蛋白质的生物合成(翻译)

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。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同 一祖先。
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4. 方向性(direction)： 指阅读mRNA模板上的三联体密码时，只能沿 5’→3’方向进行。
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5. 摆动性(wobble) 转运氨基酸的tRNA的反密码需要通过碱基互 补与mRNA上的遗传密码反平行配对结合，但 反密码与密码间不严格遵守常见的碱基配对规 律，称为摆动配对。
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一、mRNA模板及遗传密码
mRNA是翻译的直接模板
遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反 子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录 单位，转录生成的 mRNA 可编码几种功能相 关的蛋白质，为多顺反子(polycistron) 。 真核 mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子 (single cistron) 。
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1. 核蛋白体大、小亚基分离： IF-1和IF-3与小亚基结合，促进核蛋白体大、小 亚基拆离，为新一轮合成作准备。
IF-3
IF-1
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2. mRNA在小亚基的精确定位结合：
5' IF-3
AUG
3' IF-1
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S-D序列
原核mRNA的起始部位由一段富含嘌呤的特殊
核苷酸顺序组成，称为S-D序列（核蛋白体结合
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五、延长因子（EF）
与多肽链合成的延伸过程有关的蛋白因子称为 延长因子（elongation factor，EF）。 原核生物中存在3种延长因子（EFTU，EFTS， EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。 EF的作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的 受体，并可促进移位过程。
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多肽链合成的延长因子
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标准的通用遗传密码表
8
遗传密码字典
第一个 核苷酸(5’) 第二个核苷酸 U C A G 第三个 核苷酸(3’)
苯丙氨酸
U 苯丙氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 亮氨酸 C 亮氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 A 异亮氨酸 异亮氨酸 甲硫氨酸 缬氨酸 G 缬氨酸 缬氨酸 缬氨酸
丝氨酸
丝氨酸 丝氨酸 丝氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 脯氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 苏氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸 丙氨酸
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核 蛋 白 体 的 组 成
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大肠杆菌核蛋白体的空 间结构为一椭圆球体，
其30S亚基呈哑铃状，
50S亚基带有三角，中 间凹陷形成空穴，将 30S小亚基抱住，两亚 基的结合面为蛋白质生
物合成的场所。
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核蛋白体大、小亚基的功能：
1 ．与模板 mRNA 和起始 tRNA 结合位点：主要与 小亚基有关。 2．三个不同的tRNA结合位点： ⑴ A 位：又称受位或氨酰基位，可与新进入的 氨基酰tRNA结合；由大、小亚基成分构成。 ⑵ P 位：又称给位或肽酰基位，可与延伸中的 肽酰基tRNA结合；由大、小亚基成分构成。 ⑶E位：又称排出位，空载tRNA脱离核蛋白体 前的结合位点；主要由大亚基成分构成。
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。
同一氨基酸存在多个不同的遗传密码的现象称为
遗传密码的简并性。
遗传密码的简并性在保持遗传稳定性上具有重要
意义。
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遗传密码的简并性
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3. 通用性(universal) 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到 人类都通用。
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（二）真核生物翻译起始复合体形成
真核生物翻译起始复合体的形成过程与原核
生物类似，但参与的蛋白因子更多。
① 核蛋白体大小亚基分离；
② 起始氨基酰-tRNA结合；
③ mRNA在核蛋白体小亚基就位；
④ 核蛋白体大亚基结合。
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elF-3
② met Met Met-elF-2 -GTP Met-tRNA i 40S 60S
酪氨酸
酪氨酸 无意义 (终止密码子) 无意义 (终止密码子) 组氨酸 组氨酸 谷氨酰胺 谷氨酰胺 天冬酰胺 天冬酰胺 赖氨酸 赖氨酸 天冬氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 谷氨酸
半胱氨酸
半胱氨酸 无意义 (终止密码子) 色氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 精氨酸 丝氨酸 丝氨酸 精氨酸 精氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸 甘氨酸
三、tRNA与氨基酸的活化
氨基酸臂
反密码环
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tRNA的三级结构示意图
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（一）氨基酰-tRNA合成酶
氨基酸的活化与携带反应由氨基酰tRNA合成 酶催化。 特定的tRNA与相应的氨基酸结合，生成氨基
酰tRNA，从而由tRNA携带活化的氨基酸参与
蛋白质的生物合成。 氨基酸 + tRNA
氨基酰-tRNA合成酶
AUG。
IF-2 GTP
5'
AUG
3' IF-1
IF-3
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4. 核蛋白体大亚基结合，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fMettRNAifMet构成起始复合体。
-GTP IF-2 -GDP Pi
5'
IF-3
AUG
3'
IF-1
5
多顺反子与单顺反子
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mRNA上的遗传密码 作为指导蛋白质生物合成的模板， mRNA 中,从5‘到 3’方向，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 (codon) 。共有 64 种不同的密码。其中：
起始密码(initiation codon):
AUG
终止密码(termination codon): UAA，UAG，UGA
蛋白质的生物合成 （翻译）
Protein Biosynthesis，Translation
1
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)。
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第一节 蛋白质合成体系
Section 1 Protein Biosynthesis
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蛋白质生物合成过程包括三大步骤：
①氨基酸的活化与搬运；
②活化氨基酸在核蛋白体上的缩合；
③多肽链合成后的加工修饰。
ห้องสมุดไป่ตู้本节主要介绍活化氨基酸在核蛋白体上的缩合
过程，这一过程包括多肽链合成的起始、延长
和终止三个阶段。
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一、多肽链合成的起始
（一）原核生物翻译起始复合物形成
包括以下几个步骤： 核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。
ATP
氨基酰- tRNA AMP＋PPi
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tRNA与酶结合的模型
tRNA
ATP
氨基酰-tRNA合成酶
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氨基酰tRNA合成酶催化的反应： 第一步：活化反应 氨基酸 ＋ATP-E → 氨基酰-AMP-E ＋ PPi
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第二步：连接反应 氨基酰-AMP-E ＋ tRNA
↓
氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E
蛋白体上释放。
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七、供能物质和无机离子
多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，
并需Mg2+、K+参与。 氨基酸活化时需消耗 2 分子高能磷酸键，肽键 形成时又消耗 2 分子高能磷酸键，故缩合一分 子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。
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第二节 蛋白质生物合成过程
Section 2 The Process of Protein Biosynthesis
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四、起始因子（IF）
与多肽链合成起始有关的蛋白因子称为起始因 子（initiation factor，IF）。 原核生物中存在3种起始因子，分别称为IF1-3。 在真核生物中存在9种起始因子（eIF）。 IF的作用主要是促进核蛋白体小亚基与起始 tRNA及模板mRNA结合。
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原核和真核生物中各种起始因子的生物功能
④ 方向性；
⑤ 摆动性。
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1.
连续性(commaless) 指编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续 阅读，密码间既无间断也无交叉。
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基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插 入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。
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2. 简并性(degeneracy)
System
3
参与蛋白质生物合成的物质
三种RNA mRNA（messenger RNA, 信使RNA） rRNA（ribosomal RNA, 核蛋白体RNA） tRNA（transfer RNA, 转移RNA） 20种氨基酸(AA)作为原料 酶及众多蛋白因子，如IF、EF、RF 供能物质（ATP、GTP）、无机离子
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氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有
高度特异性。
氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof-
reading activity) 。
氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet
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（二）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。 在原核生物中，起始 tRNA 是一种携带甲酰蛋 氨酸的 tRNA ，即 fMet-tRNAifmet；而在真核生 物中，起始tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA， 即Met-tRNAimet。 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带 蛋氨酸的 tRNA ，识别非起动部位的蛋氨酸密 码AUG。
elF-5
③
ATP elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB ADP+Pi
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在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白 体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，
但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形
成念球状结构。
由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行
多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多聚核
蛋白体（polysome）。
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多聚核蛋白体示意图
电镜下的多聚核蛋白体
29
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六、释放因子（RF）
与多肽链合成终止并从核蛋白体上释放有关的蛋
白因子称为释放因子（release factor，RF）。
RF在原核生物中有3种，在真核生物中只有1种。
原核生物释放因子：RF-1，RF-2，RF-3 真核生物释放因子：eRF
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RF的生物学功能主要有： ① 识别终止密码，如RF-1特异识别UAA、 UAG；而RF-2可识别UAA、UGA。 ② 诱导转肽酶改变为酯酶活性，相当于催化 肽酰基转移到水分子-OH上，使肽链从核
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3. 转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上
的氨基酰 tRNA，形成肽键；由大亚基成分构成。 4. GTPase活性：水解GTP，获得能量；分别由大、 小亚基成分构成。 5. 起动因子、延长因子及释放因子的结合位点： 分别由大、小亚基成分构成。
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原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式
P位：肽酰位 (peptidyl site) A位：氨基酰位 (aminoacyl site) E位：排出位 (exit site)
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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
A
C
mRNA密码子 第3位碱基
U, C, A
A, G
U, C
U
G
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摆动配对现象示意图
U
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三、rRNA和核蛋白体
核蛋白体是多肽链合成的场所，是由多种
rRNA与蛋白质组装形成的复合体。
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原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S 小亚基和 50S 大亚基。小亚基由 16SrRNA 和 21 种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和 34种蛋白质构成。 真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S 小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30 多种蛋白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和约50种蛋白质构成，在哺乳动物中还含 有5.8 S rRNA。
U
C A G U C A G U C A G U C A G
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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)。
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遗传密码具有以下特点：
① 连续性；
② 简并性；
③ 通用性；
位点，RBS）。
而原核16S rRNA存在一段富含嘧啶的序列， 二者之间可通过碱基配对，使mRNA与核蛋白体 小亚基结合。
50
在mRNA上紧接S-D序列之后的序列，可被核
蛋白体小亚基蛋白rpS-1辨认结合。 通过上述两种机制，使mRNA能与核蛋白体小 亚基精确定位结合。
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3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基 起始 fMet-tRNAimet以及IF2-GTP一起，识别结 合小亚基P位，并对应模板mRNA的起始密码