第十一章多聚核糖体与蛋白质的合成

第十一章核糖体
● 核糖体是细胞质中普遍存在的一种非膜性细胞器，由RNA和蛋白质组成，是细胞内蛋白质合成的场所。

● 多聚核糖体是由多个甚至是几十个核糖体串联在一条mRNA上构成的，能高效的进行肽链的合成。

● 蛋白质合成是以各种氨基酸为原料，mRNA为模板，tRNA 作为“搬运工具”以及核糖体作为“装配机” 合成肽链的过程。

● RNA可能是生命起源中最早的生物大分子。

关键词：核糖体；多聚核糖体；蛋白质合成
第二节多聚核糖体与蛋白质的合成
核糖体（ribosome）是合成蛋白质的细胞器，其功能是以mRNA为模板，以氨基酸为原料高效且精确地合成蛋白质多肽链。

在真核细胞中，核糖体以多聚核糖体的形式存在能高效的进行肽链的合成。

一、多聚核糖体
核糖体往往并不是单个独立地执行功能，而是由多个核糖体串连在一条mRNA 分子上高效地进行肽键的合成。

这种具有特殊功能与形态的核糖体与mRNA的聚合体称为多聚核糖体（polyribosome）。

图11-2-1多聚核糖体
二、蛋白质的合成
蛋白质合成是以各种氨基酸为原料，mRNA为模板，tRNA 作为“搬运工具”以及核糖体作为“装配机” 合成肽链的过程。

原核细胞蛋白质合成的过程已比较清楚，包括3个阶段：肽链合成的起始，延伸和终止。

在起始之前还要进行氨基酸的活化
（一）氨基酸的活化
1. 定义
氨基酸的活化是指各种参加蛋白质合成的AA与携带它的相应的tRNA结合成氨酰- tRNA的过程。

活化反应在氨酰-tRNA 合成酶的催化下进行。

2．过程
活化反应分两步进行：
活化：AA-AMP-E复合物的形成
转移：氨酰-tRNA形成
20种氨基酸中每一种都有各自特异的氨酰-tRNA合成酶。

氨酰-tRNA合成酶具有高度的专一性，它既能识别相应的氨基酸（L-构型），又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA 分子；即使AA识别出现错误，此酶具有水解功能，可以将其水解掉。

这种高度的专一性保证了氨基酸与其特定的tRNA准确匹配，从而使蛋白质的合成具有一定的保真性。

氨酰-tRNA合成酶和之相对应的tRNA分子被称为遗传密码第二。

图11-2-2 氨基酸的活化
（二）肽链合成的起始
所需的条件：游离的核糖体大小亚基；mRNA 5′端的起始信号；起始tRNA—tRNAimet；GTP；三种起始因子(IF)。

1. 30S小亚基与mRNA的结合
在原核生物mRNA起始密码子上游有一段富含嘌呤碱基的序列，我们称之为SD序列。

而在核糖体16S小亚基的3端有一段富含嘧啶碱基的序列，通过嘌呤碱基与嘧啶碱基的互补结合从而使mRNA模板与核糖体小亚基结合，进而寻找到起始密码子。

三种起始因子的功能：IF1辅助IF3；IF2有GTP酶活性，特异识别fmet-tRNAfmet，形成fmet-tRNAfmet-IF2-GTP；IF3促进30S小亚基结合mRNA翻译终止时促使大小亚基分离。

2. 第一个氨基酰-tRNA进入核糖体
第一个活化的氨基酸甲酰甲硫氨酰tRNA通过反密码子与起始密码子的识别相结合，形成30S起始复合体，释放IF3。

3. 完整的起始复合物的组装
50S核糖体大亚基结合在30S起始复合体上形成70S起始复合体从而启动蛋白质的合成。

该过程伴随与IF2结合的GTP水解，三种起始因子释放。

图11-2-3 肽链合成的起始
（三）肽链的延伸
所需的条件：70S起始复合物；延长tRNA转运氨基酸；延长因子(EF)；GTP。

分三步进行：进位，转肽，移位。

1. 进位
氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核糖体的受位。

新的氨酰- tRNA进入A位。

需要消耗GTP，并需EF-Tu（热不稳定）,EF-Ts （热稳定）两种延伸因子。

EF-Tu-GTP+下一个要进入的氨酰-tRNA 形成复合物，将这个氨酰-tRNA 送入核糖体A位，同时GTP GDP + Pi，EFTu-GDP释放。

参与的延长因子：
EF-Tu：协助AA-tRNA进入受位；具有GTP酶活性；EF-Ts：促进EF-Tu的再利用。

2. 转肽
在肽酰转移酶的作用下P位点上fMet-tRNAfMet的甲酰甲硫氨酸从相应的tRNA上解离下来，其-COOH（高能酯键）与刚进入A位的氨酰-tRNA上的-NH2形成肽键（实质是A位点氨酰-tRNA氨基亲核攻击酯键羰基），无负荷的tRNA留在P 位，此时A位点携带一个二肽。

3. 移位
在位A的二肽链连同mRNA进入P位。

在EF-G（移位酶）的作用下，核糖体沿mRNA5′ 3′方向移动，每次移动一个密码子的距离，结果使原来在A上的肽酰-tRNA移到了P位点，原来在P位点的无负载的tRNA进入E位后离开核糖体，同时
一个新的密码子进入空的A位， EF-G 催化的移位过程需水解GTP提供能量。

肽链合成从N-C。

以上三步为一个延伸循环，肽链每掺入一个氨基酸就重复一次延伸循环；肽链合成从N-C。

图11-2-4 肽链的延伸
（四）肽链合成的终止
当终止密码子出现在A位时，终止因子结合在A位，在三种释放因子的作用下肽链合成终止。

RF1：识别终止密码子UAA和UAG ；RF2：识别终止密码子UAA和UGA；RF3：具GTP酶活性，激活RF1和RF2活性，协助肽链的释放。

终止因子的结合使肽酰转移酶活性变为水解酶活性，肽基不转移给A位tRNA，而转移给H2O，并把已合成的多肽链从核糖体和 tRNA上释放出来，无负荷的tRNA随机从核糖体脱落，该核糖体立即离开 mRNA，在IF3存在下,消耗GTP而解离为30S 和50S非功能性亚基。

再重复下一轮过程。

图11-2-5肽链合成的终止
三、RNA与生命起源
人们从化学进化和生物学进化的角度，提出了RNA学说。

即认为生物大分子的进化过程可分为三个阶段：RNA世界，RNA－蛋白质世界和DNA－RNA－蛋白质世界。

认为生命起源于RNA，其主要根据有：1.研究表明，许多病毒只含单链RNA而不含DNA；2.研究发现，一些RNA具有酶的催化活性；3.由于RNA酶的发现，人们提出了从多核苷酸到多肽的学说；4.在真核生物基因组中发现了断裂基因，即外显子与内含子相间出现基因结构形式；5.RNA各种编辑变换的发现，使人们对RNA功能的多样性有了更多的认识；6.在一些病毒(如HIV，即AIDS病毒)中发现了逆转录现象；7.生物分子的功能与其结构(主要是三维结构)密切相关。