蛋白质翻译

• 核糖体循环可分为起动、延长和终止三 个阶段，这三个阶段在原核生物和真核 生物类似。
（一）起动阶段：
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 (translational initiation complex)。
参与起始过程的蛋白质因子称起始 因子（initiation factor，IF）。
主要内容
• 第一节、参与蛋白质合成的物质 • 第二节、蛋白质生物合成过程
第一节
蛋白质合成体系
Protein Biosynthesis System
蛋白质合成体系
生物体内的各种蛋白质都是生物体利用约20 种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物 合成的各种因素构成了蛋白质合成体系，该体 系包括：
① mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决 定多肽链中氨基酸残基的排列顺序； ② tRNA：搬运氨基酸的工具； ③ 核蛋白体：蛋白体生物合成的场所；
④ 酶及其他蛋白质因子； ⑤ 供能物质及无机离子。
一、 mRNA是翻译的模板
• 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）。
• 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet
八、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。
第二节
蛋白质生物合成过程
The Process of Protein Biosynthesis
蛋白质合成中
S-D序列
3. 起始氨基酰tRNA与小亚基结合
IF-2 GTP
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
4. 核蛋白体大亚基结合
IF-2 GGDTPPPi
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
IF-2G-GGDTTPPPi
5'
AUG
3'
IF-3
IF-1
起始过程消耗1个GTP。
◆真核生物翻译起始复合物形成
• 核蛋白体大小亚基分离； • 起始氨基酰-tRNA结合； • mRNA在核蛋白体小亚基就位； • 核蛋白体大亚基结合。
核 蛋 白 体 的 组 装
三、tRNA与氨基酸的活化
tRNA在翻译过程 中起接合体（adaptor） 作用，又是氨基酸的运 载体。
氨基酸臂
反密码环
在氨酰tRNA合成酶催化下，特定的 tRNA可与相应的氨基酸结合，生成氨酰 tRNA ，从而携带氨基酸参与蛋白质的 生物合成。
tRNA反密码环中部的三个核苷酸残基 构成三联体，可以识别mRNA上相应的 密码，此三联体就称为反密码子 (anticoden)。
2.摆动性
用于解释遗传密码的冗余性. 18 种氨基 酸都由一个以上的通常与反密码子5`端 的碱基不同的密码子所编码。
5‘-反密码碱 基 能承受比
其他两个碱基 更大的移动性， 因此只要核糖 体距离正常就 能够形成非标 准的碱基对。
摆动配对
摆动碱基 对: 非 Watson-
Crick 碱基 对
tR N A 反 密 码 碱 基 mRNA 密 码 碱 基
重叠密码 非重叠连续的密码 不连续的密码
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条多肽链，称为开放阅 读框架(open reading frame, ORF)。
5' m7Gppp
AUG
5'非翻译区
编O码R区F
UAA
3' AAA……An
3'非翻译区
EF-1-βγ EF-2
1.进位
指根据mRNA 下一组遗传密码指 导，使相应氨基酰 -tRNA进入核蛋白 体A位。
此步骤需GTP，Mg2+， 和EF参与
延长因子EF-T催化 进位（原核生物）
Tu TGsTP
Tu GDP
Ts GTP
5'
AUG
3'
2. 成肽
是由转肽酶（transpeptidase）催化的肽键 形成过程。此步骤需Mg2+，K+。给位上已失去蛋
起始肽链合成的氨基酰-tRNA 真核生物： Met-tRNAiMet 原核生物： fMet-tRNAifMet
fMet-tRNAifMet的生成：
Met-tRNAifMet
转甲酰基酶 N10-CHO FH4
fMet-tRNAifMet
四、起动因子（IF）
一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。 原核生物中存在3种起动因子，分别称为 IF1- 3。在真核生物中存在9种起动因子 （eIF）。 作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动 tRNA及模板mRNA结合。
•真核生物中的mRNA具有帽子结构，已知需一种特 殊的帽子结合蛋白（CBP）以识别此结构。
真核生物翻译起始因子
起始因子
生物功能
eIF-2
促进起始tRNA与小亚基结合
eIF-2B, eIF-3 促进大小亚基分离
eIF-4A
eIF-4F复合物成分，有解螺旋酶活性，促进 mRNA结合小亚基
eIF-4B
促进mRNA扫描定位起始AUG
参与起始过程的蛋白质因子称起始因 子（initiation factor，IF）。原核生物起 始因子有三种：
IF-1：占据A位防止结合其他tRNA。
IF-2：促进起始tRNA与小亚基结合。
IF-3：促进大小亚基分离，提高P位 对结合起始tRNA敏感性。
◆原核生物翻译起始复合物形成
• 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 elF4E, elF4G, elF4A, elF4B,PAB
ADP+Pi
60S
① eIF-2B、eIF-3、
eIF-6
40S
Met
elF-5
④
各种elF释放 GDP+Pi
60S
Met
真核生物翻译起始 复合物形成过程
真核生物翻译起始的特点
• 核蛋白体是80S； • 起始因子种类多； • 起始tRNA的Met不需甲酰化； • mRNA的5’帽子和3’poly A尾结构
I A， C， U
U A， G
C C， G， U
4. 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。 • 有少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 • 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。
二、 rRNA和核蛋白体
氨基酸首先在核糖体内合成蛋白质，再输送至细胞其它组分中。 核糖体由大、小亚基构成。亚基中含有不同的蛋白质和RNA。
2. 简并性（degeneracy）
同一种氨基酸有两个或更多密பைடு நூலகம்子的现象，叫做 简并性。 同义密码子：对应于同一种氨基酸的不同密码子。
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2~4个或多至6个密码 子为之编码。
遗传密码的简并性
3. 摆动性（wobble）
tRNA上反密码子的第1位碱基与 mRNA密码子的第3位碱基配对时，可以 在一定范围内变动，即并不严格遵循碱基 配对规律，这一现象称为摆动性。
• 真核生物一个mRNA只编码一种蛋白质，为单 顺反子（single cistron）。
mRNA结构简图
mRNA上存在遗传密码
作为指导蛋白质生物合成的模 板,mRNA中每三个相邻的核苷酸残基组成 三联体，代表一个氨基酸的信息，此三联 体就称为密码子(coden)。共有64种不同 的密码。
遗传密码的特点
mRNA模板的方向：5′→ 3′；
蛋白质的合成方向：N端→ C端。
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肽链的形成 ③多肽链合成后的加工修饰
一、氨基酸的活化与搬运
氨基酸的活化以及活化氨基酸与tRNA的结 合，均由氨基酰tRNA合成酶催化完成。其 反应过程为：
氨基酸 + tRNA 氨基酰-tRNA合成酶 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi
– 成肽（peptide bond formation）
– 转位（translocation）
肽链合成的延长因子
原核延 长因子
生物功能
EF-Tu 促进氨基酰-tRNA进入A位， 结合分解GTP
对应真核 延长因子
EF-1-α
EF-Ts 调节亚基
EFG 有转位酶活性，促进mRNA-肽 酰-tRNA由A位前移到P位，促 进卸载tRNA释放
1. 核蛋白体大小亚基分离
IF-1 IF-3
2. mRNA在小亚基定位结合
5'
AUG
3'
IF-1
IF-3
S-D 序列(Shine-Dalgarno sequence) ：
在原核生物mRNA起始密码AUG上 游，存在4~9个富含嘌呤碱的一致性序 列，如-AGGAGG-，称为S-D序列。又 称为核蛋白体结合位点（ribosomal binding site，RBS)
第十二章
蛋白质的生物合成(翻译)
Protein Biosynthesis (Translation)
翻译：translation 即蛋白质生物合成。
蛋白质的生物合成过程就是将 mRNA分子中由碱基序列组成的遗传 信息，通过遗传密码破译的方式转变 成为蛋白质中的氨基酸排列顺序，因 而称为翻译（translation)。
eIF-4E
eIF-4F复合物成分，结合mRNA 5’帽子
eIF-4G
eIF-4F复合物成分，结合eIF-4E和PAB
eIF-5
促进各种起始因子从小亚基解离，进而结合 大亚基
eIF-6
促进核蛋白体分离成大小亚基
40S
elF-3
②
Met Met
③
Met-tRNAiMet-elF-2 -GTP
mRNA
氨酰基或肽酰基的tRNA从核蛋白上脱落。
3.转位
延长因子EF-G有转位酶 （translocase ）活性，可结合并水解1分 子GTP，促进核蛋白体向mRNA的3’侧移 核动蛋白。体向mRNA的3‘- 端滑动相当于一个密码的距离，同
时使肽酰基tRNA从受体移到给位。 此步骤需EF（EFG）、GTP和Mg2+参与。此时，核蛋白体 的受位留空，与下一个密码相对应的氨基酰tRNA即可再进入， 重复以上循环过程，使多肽链不断延长.
遗传密码具有以下特点：① 连续性；② 简 并性；③ 通用性；（但在线粒体或叶绿 体中特殊）④摆动性；⑤方向性，即解 读方向为5′→ 3′ ；⑥ 起始密码：AUG； 终止密码：UAA、UAG、UGA。
1. 连续性（commaless）
编码蛋白质氨基酸序列的各个三 联体密码连续阅读，密码间既无间隔 也无重叠。
(aminoacyl-tRNA synthetase)
该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨酰tRNA的 合成有关。
氨基酸 + tRNA 氨基酰-tRNA合成酶 氨基酰- tRNA ATP AMP＋PPi
第一步反应
氨基酸＋ATP＋E —→氨基酰-AMP-E＋AMP ＋ PPi
第二步反应
氨基酰-AMP-E ＋
• 在此反应中，特异的tRNA3’端 CCA上的2’或3’位自由羟基与 相应的活化氨基酸以酯键相连接， 形成氨基酸tRNA，从而使活化 氨基酸能够被搬运至核蛋白体上 参与多肽链的合成。
• 氨基酸tRNA的合成，可使氨基 酸 ①活化；②搬运；③定位。
二、肽链的形成
• 活化氨基酸缩合生成多肽链的过程在核 蛋白体上进行。活化氨基酸在核蛋白体 上反复翻译mRNA上的密码并缩合生成 多肽链的循环反应过程，称为核蛋白体 循环（ribosomal cycle)。
与mRNA在核蛋白体就位有关； • 起始tRNA先与核蛋白体小亚基结合，
然后再结合mRNA
(二)、肽链的延长
指按照mRNA密码序列的指导，依 次添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直 到合成终止的过程。
• 肽链的延长是在核蛋白体上连续性循环式 进行，每次循环增加一个氨基酸，分为以 下三步：
– 进位（entrance）
五、延长因子（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）。
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。
六、释放因子（RF）
原核生物中有4种，在真核生物中只 有1种。
主要作用是识别终止密码，协助多肽链 的释放。
七、氨基酰tRNA合成酶
tRNA
↓
氨基酰-tRNA ＋
AMP ＋ E
• 每种氨酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及 携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性。
• 目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为 在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密 码，即第二套遗传密码。
• 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proof-reading activity) 。