胞中,蛋白质的合成发生在核糖体上。
在翻译起始点之前,mRNA(信使RNA)需要先与核糖体的小亚单位预组装形成起始复合体(preinitiation complex),然后再与大亚单位组合形成完整的核糖体。
也就是说,翻译起始点的确立需要多个因素共同作用,其中最重要的是起始因子(eukaryotic initiation factors, eIFs)。
eIFs是在蛋白质合成过程中为数不多的RNA结合蛋白质,它们参与形成起始复合体以及其他与蛋白质翻译有关的过程。
与在细菌中相似,eIFs的作用主要包括寻找AUG密码子(蛋白质翻译的起始密码子)、将Met-tRNAiMet(甲硫氨酸tRNA)定位到AUG密码子上以及聚集细胞核糖体等。
然而,相较于细菌,eukaryotic initiation factors的作用更为复杂。
在真核转录中,mRNA的5'端通常会具有一个称为帽结构(capping structure)的物质,即m7GpppN(m为methyl,N为任意核苷酸),这个结构不仅涉及到mRNA的稳定性以及转录后修饰,还有利于核糖体识别mRNA,而eIFs正是寻找该结构的关键因子之一。
另一方面,eukaryotic initiation factors在进化过程中也发生了一些特殊的改变。
例如,在真核生物中,大部分蛋白质翻译的起始密码子不是AUG,而是CUG、GUG、AUU等非经典密码子,这意味着eIFs需要能识别不同的起始密码子。
同时,eukaryotic initiation factors还需要与许多其他蛋白质和核酸相互作用,形成一个复杂的调控网络,以实现蛋白质翻译的高效、准确、精细的调控。
蛋白质的生物合成⎯⎯翻译一切生命现象不能离开蛋白质,由于代谢更新,即使成人亦需不断合成蛋白质(约400g/日)。
蛋白质具有高度特异性。
不同生物,它们的蛋白质互不相同。
所以食物蛋白质不能为人体直接利用,需经消化、分解成氨基酸,吸收后方可用来合成人体蛋白质。
mRNA含有来自DNA的遗传信息,是合成蛋白质的“模板”,各种蛋白质就是以其相应的mRNA为“模板”,用各种氨基酸为原料合成的。
mRNA不同,所合成的蛋白质也就各异。
所以蛋白质生物合成的过程,贯穿了从DNA分子到蛋白质分子之间遗传信息的传递和体现的过程。
mRNA生成后,遗传信息由mRNA传递给新合成的蛋白质,即由核苷酸序列转换为蛋白质的氨基酸序列。
这一过程称为翻译(translation)。
翻译的基本原理见图14-1。
由图14-1可见,mRNA穿过核膜进入胞质后,多个核糖体(亦称核蛋白体,图中为四个)附着其上,形成多核糖体。
作为原料的各种氨基酸在其特异的搬运工具(tRNA)携带下,在多核糖体上以肽键互相结合,生成具有一定氨基酸序列的特定多肽链。
合成后从核糖体释下的多肽链,不一定具有生物学活性。
有的需经一定处理,有的需与其他成分(别的多肽链或糖、脂等)结合才能形成活性蛋白质。
第一节参与蛋白质生物合成的物质参与蛋白质合成的物质,除氨基酸外,还有mRNA(“模板”)、tRNA(“特异的搬运工具”)、核糖体(“装配机”)、有关的酶(氨基酰tRNA合成酶与某些蛋白质因子),以及ATP、GTP等供能物质与必要的无机离子等。
一、mRNA与遗传密码天然蛋白质有1010~1011种,组成蛋白质的氨基酸却只有20种。
这20种氨基1酸排列组合的不同,形成了形形色色的蛋白质。
蛋白质中氨基酸的序列如何决定?(一)三联体密码与密码的简并研究表明,密码子(codon)共有64个,每个密码子是由三个核苷酸(称为三联体,triplet)组成的。
有的氨基酸有多个密码子,这种现象称为简并(degenerate),如UUU和UUC都是苯丙氨酸的密码子,UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是丝氨酸的密码子,同一氨基酸的不同密码子称为同义词(synonyms)。