第四章 翻译及其调控

氨基酸与tRNA的连接
• 氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰tRNA的过程称为氨基酸的活化。
• 参与氨基酸的活化的酶：氨基酰-tRNA合 成酶。
一、 氨基酸活化形成氨基酰-tRNA

反应过程
氨基酰-tRNA合成酶 ATP AMP＋PPi 氨基酰- tRNA
氨基酸 + tRNA
第一步反应
氨基酸 ＋ATP-E 氨基酰-AMP-E ＋ PPi
tRNAMet 和 甲 硫 氨 酸 结 合 后 生 成 MettRNAMet，必要时进入核蛋白体，为延长中的 肽链添加甲硫氨酸。
原核生物
起始氨基酰-tRNA: fMet-tRNAfMet
具有起始功能的 tRNAfMet 与甲硫氨酸结合
后，甲硫氨酸很快被甲酰化为 N- 甲酰甲硫氨酸
(N-formyl methionine, fMet)，于是形成N-甲酰
反应过程
ຫໍສະໝຸດ Baidu
（1）氨基酸的活化
（2）肽链的生物合成 （3）肽链形成后的加工和靶向输送
生物学意义
（1）维持多种生命活动
（2）适应环境的变化
（3）参与组织的更新和修复
第一节 蛋白质生物合成
Protein Biosynthesis
蛋白质生物合成体系
1. 基本原料：20种编码氨基酸
2. 模板：mRNA
5’…….A U G G C A G U A C A U …… U A A 3’
Met Ala Val His 终止密码
基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发
生插入或缺失，可能导致移码突变(frameshift
mutation)。
缬 丙 酪 甘
缬
丙
丝
精
缬
脯
苏
天冬
• 许多真核生物基因转录后有一个对mRNA 外显子加工的过程，可通过特定碱基的插 入、缺失或置换，使mRNA序列中出现移 码突变、错义突变或无义突变，导致 mRNA与其DNA模板序列不匹配，使同一 前体mRNA翻译出序列、功能不同的蛋白 质。这种基因表达的调节方式称为mRNA 编辑（mRNA editing）。
eIF-2 eIF-2B, eIF-3 eIF-4A
多功能因子，参与多个翻译步骤
促进起始tRNA与小亚基结合 最先结合小亚基，促进大小亚基分离 eIF-4F复合物成分，有RNA解螺旋酶活性，能解除 mRNA5´-端的发夹结构，使其与小亚基结合
eIF-4B
eIF-4E eIF-4G eIF-5 eIF-6
3. 简并性(degenerate)
一种氨基酸可具有 2个或2个以上的密码 子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并 性。 除色氨酸和甲硫氨酸仅有 1 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。为同一种氨基酸编码的各密码子称 为简并性密码子，也称同义密码子 。
遗 传 密 码 表
U, C, A
U
A, G
G
U, C
A
U
C
G
摆 动 配 对
3 2
1
U
1 2 3
二、核蛋白体是蛋白质生物合成的场所

核蛋白体的组成
核蛋白体又称核糖体，是由 rRNA 和
多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋
白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。
不同细胞核蛋白体的组成
原核生物 核蛋白 体 S值 70S 小亚基 30S 大亚基 50S 核蛋 白体 80S 真核生物 小亚基 40S 大亚基 60S 28S-rRNA 5.8S-rRNA 5S-rRNA rpL 49种
甲 硫 氨 酰 -tRNA(fMet-tRNAfMet) ， 可 以 在
mRNA 的起始密码子 AUG 处就位，参与形成翻 译 起 始 复 合 物 。 起 始 密 码 子 只 能 辨 认 fMet-
tRNAfMet。
fMet-tRNAfMet 的生成是一碳化合物转移和 利用的过程之一，反应由转甲酰基酶催化，甲 酰基从N10-甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的 α-氨 基上。
释放因子
RF-1 RF-2 RF-3
特异识别UAA、UAG，诱导转肽酶转变为酯酶 特异识别UAA、UGA，诱导转肽酶转变为酯酶 可与核蛋白体其他部位结合，有GTP酶活性，能 介导RF-1及RF-2与核蛋白体的相互作用
参与真核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能
种类 起始因子 生物学功能
eIF-1
第二步反应
氨基酰-AMP-E ＋ tRNA
氨基酰-tRNA ＋ AMP ＋ E

氨基酰-tRNA合成酶
结构
氨基酰－tRNA合成酶的3个结合位点 氨基酸和ATP形成氨基酰腺苷
氨基酰转移到tRNA上
tRNA负载了氨基酸
特 性

氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。
遗 传 密 码 表

遗传密码的特点
1. 方向性(directional) 翻译时遗传密码的阅读方向是5’→3’，即读
码从mRNA的起始密码子AUG开始，按5’→3’
的方向逐一阅读，直至终止密码子。
5′
读码方向
3′
N
肽链延伸方向
C
2. 连续性(non-punctuated)
编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密 码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间 既无间隔也无交叉。
精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg
甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet
二、真核生物起始氨基酰-tRNA是Met-tRNAiMet
真核生物
起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet
tRNAiMet 与甲硫氨酸结合后形成 MettRNAiMet ， 可 以 在 mRNA 的 起 始 密 码 子 AUG 处就位，参与形成翻译起始复合物。 起始密码子只能辨认Met-tRNAiMet。 参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMet
通用密码 AUA AGA 异亮 精 线粒体密码 蛋、起始 终止
AGG
UGA
精
终止
终止
色
5. 摆动性(wobble)
反密码子与密码子之间的配对有时并不严
格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为 摆动配对(wobble base pairing)。
tRNA反密码子 第1位碱基
mRNA密码子 第3位碱基
I
结合mRNA，促进mRNA扫描定位起始AUG
eIF-4F复合物成分，结合mRNA 5´帽子 eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E、eIF-3和PolyA 结合蛋 白 促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合大亚基 促进核蛋白体分离成大小亚基
种类
延长因子 eIF1-α
生物学功能
促进氨基酰-tRNA进入A位，结合分解GTP，相当于
EF-Tu eIF1-βγ eIF-2 调节亚基，相当于EF-Ts 有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移至P 位，促进tRNA卸载与释放，相当于EF-G 识别所有终止密码子，具有原核生物各类RF的功能
释放因子
eRF
（三）能源物质及离子
蛋白质生物合成的能源物质为ATP和GTP; 参与蛋白质生物合成的无机离子有 Mg2+、 K+ 等。
第四章
翻译及其调控
Protein Biosynthesis (Translation)
本章重要知识点
蛋白质生物合成（翻译）的概念 mRNA、tRNA、核蛋白体在翻译过程中的作 用，遗传密码的特点
氨基酰-tRNA合成酶的作用特点
原核、真核生物翻译过程的异同
分子伴侣的作用，翻译后修饰的形式
肽链的生物合成过程
• 肽链的生物合成过程是翻译的中心环节。 翻译时，从 mRNA 的起始密码子 AUG 开 始，按 5ˊ→3ˊ 方向逐一读码，直至终止密 码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨 酸开始，从N-端→C-端延长，直至终止密 码子前一位密码子所编码的氨基酸。
一、原核生物的肽链合成过程
整个过程可分为
蛋白质 非编码序列 编码序列 核蛋白体结合位点 起始密码子 终止密码子

遗传密码
密码子（codon）
在mRNA的开放阅读框架区，以每3个相邻的
核苷酸为一组，代表一种氨基酸(或其他信息)，这 种三联体形式的核苷酸序列称为密码子。 起始密码子和终止密码子： 起始密码子(initiation codon)：AUG 终止密码子(termination codon) ：UAA、UAG、UGA
rRNA
蛋白 质
16S-rRNA
rpS 21种
23S-rRNA 5S-rRNA
rpL 36种
18S-rRNA
rpS 33种
核蛋白体 的组成
原核生物核蛋白体结构模式
三、tRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质 生物合成的适配器

tRNA的作用 • 运载氨基酸：氨基酸各由其特异的tRNA携带， 一种氨基酸可有几种对应的tRNA，氨基酸结合 在tRNA 3ˊ-CCA的位置，结合需要ATP供能； • 充当“适配器”：每种tRNA的反密码子决定了 所携带的氨基酸能准确地在 mRNA 上对号入座。
5
3
5’-端非翻译区
开放阅读框架
3’-端非翻译区
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，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。
原核生物的多顺反子
5 PPP 3
蛋白质
真核生物的单顺反子
5 mG - PPP
AAA …
3
参与原核生物翻译的各种蛋白质因子及其生物学功能
种类 起始因子 IF-1 IF-2 IF-3 延长因子 生物学功能 占据A位防止结合其他tRNA 促进起始tRNA与小亚基结合 促进大小亚基分离，提高P位对结合起始tRNA的 敏感性
EF-Tu 促进氨基酰-tRNA进入A位，结合并分解GTP EF-Ts 调节亚基 EF-G 有转位酶活性，促进mRNA-肽酰-tRNA由A位移 至P位，促进tRNA卸载与释放
信号肽及其作用，各类蛋白质靶向输送的特点 抗生素、毒素和干扰素抑制翻译的机制
蛋白质生物合成的概念
定义
蛋白质生物合成(protein biosynthesis)也称 翻译(translation)，是生物细胞以mRNA为模板， 按照 mRNA 分子中核苷酸的排列顺序所组成的 密码信息合成蛋白质的过程。
各种氨基酸的密码子数目
4. 通用性(universal)
从简单的病毒到高等的人类，几乎 使用同一套遗传密码，因此，遗传密 码表中的这套“通用密码”基本上适 用于生物界的所有物种，具有通用性。
密码的通用性进一步证明各种生物 进化自同一祖先。
已发现少数例外，如动物细胞的线 粒体、植物细胞的叶绿体。
tRNA
ATP
氨基酰-tRNA合成酶
特 性

氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性。
化 学 校 对 动 力 学 校 对

氨基酰-tRNA的表示方法
各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成的 氨基酰-tRNA表示为： 氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写 例如：
丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla
转位酶 (translocase) ，催化核蛋白体向 mRNA3’- 端移 动一个密码子的距离，使下一个密码子定位于A位。
（二）蛋白质因子
起始因子（initiation factor，IF）
延长因子（ elongation factor ， EF ）
释放因子（release factor，RF）
：
• 起始(initiation)
• 延长(elongation) • 终止(termination )
（一）起始
指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋 白体结合而形成翻译起始复合物的过程。
1. 核蛋白体大小亚基分离； 2. mRNA在小亚基定位结合；
3. 起始氨基酰-tRNA的结合；
4. 核蛋白体大亚基结合。

tRNA的构象
氨基酸臂
反密码环
二级结构
三级结构
四、蛋白质生物合成需要酶类、蛋白 质因子等
（一）重要的酶类 氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyltRNA synthetase)， 催化氨基酸的活化；
转肽酶 (peptidase) ，催化核蛋白体 P 位上的肽酰基转 移至 A 位氨基酰 -tRNA 的氨基上，使酰基与氨基结合 形成肽键 ; 并受释放因子的作用后发生变构，表现出 酯酶的水解活性，使P位上的肽链与tRNA分离；
3. 适配器：tRNA
4. 装配机：核蛋白体 5. 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成酶、 转肽酶、起始因子、延长因子、释放因子等 6. 能源物质：ATP、GTP 7. 无机离子：Mg2+、 K+
一、mRNA是蛋白质生物合成的直接模板

mRNA的基本结构
End Tail
Start of genetic message Cap