《现代分子生物学》第六章 1 蛋白质的生物合成

2. tRNA的三维结构
三叶草二级结构具有四个臂 3’ 5’ D环 氨基酸茎 D环 Tψ C 环 可变环 可变环 L 型三 维结构两个双螺旋区相互垂直 Tψ C 环 氨基酸茎 3’ 5’
反 tRNA 由三叶草型折叠成 L 型三维结构
L型结构





(1) 氨基酸受体臂位于L型的一侧，距反密码子环约70 A (2)D环和TψC环形成了“ L” 的转角。 (3) 在一些保守和半保守的碱基之间形成很多的三级氢 键,使分子形成L形b,并使结构稳定。 (4)使得三维结构得以形成的这些碱基配对涉及到与磷 酸核糖主链相互作用的三级结构的磷酸二酯键分布在 核糖的2’-OH上。 (5)几乎所有的碱基平面之间产生堆积的作用。 (6)在反密码子茎中仅有很少的三级氢键。


解码位点和肽酰转移酶中心都没有蛋白成 分 。现在已经确定，距离肽酰转移酶中心 最近的核糖体蛋白没有催化作用，它们的 功能主要是维持活性位点的构象。 尽管核糖体的解码和肽酰转移酶中心以 RNA为主，核糖体蛋白也发挥着非常重要 的作用。没有了蛋白成分，核糖体既不能 装配也不会发挥其功能。


大部分的核糖体蛋白，特别是那些大亚基 核糖体蛋白，都有手指状的突起伸到rRNA 核心内以稳定rRNA的结构。核糖体蛋白对 亚基的rRNA核心起着修饰的作用。 核糖体的功能中心是富含RNA的 ，亚基相 互作用的主要位点也是由RNA组成，而核 糖体蛋白只在一些小的和更外周的位点形 成中发挥作用 。


tRNA沿着L型的一面与合成酶结合。所 有的tRNA均是以两个端点与合成酶结合， 大部分的序列不被合成酶识别。

第一类和第二类合成酶与tRNA的相互作 用有所区别。经晶体结构分析，两类酶 与tRNA接触的方位正好相反，所形成的 复合物互成镜像结构。
第三节 核糖体的结构

核糖体（ribosome），又称核糖核蛋 白颗粒（ribonucleoprotein particle）， 是细胞内进行蛋白质合成的场所，在 蛋白质合成中起着中心作用。核糖体 提供了蛋白质合成过程中所需的各种 生物活性。


大肠杆菌70S核糖体由30S小亚基和50S大亚 基两部分组成。30S小亚基由一个16S rRNA 和21种核糖体蛋白组成，而50S大亚基则含 有两个rRNA（5S和23S）和34种核糖体蛋白。 真核生物细胞质核糖体更为复杂，沉降系数 为80S，由40S小亚基和60S大亚基组成。40S 小亚基由18S rRNA和33种蛋白组成，而60S 大亚基则含有三个rRNA分子（5S，5.8S和 28S）和50种核糖体蛋白。
与经典密码系统不同。辅密码子密码系
统或第二套密码系统是非简并性的(nondegenerate)。可能只有20种aaRS，每种 aaRS能够识别特异于某种氨基酸的所有 tRNA，这种识别与该种特异tRNA的不 同特征有关。第二套密码系统比经典的 密码系统对氨基酸更具有决定性，这与 辅密码子和相应的氨基酸间的立体化学 相互反应有关。
氨酰tRNA合成酶有三个结合位点，分别 是氨基酸结合位点、ATP结合位点和 tRNA结合位点。它催化的反应可分为两 步：第一步氨基酸和ATP形成腺苷酸化 氨基酰，释放焦磷酸；第二步活化型的 氨基酸被转移至tRNA，释放AMP。 氨酰tRNA合成酶所催化的反应有特异性， 即能选择相应的tRNA和氨基酸。一种合 成酶只能识别一种氨基酸和该氨基酸的 几种同工tRNA。
Christian
deDuve认为，第二套密码系 统仅仅是辅密码子与aaRS-aa-AMP或 aa-aaRS复合物的一个简单反应，而 tRNA则起着删除错误氨基酰的作用 。 aaRS上的某些区域含有一些残基可与 辅密码子的核苷酸反应，但无法把所 有氨基酸侧链与tRNA的核苷酸匹配起 来。因此，一些科学家提出第二套密 码系统存在于tRNA分子本身，而不应 存在于aaRS结构中。
一、核糖体的构成

原核生物、真核生物和细胞器的核糖体组 成差别很大，但其三维结构非常相似。
不论何种来源的核糖体，均由大小两个亚 基组成。两个亚基均由RNA和一定数量的 蛋白质组成，其共同特征是RNA的含量比 蛋白质高。


核糖体RNA（rRNA）的纯化相对比较容易， 可以用苯酚抽提核糖体以去除蛋白质而获得。 rRNA的大小可以通过超速离心来确定。 核糖体蛋白则是非常复杂的混合物，其纯化和 分子量的大小只能用更为精细的办法来确定。 1970年，E. Kaldschmidt和H. G. Wittman用双 向电泳（two-dimensional gel electrophoresis） 的办法对组成两个亚基的蛋白进行了近乎完全 的解析。
第六章 蛋白质的生物合成
蛋白质生物合成又称翻译
（translation），是指由RNA 参与的蛋白质生物合成的过程， 它将核酸的碱基序列转变为蛋 白质中的氨基酸序列。
参与翻译的RNA分子有tRNA、
rRNA和mRNA。tRNA的功能是转 运氨基酸，rRNA与多种蛋白质组 成核糖体作为翻译进行的场所， mRNA作为翻译的模板。 经过三种RNA以及多种蛋白质的相 互作用，使来自DNA的遗传信息正 确地传递到蛋白质。
(Hansen et al. Mol. Cell 10, 117 (2002)

最近，核糖体晶体衍射结构领域的研究 取得了迅速的进展。不仅表现在两个亚 基和整体核糖体的晶体衍射分辨率有了 很大的提高，还克服了很多晶体衍射图 象的难点问题。 两个亚基在原子分辨率水平上的晶体衍 射图以及整体核糖体在5.0Å分辨率的分 子模型都已经发表 。

30 S核糖体亚基结构包括 头（head）、基部 （base）、平台 （platform）以及缝隙 （cleft）等；50 S 核糖 体亚基的结构包括中央突 （central protuberance）、茎 （stalk）、嵴（ridge） 以及谷（valley）等。核 糖体30S小亚基的平台伸入 到50S大亚基的谷中而嵌和 在一起。


组成核糖体的RNA和蛋白质一般只有 一个拷贝。RNA和蛋白质相互作用， 形成一个复杂而有序的结合体。

核糖体的数目与生物合成蛋白质的活 性密切相关。
二、核糖体的结构

核糖体的直径只有可见光波长的十分之一。 因此，单个的核糖体不能反射可见光，我们 也就不能在光学显微镜下看到核糖体。 20世纪70年代，James Lake（1976）利用负 染色电镜技术（negative staining techniques） 不仅观察到了核糖体两个亚基的形状，还得 到了在完整的核糖体内它们是如何配合在一 起的信息。
（3）TψC常由5bp的茎和7Nt和环组成。此臂负责 和核糖体上的rRNA 识别结合； (4)反密码子臂(anticodon arm)常由5bp的茎区和 7Nt的环区组成，它负责对密码子的识别与配对。 (5)D环 (D arm)的茎区长度常为4bp，也称双氢尿 嘧啶环。负责和氨基酰tRNA聚合酶结合; (6)额外环(extra arm)可变性大，从4 Nt到21 Nt不 等，其功能是在tRNA的L型三维结构中负责连接两 个区域（D环－反密码子环和TψC-受体臂）。
除甲硫氨酸和色氨酸外，其他的氨基酸均有
两种以上的密码子。多种密码子编码一种氨 基酸的现象称为简并（degeneracy），代表 同一种氨基酸的密码子称为同义密码子 （synonyms）。
氨基酸的密码子数目和它在蛋白质中出现的
频率并没有明显的正相关性。
在所有的生物体内，密码子字典几乎是通用
第二套密码系统比经典的密码系统更
原始。一些作者猜测tRNA起源于携带 氨苷酰的寡核苷酸，其原始形式能与 氨基酸直接反应。 破译第二密码系统的意义不仅仅限于 tRNA分子本身生物学功能的认识，更 重要的是将对生物化学，生物起源， 分子生物学及遗传学产生重大影响。
第二节 tRNA的功能
所有的tRNA都有相同的二级（三叶草型） 和三级结构（倒L型）。这种结构上的一 致性是其功能所必需的。因为不同的 tRNA分子都具有相同的功能特征。 tRNA在翻译中转运氨基酸的作用，将氨 基酸经过密码子与反密码子的相互识别 定位在肽链中。从这一点上看，tRNA是 起具体翻译作用的分子。
的，这已被体内和体外的翻译实验所证实。
线粒体的遗传密码子存在较多的
例外情况，其中最常见的一种变 化是UGA由终止密码子变为色氨 酸的密码子，这可能是进化上最 早期的变化。
二、密码子和反密码子的相互作用
密码子决定氨基酸是通过mRNA与
tRNA相互作用实现的，这种作用实 质上是碱基间的配对。 密码子与反密码子（anticodon）间的 正确识别是遗传信息正确传递的保证。
第二套密码系统

1988年，Christian deDuve在Hou和 Schimmel等人的研究基础上，提出了第 二套密码系统的概念或学说。该学说认 为: tRNA氨基酸接受柄有一辅密码区 (paracodon region)，可以被氨基酰tRNA 合成酶(aaRS)识别，并决定tRNA的负载 特异性。他认为第二套密码系统蕴含于 aaRS结构中 。
酵母苯丙氨酸tRNA的三级氢键
一、氨酰tRNA合成酶

氨酰tRNA合成酶催化氨基酸与tRNA之间的反 应。携带同一种氨基酸的tRNA可有多种，称 为同工tRNA（iso-accepting tRNA）。可将 tRNA分为20个同工tRNA组。

一组同工tRNA在特定的合成酶催化下与相应 的氨基酸结合。

tRNA的结构
tRNA的结构 1. 三叶草型的二维结构 (1)各种tRNA均含有70~80个碱基，其 中22个碱 基是恒定的。 (2) 5’端和3’端配对（常为7bp）形成茎区， 称为受体臂（acceptor arm）或称氨基酸臂 。在 3’端永远是4个碱基（XCCA）的单链区，在其 末端有2’-OH或3’-OH，是被氨基酰化位点。 此臂负责携带特异的氨基酸。