第十四章蛋白质的生物合成翻译 一切生命现象不能离开蛋白质,由于代谢更新,即使成人亦需不断合成蛋白质(约400g 日)。蛋白质具有高度特异性。不同生物,它们的蛋白质互不相同。所以食物蛋白质不能为人 体直接利用,需经消化、分解成氨基酸,吸收后方可用来合成人体蛋白质。 mRNA含有来自DNA的遗传信息,是合成蛋白质的“模板”,各种蛋白质就是以其相 应的mRNA为“模板”,用各种氨基酸为原料合成的。mRNA不同,所合成的蛋白质也就各 异。所以蛋白质生物合成的过程,贯穿了从DNA分子到蛋白质分子之间遗传信息的传递和体 现的过程。 mRNA生成后,遗传信息由mRNA传递给新合成的蛋白质,即由核苷酸序列转换为蛋白 质的氨基酸序列。这一过程称为翻译( translation)。翻译的基本原理见图14-1。 由图14-1可见,mRNA穿过核膜进入胞质后,多个核糖体(亦称核蛋白体,图中为四个) 附着其上,形成多核糖体。作为原料的各种氨基酸在其特异的搬运工具(tRNA)携带下,在 多核糖体上以肽键互相结合,生成具有一定氨基酸序列的特定多肽链。 合成后从核糖体释下的多肽链,不一定具有生物学活性。有的需经一定处理,有的需与 其他成分(别的多肽链或糖、脂等)结合才能形成活性蛋白质 第一节参与蛋白质生物合成的物质 参与蛋白质合成的物质,除氨基酸外,还有mRNA(“模板”)、tRNA(“特异的搬运工具”)、 核糖体(“装配机”)、有关的酶(氨基酰tRNA合成酶与某些蛋白质因子),以及AP、GTP 等供能物质与必要的无机离子等 、mRNA与遗传密码 天然蛋白质有1010~10种,组成蛋白质的氨基酸却只有20种。这20种氨基酸排列组合 的不同,形成了形形色色的蛋白质。蛋白质中氨基酸的序列如何决定? (一)三联体密码与密码的简并 研究表明,密码子( codon)共有64个,每个密码子是由三个核苷酸(称为三联体, triplet) 组成的。有的氨基酸有多个密码子,这种现象称为简并( degenerate),如UUU和UUC都是
1 第十四章 蛋白质的生物合成⎯⎯翻译 一切生命现象不能离开蛋白质，由于代谢更新，即使成人亦需不断合成蛋白质(约 400g/ 日)。蛋白质具有高度特异性。不同生物，它们的蛋白质互不相同。所以食物蛋白质不能为人 体直接利用，需经消化、分解成氨基酸，吸收后方可用来合成人体蛋白质。 mRNA 含有来自 DNA 的遗传信息，是合成蛋白质的“模板”，各种蛋白质就是以其相 应的 mRNA 为“模板”，用各种氨基酸为原料合成的。mRNA 不同，所合成的蛋白质也就各 异。所以蛋白质生物合成的过程，贯穿了从 DNA 分子到蛋白质分子之间遗传信息的传递和体 现的过程。 mRNA 生成后，遗传信息由 mRNA 传递给新合成的蛋白质，即由核苷酸序列转换为蛋白 质的氨基酸序列。这一过程称为翻译（translation）。翻译的基本原理见图 14-1。 由图 14-1 可见，mRNA 穿过核膜进入胞质后，多个核糖体（亦称核蛋白体，图中为四个） 附着其上，形成多核糖体。作为原料的各种氨基酸在其特异的搬运工具（tRNA）携带下，在 多核糖体上以肽键互相结合，生成具有一定氨基酸序列的特定多肽链。 合成后从核糖体释下的多肽链，不一定具有生物学活性。有的需经一定处理，有的需与 其他成分（别的多肽链或糖、脂等）结合才能形成活性蛋白质。 第一节 参与蛋白质生物合成的物质 参与蛋白质合成的物质，除氨基酸外，还有 mRNA（“模板”）、tRNA（“特异的搬运工具”）、 核糖体（“装配机”）、有关的酶（氨基酰 tRNA 合成酶与某些蛋白质因子），以及 ATP、GTP 等供能物质与必要的无机离子等。 一、mRNA 与遗传密码 天然蛋白质有 1010~1011 种，组成蛋白质的氨基酸却只有 20 种。这 20 种氨基酸排列组合 的不同，形成了形形色色的蛋白质。蛋白质中氨基酸的序列如何决定？ （一）三联体密码与密码的简并 研究表明，密码子（codon）共有 64 个，每个密码子是由三个核苷酸（称为三联体，triplet） 组成的。有的氨基酸有多个密码子，这种现象称为简并（degenerate），如 UUU 和 UUC 都是
苯丙氨酸的密码子,UCU、UCC、UCA、UCG、AGU和AGC都是丝氨酸的密码子,同一氨 基酸的不同密码子称为同义词( synonyms)。64个密码子中61个密码子代表一定的氨基酸, 只有3个密码子不代表任何氨基酸,为肽链合成的终止信号。总之,在DNA或mRNA分子 内,每3个相邻核苷酸按其排列序列可体现一种氨基酸或体现蛋白质合成终止信号的,统称 为遗传密码( genetic code)。密码子与各种氨基酸的对应关系如表14-1 (二)起始信号与终止信号 在表14-1的64个密码子中,61个代表氨基酸。每一种氨基酸少的只有一个密码子,多 的可有6个,但以2个和4个的居多。另有3个密码子(UAA、UAG、UGA)为肽链的终止 密码子( terminator codon)不代表任何氨基酸,为终止信号。密码子AUG具有特殊性,不仅 代表甲硫氨酸,如果位于mRNA起始部位,它还代表肽链合成的起始密码子( initiator codon) 起始密码子常在mRNA的5′端附近。作为起始信号的AUG与其局部构象有关,而局部构象 常取决于AUG邻近核苷酸序列。例如真核生物起始信号AUG周围最合适的上下文顺序为 CC- CC[AUG。这种上下文顺序如有改动,会使起始效率降低。非起始部位的AUG不作 为起始信号,只代表甲硫氨酸 (三)方向性与无间隔性 mRNA的起动信号到终止信号的排列是有一定方向性的。起动信号总是位于mRNA的5′ 侧,终止信号总是在3′侧。mRNA分子中遗传信息具有方向性(从5′端至3′端)的排列, 决定了翻译过程肽链从N端向C端合成的方向性。mRNA的密码子之间无标点符号隔开,所 以在相应基因的DNA链上,如因突变插入一个碱基或缺失一个碱基,都会引起mRNA的阅 读框移位( frame shift),使其编码(code)的蛋白质丧失功能。 (四)通用性( universal) 从细菌到人,遗传密码可以通用,这一点不仅为地球上的生物来自同一起源的进化学说 提供有力依据,而且使我们有可能利用细菌等生物制造人类蛋白质。但遗传密码的通用性有 个别例外。如哺乳动物线粒体的蛋白质合成体系中,UAG不代表终止信号而代表色氨酸,由 AGA与AGG代表终止信号,CUA、AUA不代表亮氨酸,却分别代表苏氨酸和蛋氨酸等
2 苯丙氨酸的密码子，UCU、UCC、UCA、UCG、AGU 和 AGC 都是丝氨酸的密码子，同一氨 基酸的不同密码子称为同义词（synonyms）。64 个密码子中 61 个密码子代表一定的氨基酸， 只有 3 个密码子不代表任何氨基酸，为肽链合成的终止信号。总之，在 DNA 或 mRNA 分子 内，每 3 个相邻核苷酸按其排列序列可体现一种氨基酸或体现蛋白质合成终止信号的，统称 为遗传密码（genetic code）。密码子与各种氨基酸的对应关系如表 14-1。 （二）起始信号与终止信号 在表 14-1 的 64 个密码子中，61 个代表氨基酸。每一种氨基酸少的只有一个密码子，多 的可有 6 个，但以 2 个和 4 个的居多。另有 3 个密码子（UAA、UAG、UGA）为肽链的终止 密码子（terminator codon）不代表任何氨基酸，为终止信号。密码子 AUG 具有特殊性，不仅 代表甲硫氨酸，如果位于 mRNA 起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子（initiator codon）。 起始密码子常在 mRNA 的 5′端附近。作为起始信号的 AUG 与其局部构象有关，而局部构象 常取决于 AUG 邻近核苷酸序列。例如真核生物起始信号 AUG 周围最合适的上下文顺序为 CCA G CC[AUG]G。这种上下文顺序如有改动，会使起始效率降低。非起始部位的 AUG 不作 为起始信号，只代表甲硫氨酸。 （三）方向性与无间隔性 mRNA 的起动信号到终止信号的排列是有一定方向性的。起动信号总是位于 mRNA 的 5′ 侧，终止信号总是在 3′侧。mRNA 分子中遗传信息具有方向性（从 5′端至 3′端）的排列， 决定了翻译过程肽链从 N 端向 C 端合成的方向性。mRNA 的密码子之间无标点符号隔开，所 以在相应基因的 DNA 链上，如因突变插入一个碱基或缺失一个碱基，都会引起 mRNA 的阅 读框移位（frame shift），使其编码（code）的蛋白质丧失功能。 （四）通用性（universal） 从细菌到人，遗传密码可以通用，这一点不仅为地球上的生物来自同一起源的进化学说 提供有力依据，而且使我们有可能利用细菌等生物制造人类蛋白质。但遗传密码的通用性有 个别例外。如哺乳动物线粒体的蛋白质合成体系中，UAG 不代表终止信号而代表色氨酸，由 AGA 与 AGG 代表终止信号，CUA、AUA 不代表亮氨酸,却分别代表苏氨酸和蛋氨酸等
、氨基酸的“搬运工具”一tRNA 体内的20种氨基酸都各有其特定的tRNA,而且一种氨基酸常有数种tRNA,在ATP和 酶的存在下,它可与特定的氨基酸结合。每个tRNA都有1个由3个核苷酸编成的特珠的反密 码子( anticodon)。此反密码子可以根据碱基配对的原则,与mRNA上对应的密码子相配合。 tRNA上的反密码子,只有与mRNA上的密码子相对应时,才能结合。因此,在翻译时,带 着不同氨基酸的各个tRNA就能准确地在核糖体上与mRNA的密码子对号入座 (一)密码子与反密码子的摆动配对 本书第3章已经介绍,DNA双股结构中的碱基配对原则很严格,必须A与T,或G与 C相配。但tRNA的反密码子中的第1个核苷酸与mRNA的第3个核苷酸(由5′端向3′端 方向计数)配对时,并不严格遵循这一原则,除A一U(相当于DNA中的T)G-C可以配对 外,U-G,I-C,I-A亦可相配(表14-2),此种配对称为摆动配对( wobble base pair)或 不稳定配对 (二)起始tRNA与普通tRNA 普通tRNA只在肽链延长阶段起作用。例如 TrNA就是普通tRNA中的一员,上标“met” 表示它是甲硫氨酸的tRNA,可携带甲硫氨酸,识别mRNA非起始部位的AUG 起始tRNA(tRNA")与众不同,下标“i”代表起始( initiation)。它在蛋白质合成的起始中起 重要作用,它是识别mRNA起始部位AUG的邙RNA。此种tRNA在真核生物携带蛋氨酸,在 原核生物携带经过甲酰化的甲硫氨酸。甲酰甲硫氨酰tRNA"是甲硫氨酰tRNA在原核生物 中经甲硫氨酰tRNA转甲酰基酶催化后的产物。 三、肽链合成的“装配机”一核糖体 核糖体由大小不同的两个亚基所组成,这两个亚基分别由不同的RNA分子(称为rRNA) 与多种蛋白质分子共同构成的。原核生物的核糖体为70S,由30小亚基与50S大亚基组成 真核生物的核糖体为80S,由30S小亚基与50S大亚基组成 胞质中的核糖体分为两类,一类附着于粗面内质网,主要参与白蛋白,胰岛素等分泌蛋 白质的合成:另一类游离于胞质,主要参与细胞固有蛋白质的合成
3 二、氨基酸的“搬运工具”—tRNA 体内的 20 种氨基酸都各有其特定的 tRNA，而且一种氨基酸常有数种 tRNA，在 ATP 和 酶的存在下，它可与特定的氨基酸结合。每个 tRNA 都有 1 个由 3 个核苷酸编成的特珠的反密 码子（anticodon）。此反密码子可以根据碱基配对的原则，与 mRNA 上对应的密码子相配合。 tRNA 上的反密码子，只有与 mRNA 上的密码子相对应时，才能结合。因此，在翻译时，带 着不同氨基酸的各个 tRNA 就能准确地在核糖体上与 mRNA 的密码子对号入座。 （一）密码子与反密码子的摆动配对 本书第 3 章已经介绍，DNA 双股结构中的碱基配对原则很严格，必须 A 与 T，或 G 与 C 相配。但 tRNA 的反密码子中的第 1 个核苷酸与 mRNA 的第 3 个核苷酸（由 5′端向 3′端 方向计数）配对时，并不严格遵循这一原则，除 A—U（相当于 DNA 中的 T）G—C 可以配对 外，U—G，I—C，I—A 亦可相配（表 14-2），此种配对称为摆动配对（wobble base pair）或 不稳定配对。 （二）起始 tRNA 与普通 tRNA 普通tRNA只在肽链延长阶段起作用。例如tRNAmet就是普通tRNA中的一员，上标“met” 表示它是甲硫氨酸的 tRNA，可携带甲硫氨酸，识别 mRNA 非起始部位的 AUG。 起始 tRNA（tRNAi met）与众不同，下标“i”代表起始 (initiation)。它在蛋白质合成的起始中起 重要作用，它是识别 mRNA 起始部位 AUG 的 tRNA。此种 tRNA 在真核生物携带蛋氨酸，在 原核生物携带经过甲酰化的甲硫氨酸。甲酰甲硫氨酰 tRNAi met 是甲硫氨酰 tRNAi met 在原核生物 中经甲硫氨酰 tRNA 转甲酰基酶催化后的产物。 三、肽链合成的“装配机”—核糖体 核糖体由大小不同的两个亚基所组成，这两个亚基分别由不同的RNA分子（称为rRNA） 与多种蛋白质分子共同构成的。原核生物的核糖体为 70S，由 30S 小亚基与 50S 大亚基组成； 真核生物的核糖体为 80S，由 30S 小亚基与 50S 大亚基组成。 胞质中的核糖体分为两类，一类附着于粗面内质网，主要参与白蛋白，胰岛素等分泌蛋 白质的合成；另一类游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白质的合成
(一)转肽酶以及给位与受位 核糖体相当于“装配机”能够促进tRNA所带的氨基酸缩合成肽。核糖体有2个位置分 别称为给位( donor site)与受位( acceptor site),供携带氨基酸或新生肽链的tRNA附着。给 位又称为P位( peptidyl site,肽位);受位有时又称A位( aminoacyl site,氨基酰位)。核糖 体的大亚基具有转肽酶( transpeptidase)活性,可使附着于给位上的肽酰tRNA转移到受位上 tRNA所带氨基酸上,使两者缩合,形成肽键 (二)多核糖体 在细胞内合成蛋白质的核糖体并不是单个核糖体,而是多个核糖体聚在一起的多核糖体 多核糖体中的各个核糖体可在同一时间内与同一个mRNA相连,如图14-1。在一条mRNA上可 以同时合成多条同样的多肽链。多核糖体合成肽链的效率甚高,其每一个核糖体每秒钟可翻 译约40个密码子,即每秒钟可以合成相当于一个由40个左右氨基酸残基组成的,分子量约 为4000的多肽链 第二节蛋白质的合成过程 蛋白质生物合成的具体步骤包括:①氨基酸的活化与活化氨基酸的搬运;②活化氨基酸在 核糖体上的缩合。前者是后者的准备阶段,后者是蛋白质合成的中心环节 氨基酸的活化与转运 在蛋白质分子中,氨基酸借其一NH2基及—COOH基互相联结成肽。氨基酸的活化过程 及其活化后与相应tRNA的结合过程,都是由同一类酶所催化:此类酶称为氨基酰tRNA合成 酶( aminoacyl- tRNA synthetase)。氨基酰tRNA合成酶催化的反应必须有ATP参加,其反应步 骤如下: (一)氨基酸的活化与转运是酶促需能反应 首先,在酶促下ATP分解为焦磷酸与AMP;AMP、酶及氨基酸三者结合成为一种中间复 合体。在复合体中,氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联,变为活化的氨基酸。进入 称为“核糖体循环”( ribosomal cycle)的氨基酸缩合成肽过程 (二)氨基酰RNA合成酶对氨基酸的高度专一性保证了翻译的准确性( fidelity)
4 （一）转肽酶以及给位与受位 核糖体相当于“装配机”能够促进 tRNA 所带的氨基酸缩合成肽。核糖体有 2 个位置分 别称为给位（donor site）与受位（acceptor site），供携带氨基酸或新生肽链的 tRNA 附着。给 位又称为 P 位（peptidyl site，肽位）；受位有时又称 A 位（aminoacyl site，氨基酰位）。核糖 体的大亚基具有转肽酶（transpeptidase）活性，可使附着于给位上的肽酰 tRNA 转移到受位上 tRNA 所带氨基酸上，使两者缩合，形成肽键。 （二）多核糖体 在细胞内合成蛋白质的核糖体并不是单个核糖体，而是多个核糖体聚在一起的多核糖体。 多核糖体中的各个核糖体可在同一时间内与同一个 mRNA 相连，如图 14-1。在一条 mRNA 上可 以同时合成多条同样的多肽链。多核糖体合成肽链的效率甚高，其每一个核糖体每秒钟可翻 译约 40 个密码子，即每秒钟可以合成相当于一个由 40 个左右氨基酸残基组成的，分子量约 为 4 000 的多肽链。 第二节 蛋白质的合成过程 蛋白质生物合成的具体步骤包括：①氨基酸的活化与活化氨基酸的搬运；②活化氨基酸在 核糖体上的缩合。前者是后者的准备阶段，后者是蛋白质合成的中心环节。 一、氨基酸的活化与转运 在蛋白质分子中，氨基酸借其—NH2 基及—COOH 基互相联结成肽。氨基酸的活化过程 及其活化后与相应 tRNA 的结合过程，都是由同一类酶所催化；此类酶称为氨基酰 tRNA 合成 酶（aminoacyl-tRNA synthetase）。氨基酰 tRNA 合成酶催化的反应必须有 ATP 参加，其反应步 骤如下： （一） 氨基酸的活化与转运是酶促需能反应 首先，在酶促下 ATP 分解为焦磷酸与 AMP；AMP、酶及氨基酸三者结合成为一种中间复 合体。在复合体中，氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联，变为活化的氨基酸。进入 称为“核糖体循环”（ribosomal cycle）的氨基酸缩合成肽过程。 （二）氨基酰 tRNA 合成酶对氨基酸的高度专一性保证了翻译的准确性（fidelity）
氨基酰tRNA合成酶在胞液中存在,具有高度专一性。它们既能识别特异的氨基酸,又能 辨认该氨基酸的专一tRNA分子。氨基酰tRNA合成酶分子中有两个位点:一个位点能从多种 氨基酸中选出与其对应的一种,与专一氨基酸结合:另一位点为水解位点,在酶与专一tRNA 分子结合后,起校对作用,将错误结合的氨基酸水解释放。 tRNA所携带的氨基酸,是通过“核糖体循环”在核糖体上缩合成肽,完成翻译过程的, 现以原核生物中蛋白质生物合成为例,将核糖体循环人为地分为起始、肽链延长( elongation) 和终止( termination)三个阶段进行介绍 、肽链合成的起始 在蛋白质生物合成的起始阶段,核糖体的大、小亚基,mRNA与甲酰甲硫氨酰tRNA"共同 构成70S起始复合体。这一过程需要一些称为起始因子( initiation factor.,简称IF)的蛋白质 以及GTP与镁离子的参与(图14-3) 已知原核生物中的起始因子有3种。IF3可使核糖体30S亚基不与50S亚基结合,而与 mRNA结合(表14-3),IF起辅助作用。IF2特异识别甲酰甲硫氨酰 trNAl",可促进305亚 基与甲酰甲硫氨酰 rnai"结合,在核糖体存在时有GTP酶活性 起始阶段可分两步:先形成30S起始复合体,再形成70S起始复合体。 (一)30S起始复合体的形成 原核生物mRNA的5′端与起始信号之间,相距约25个核苷酸,此处存在富含嘌呤区(如 AGGA或GAGG),称为 Shine- Dalgarno(SD)序列。核糖体30S亚基的16 SrRNA有一相应 的富含嘧啶区可与SD序列互补。由此,30S亚基在IF3与IF1的促进下,与 mRNA的起始部 位结合。 IF2在GTP参与下可特异与甲酰甲硫氨酰tRNA:"结合,形成三元复合物,并使此三元复 合物中tRNA的反密码子与上述30S亚基上mRNA的起始密码子互补结合,形成30S起始复合 体(图14-3)。 所以,30S起始复合体是由30S亚基、mRNA、甲酰甲硫氨酰tRNA"及IF1、IF2、IF3与 GTP共同构成 (二)70S起始复合体的形成
5 氨基酰 tRNA 合成酶在胞液中存在，具有高度专一性。它们既能识别特异的氨基酸，又能 辨认该氨基酸的专一 tRNA 分子。氨基酰 tRNA 合成酶分子中有两个位点：一个位点能从多种 氨基酸中选出与其对应的一种，与专一氨基酸结合；另一位点为水解位点，在酶与专一 tRNA 分子结合后，起校对作用，将错误结合的氨基酸水解释放。 tRNA 所携带的氨基酸，是通过“核糖体循环”在核糖体上缩合成肽，完成翻译过程的， 现以原核生物中蛋白质生物合成为例，将核糖体循环人为地分为起始、肽链延长（elongation） 和终止（termination）三个阶段进行介绍。 二、肽链合成的起始 在蛋白质生物合成的起始阶段，核糖体的大、小亚基，mRNA 与甲酰甲硫氨酰 tRNAi met 共同 构成 70S 起始复合体。这一过程需要一些称为起始因子（initiation factor，简称 IF）的蛋白质 以及 GTP 与镁离子的参与（图 14—3）。 已知原核生物中的起始因子有 3 种。IF3 可使核糖体 30S 亚基不与 50S 亚基结合，而与 mRNA 结合（表 14—3），IF1 起辅助作用。IF2 特异识别甲酰甲硫氨酰 tRNAi met，可促进 30S 亚 基与甲酰甲硫氨酰 tRNAi met 结合，在核糖体存在时有 GTP 酶活性。 起始阶段可分两步：先形成 30S 起始复合体，再形成 70S 起始复合体。 （一）30S 起始复合体的形成 原核生物 mRNA 的 5′端与起始信号之间，相距约 25 个核苷酸，此处存在富含嘌呤区（如 AGGA 或 GAGG），称为 Shine-Dalgarno（SD）序列。核糖体 30S 亚基的 16S rRNA 有一相应 的富含嘧啶区可与 SD 序列互补。由此，30S 亚基在 IF3 与 IF1 的促进下，与 mRNA 的起始部 位结合。 IF2 在 GTP 参与下可特异与甲酰甲硫氨酰 tRNAi met 结合，形成三元复合物，并使此三元复 合物中 tRNA 的反密码子与上述 30S 亚基上 mRNA 的起始密码子互补结合，形成 30S 起始复合 体（图 14-3）。 所以，30S 起始复合体是由 30S 亚基、mRNA、甲酰甲硫氨酰 tRNAi met 及 IF1、IF2、IF3 与 GTP 共同构成。 （二）70S 起始复合体的形成
30S起始复合体一旦形成,IF3也就脱落,50S亚基随即与其结合。此时复合体中的GIP 水解释出GDP与无机磷酸,使IF2与IFI也都脱落,形成了70S起始复合体。70S起始复合 体的形成,表明蛋白质生物合成的起始阶段已经完成,已可进入肽链延长阶段 70S起始复合体由大、小亚基,mRNA与甲酰甲硫氨酰RNAm叫共同构成。其中甲酰甲 硫氨酰 tRNA-m的反密码子CAU恰好互补地与mRNA中的起动信号AUG相结合。由图143 可见,复合体中mRNA的起始信号AUG位于核糖体的给位侧,所以与起始信号对应的甲酰 甲硫氨酰 tRNA, me也就定位在给位。应该指出,除起始tRNA与众不同外,所有氨基酰tRNA 与核糖体结合时,都不在核糖体给位,而是在受位。 三、肽链延长 这一阶段,与mRNA上的密码子相适应,新的氨基酸不断被相应特异的tRNA运至核糖 体的受位,形成肽链。同时,核糖体从mRNA的5’端向3’端不断移位以推进翻译过程(图14-4)。 肽链延长阶段需要称为延长因子( elongation factors)的蛋白质,GTP,Mg2与K的参与 肽链延长阶段的具体步骤如下: 进位与上一阶段所产生的复合物(图14-3中的70S起始复合体)受位上mRNA密码子 相对应的氨基酰tRNA(图14-4)进入受位。此步需要肽链延长因子EFu与EFTs(图14-5)。 EFTu的作用是促进氨基酰tRNA与核糖体的受位结合,而EFTs是促进EFTu的再利用 2.转肽50S亚基的给位有转肽酶的存在,可催化肽键形成,此时在转肽酶的催化下,将给 位上tRNA所携的甲酰甲硫氨酰(或肽酰)转移给受位上新进入的氨基酰tRNA,与其所带的氨 基酰(图14-4)的氨基结合,形成肽键。此步需要Mg2+与K的存在(图14-6) 3.移位核糖体向mRNA的3′端挪动相当于一个密码子的距离,使下一个密码子(图144) 准确定位在受位,同时带有肽链的tRNA由受位移至给位,此步需要肽链延长因子EFG(又称 转位酶, translocase)、Mg2+与供给能量的GTP。近来发现核糖体在受(A)、给(P)位外,还 有tRNA的另一结合位置,即tRNA排“出位( exit site,E位)”。氨基酰脱落后的tRNA先移 至E位 4.脱落当A位进入新的氨基酰邙RNA后,空载的邙RNA从核糖体的E位脱落。 以后肽链上每增加一个氨基酸残基,就需要进位(新的氨基酰tRNA进入“受位”),转肽 6
6 30S 起始复合体一旦形成，IF3 也就脱落，50S 亚基随即与其结合。此时复合体中的 GTP 水解释出 GDP 与无机磷酸，使 IF2 与 IF1 也都脱落，形成了 70S 起始复合体。70S 起始复合 体的形成，表明蛋白质生物合成的起始阶段已经完成，已可进入肽链延长阶段。 70S 起始复合体由大、小亚基，mRNA 与甲酰甲硫氨酰 tRNAi met 共同构成。其中甲酰甲 硫氨酰 tRNAi met 的反密码子 CAU 恰好互补地与 mRNA 中的起动信号 AUG 相结合。由图 14-3 可见，复合体中 mRNA 的起始信号 AUG 位于核糖体的给位侧，所以与起始信号对应的甲酰 甲硫氨酰 tRNAi met 也就定位在给位。应该指出，除起始 tRNA 与众不同外，所有氨基酰 tRNA 与核糖体结合时，都不在核糖体给位，而是在受位。 三、肽链延长 这一阶段，与 mRNA 上的密码子相适应，新的氨基酸不断被相应特异的 tRNA 运至核糖 体的受位，形成肽链。同时，核糖体从 mRNA 的 5’端向 3’端不断移位以推进翻译过程（图 14-4）。 肽链延长阶段需要称为延长因子（elongation factors）的蛋白质，GTP，Mg2+与 K+的参与。 肽链延长阶段的具体步骤如下： 进位 与上一阶段所产生的复合物（图 14-3 中的 70S 起始复合体）受位上 mRNA 密码子 相对应的氨基酰 tRNA（图 14-4）进入受位。此步需要肽链延长因子 EFTu 与 EFTs（图 14-5）。 EFTu 的作用是促进氨基酰 tRNA 与核糖体的受位结合，而 EFTs 是促进 EFTu 的再利用。 2．转肽 50S 亚基的给位有转肽酶的存在，可催化肽键形成，此时在转肽酶的催化下，将给 位上 tRNA 所携的甲酰甲硫氨酰（或肽酰）转移给受位上新进入的氨基酰 tRNA，与其所带的氨 基酰（图 14-4）的氨基结合，形成肽键。此步需要 Mg2+与 K +的存在（图 14-6）。 3．移位 核糖体向 mRNA 的 3′端挪动相当于一个密码子的距离，使下一个密码子（图 14-4） 准确定位在受位，同时带有肽链的 tRNA 由受位移至给位，此步需要肽链延长因子 EFG(又称 转位酶，translocase)、Mg 2+与供给能量的 GTP。近来发现核糖体在受（A）、给（P）位外，还 有 tRNA 的另一结合位置，即 tRNA 排“出位（exit site, E 位）”。氨基酰脱落后的 tRNA 先移 至 E 位。 4．脱落 当 A 位进入新的氨基酰 tRNA 后，空载的 tRNA 从核糖体的 E 位脱落。 以后肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要进位（新的氨基酰 tRNA 进入“受位”），转肽
(形成新的肽键),移位(核糖体挪动的同时,原在“受位”带有肽链的tRNA转到“给位”) 和脱落(失去氨基酰的tRNA在“出位”上脱落)。如此一遍一遍地重复,直到肽链增长到必 要的长度 在肽链延长阶段中,每生成一个肽键,都需要直接从2分子GTP(移位时与进位时各1) 获得能量,即消耗2个高能磷酸键化合物:但考虑到氨基酸被活化生成氨基酰邙RNA时,已消 耗了2个高能磷酸键(见前),所以在蛋白质合成过程中,每生成一个肽键,实际上共需消耗 4个高能磷酸键。 当肽链合成到一定长度时,在肽链脱甲酰基酶( peptide deformylase)和一种对蛋氨酸 残基比较特异的氨基肽酶的依次作用下,氨基端的甲酰甲硫氨酸残基即从肽链上水解脱落(图 14-4) 四.肽链合成的终止 从图147可看到,多肽链合成已经完成,并且“受位”上已出现终止信号(UAA),此 后即转入终止阶段。终止阶段包括已合成完毕的肽链被水解释放,以及核糖体与tRNA从 mRNA上脱落的过程。这一阶段需要GTP与一种起终止作用的蛋白质因子一释放因子( release actor,RF,或称终止因子)的参与。 原核生物的RF有3种。RF1识别终止信号UAA或UAG,RF2识别UAA或UGA,RF3 可与GTP结合,水解GTP为GDP与磷酸,协助RF1与RF2。RF使大亚基“给位”的转肽酶 不起转肽作用,而起水解作用。转肽酶水解“给位”上tRNA与多肽链之间的酯键,使多肽链 脱落。RF、核糖体及tRNA亦渐次脱离。从mRNA上脱落的核糖体,分解为大小两亚基, 新进入核糖体循环。核糖体大小亚基解离状态的维持需要IF3。 在一条mRNA上可以同时附着多个核糖体,合成多条同样的多肽链(图141),而脱落 下来的亚基又可重新投入核糖体循环。可见,多核糖体合成肽链的效率甚高。 五、真核生物翻译的特点 ①真核生物的蛋白质合成与mRNA的转录生成不偶联,mRNA在细胞核内以前体形式合 成,合成后需经加工修饰才成熟为mRNA,从细胞核内输往胞浆,投入蛋白质合成过程,转
7 （形成新的肽键），移位（核糖体挪动的同时，原在“受位”带有肽链的 tRNA 转到“给位”） 和脱落（失去氨基酰的 tRNA 在“出位”上脱落）。如此一遍一遍地重复，直到肽链增长到必 要的长度。 在肽链延长阶段中，每生成一个肽键，都需要直接从 2 分子 GTP（移位时与进位时各 1） 获得能量，即消耗 2 个高能磷酸键化合物；但考虑到氨基酸被活化生成氨基酰 tRNA 时，已消 耗了 2 个高能磷酸键（见前），所以在蛋白质合成过程中，每生成一个肽键，实际上共需消耗 4 个高能磷酸键。 当肽链合成到一定长度时，在肽链脱甲酰基酶（peptide deformylase）和一种对蛋氨酸 残基比较特异的氨基肽酶的依次作用下，氨基端的甲酰甲硫氨酸残基即从肽链上水解脱落（图 14-4）。 四．肽链合成的终止 从图 14-7 可看到，多肽链合成已经完成，并且“受位”上已出现终止信号（UAA），此 后即转入终止阶段。终止阶段包括已合成完毕的肽链被水解释放，以及核糖体与 tRNA 从 mRNA 上脱落的过程。这一阶段需要 GTP 与一种起终止作用的蛋白质因子—释放因子（release factor，RF，或称终止因子）的参与。 原核生物的 RF 有 3 种。RF1 识别终止信号 UAA 或 UAG，RF2 识别 UAA 或 UGA，RF3 可与 GTP 结合，水解 GTP 为 GDP 与磷酸，协助 RF1 与 RF2。RF 使大亚基“给位”的转肽酶 不起转肽作用，而起水解作用。转肽酶水解“给位”上 tRNA 与多肽链之间的酯键，使多肽链 脱落。RF、核糖体及 tRNA 亦渐次脱离。从 mRNA 上脱落的核糖体，分解为大小两亚基，重 新进入核糖体循环。核糖体大小亚基解离状态的维持需要 IF3。 在一条 mRNA 上可以同时附着多个核糖体，合成多条同样的多肽链（图 14-1），而脱落 下来的亚基又可重新投入核糖体循环。可见，多核糖体合成肽链的效率甚高。 五、真核生物翻译的特点 ①真核生物的蛋白质合成与 mRNA 的转录生成不偶联，mRNA 在细胞核内以前体形式合 成，合成后需经加工修饰才成熟为 mRNA，从细胞核内输往胞浆，投入蛋白质合成过程，转
录和翻译的间隔约15分钟;而原核生物的mRNA常在其自身合成尚未结束时,已被用来翻译, 因而转录与翻译几乎同时进行:②真核细胞蛋白质合成机构比原核生物复杂:③真核生物的 合成起始过程与原核生物的蛋白质合成有所不同:④真核生物蛋白质合成的调控更为复杂; ⑤真核生物与原核生物的蛋白质合成可为不同的抑制剂所抑制。择要具体说明如下 (一)翻译起始因子多 真核生物与原核生物的翻译相关的蛋白质因子有所不同。其中尤以起始因子的差别最大。原 核生物的起始因子只有3种,真核生物的起始因子不下10种,如表14-4所示。 (二)mRNA戴“帽”,有“尾”,为单顺反子 真核生物的mRNA前体在细胞核内合成,合成后需经加工,才成熟为mRNA,从细胞核 内输入胞浆,投入蛋白质合成过程;而原核生物的mRNA常在其自身的合成尚未结束时,已 被利用,开始翻译。真核生物的mRNA含有7甲基三磷酸鸟苷形成的“帽”,有聚腺苷酸(poly A)形成的“尾”,为单顺反子( monocistron),只含一条多肽链的遗传信息,合成蛋白质时只 有一个合成的起始点,一个合成的终止点:而原核生物的mRNA为多顺反子( polycistron) 含有蛋白质合成的多个起始点和终止点,且不带有类似“帽”与“尾”的结构。在5′端方向 起始信号的上游存在SD区段。真核生物的mRNA无SD区段。真核生物的mRNA代谢慢, 哺乳类动物mRNA的典型半衰期为4-6h,而细菌的mRNA半衰期仅为1-3min。此外真核生 物的mRNA前体多含插入序列,相当于基因中的内含子,需要在加工时切除,已于RNA合 成有关章节述及 (三)核糖体大而复杂 真核生物的核糖体(80S)大于原核生物(70S)。小亚基为40s,含有一种rRNA(18 S TRNA); 大亚基为为60S,含有3种rRNA(28 S rRNA、58 S rRNA和5 S rRNA)。所含的核糖体蛋白 质亦多于原核生物。原核生物小亚基16 SrRNA的3′端有一富含嘧啶的区段,可与其mRNA 起动部位富含嘌呤的SD区互补结合。真核生物相应的rRNA(18 S TRNA)无此互补区,但有 与帽结构作用区 (四)起始tRNA不经过甲酰化 真核生物中起着起始作用的氨基酰tRNA是甲硫氨酰tRNA",不是甲酰甲硫氨酰tRNA" (五)合成过程需要ATP,起始因子多而肽链延长因子和释放因子种类少
8 录和翻译的间隔约 15 分钟；而原核生物的 mRNA 常在其自身合成尚未结束时，已被用来翻译， 因而转录与翻译几乎同时进行；②真核细胞蛋白质合成机构比原核生物复杂；③真核生物的 合成起始过程与原核生物的蛋白质合成有所不同；④真核生物蛋白质合成的调控更为复杂； ⑤真核生物与原核生物的蛋白质合成可为不同的抑制剂所抑制。择要具体说明如下： （一）翻译起始因子多 真核生物与原核生物的翻译相关的蛋白质因子有所不同。其中尤以起始因子的差别最大。原 核生物的起始因子只有 3 种，真核生物的起始因子不下 10 种，如表 14-4 所示。 （二） mRNA 戴“帽”，有“尾”， 为单顺反子 真核生物的 mRNA 前体在细胞核内合成，合成后需经加工，才成熟为 mRNA，从细胞核 内输入胞浆，投入蛋白质合成过程；而原核生物的 mRNA 常在其自身的合成尚未结束时，已 被利用，开始翻译。真核生物的 mRNA 含有 7 甲基三磷酸鸟苷形成的“帽”，有聚腺苷酸（poly A）形成的“尾”，为单顺反子（monocistron），只含一条多肽链的遗传信息，合成蛋白质时只 有一个合成的起始点，一个合成的终止点；而原核生物的 mRNA 为多顺反子（polycistron）， 含有蛋白质合成的多个起始点和终止点，且不带有类似“帽”与“尾”的结构。在 5′端方向 起始信号的上游存在 SD 区段。真核生物的 mRNA 无 SD 区段。真核生物的 mRNA 代谢慢， 哺乳类动物 mRNA 的典型半衰期为 4-6 h，而细菌的 mRNA 半衰期仅为 1-3 min。此外真核生 物的 mRNA 前体多含插入序列，相当于基因中的内含子，需要在加工时切除，已于 RNA 合 成有关章节述及。 （三） 核糖体大而复杂 真核生物的核糖体（80S）大于原核生物（70S）。小亚基为 40S，含有一种 rRNA（18S rRNA）； 大亚基为为 60S，含有 3 种 rRNA（28S rRNA、5.8S rRNA 和 5S rRNA）。所含的核糖体蛋白 质亦多于原核生物。原核生物小亚基 16S rRNA 的 3′端有一富含嘧啶的区段，可与其 mRNA 起动部位富含嘌呤的 SD 区互补结合。真核生物相应的 rRNA（18S rRNA）无此互补区，但有 与帽结构作用区。 （四） 起始 tRNA 不经过甲酰化 真核生物中起着起始作用的氨基酰 tRNA 是甲硫氨酰 tRNAi met，不是甲酰甲硫氨酰 tRNAi met。 （五）合成过程需要 ATP，起始因子多而肽链延长因子和释放因子种类少
1.起始:真核生物核糖体小亚基先与蛋氨酰tRNA"结合,然后与mRNA结合,形成40S 起始复合体,此时需要一分子ATP,最后与60S亚基结合后形成80S起始复合体。 2.肽链延长:真核生物中催化氨基酰tRNA进入受位的延长因子只有一种(EFT1)。催化肽 酰tRNA移位的因子称为EFI2,可为白喉毒素所抑制。 3.终止:真核生物只需一种释放因子(RF),此终止因子可识别3种终止密码子(UAA、UAG 与UGA)。 (六)线粒体内存在独立的蛋白质合成体系 哺乳类动物等真核生物的线粒体中,存在着自DNA到RNA及各种有关因子的独立的蛋白 质生物合成体系,以合成线粒体本身的某些多肽,真核生物的该体系与胞质中一般蛋白质合 成体系不同,与原核生物的近似。因而可被抑制原核生物蛋白质生物合成的某些抗生素抑制。 这可能是某些抗生素药物副作用的原因。 第三节翻译后加工 肽链合成的结束,并不一定意味着具有正常生理功能的蛋白质分子已经生成。已知很多 蛋白质在肽链合成后还需经过一定的加工( processing)或修饰,由几条肽链构成的蛋白质和 带有辅基的蛋白质,其各个亚单位必须互相聚合才能成为完整的蛋白质分子。 、肽链的合成后加工与修饰 某些蛋白质在其肽链合成结束后,还需要进一步加工,修饰才能转变为具有正常生理功 能的蛋白质 (一)二硫键的形成 二硫键由两个半胱氨酸残基形成,对维持蛋白质立体结构起重要作用,如核糖核酸酶合 成后,肽链中8个半胱氨酸残基构成了4对二硫键,此4对二硫键对它的酶活性是必要的。 硫键也可以在链间形成,使蛋白质分子的亚单位聚合 (二)个别氨基酸残基的化学修饰 有些蛋白质前体需经一定的化学修饰才能成为成品而参与正常的生理活动。有些酶的活 性中心含有磷酸化的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。这些磷酸化的氨基酸残基都是在肽链合
9 1．起始： 真核生物核糖体小亚基先与蛋氨酰 tRNAi met 结合，然后与 mRNA 结合，形成 40S 起始复合体，此时需要一分子 ATP，最后与 60S 亚基结合后形成 80 S 起始复合体。 2．肽链延长：真核生物中催化氨基酰 tRNA 进入受位的延长因子只有一种（EFT1）。催化肽 酰 tRNA 移位的因子称为 EFT2，可为白喉毒素所抑制。 3．终止：真核生物只需一种释放因子（RF），此终止因子可识别 3 种终止密码子（UAA、UAG 与 UGA）。 （六）线粒体内存在独立的蛋白质合成体系 哺乳类动物等真核生物的线粒体中，存在着自 DNA 到 RNA 及各种有关因子的独立的蛋白 质生物合成体系，以合成线粒体本身的某些多肽，真核生物的该体系与胞质中一般蛋白质合 成体系不同，与原核生物的近似。因而可被抑制原核生物蛋白质生物合成的某些抗生素抑制。 这可能是某些抗生素药物副作用的原因。 第三节 翻译后加工 肽链合成的结束，并不一定意味着具有正常生理功能的蛋白质分子已经生成。已知很多 蛋白质在肽链合成后还需经过一定的加工（processing）或修饰，由几条肽链构成的蛋白质和 带有辅基的蛋白质，其各个亚单位必须互相聚合才能成为完整的蛋白质分子。 一、肽链的合成后加工与修饰 某些蛋白质在其肽链合成结束后，还需要进一步加工，修饰才能转变为具有正常生理功 能的蛋白质。 （一）二硫键的形成 二硫键由两个半胱氨酸残基形成，对维持蛋白质立体结构起重要作用，如核糖核酸酶合 成后，肽链中 8 个半胱氨酸残基构成了 4 对二硫键，此 4 对二硫键对它的酶活性是必要的。 二硫键也可以在链间形成，使蛋白质分子的亚单位聚合。 （二）个别氨基酸残基的化学修饰 有些蛋白质前体需经一定的化学修饰才能成为成品而参与正常的生理活动。有些酶的活 性中心含有磷酸化的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。这些磷酸化的氨基酸残基都是在肽链合
成后相应残基的-OH被磷酸化而形成的。除磷酸化外,有时蛋白质前体需要乙酰化(如组蛋白)、 甲基化、ADP-核糖化、羟化等。胶原蛋白的前体在合成后,经羟化,其肽链中的脯氨酸及赖 氨酸残基可分别转变为羟脯氨酸及羟赖氨酸残基 (三)蛋白质前体中不必要肽段的切除 无活性的酶原转变为有活性的酶,常需要去掉一部分肽链。现知其它蛋白质也存在类似 过程,虽然转变的场所不同:酶原多是在细胞外转变为酶,而蛋白质前体中不必要肽段的切 除是在细胞内进行的 分泌型蛋白质如白蛋白、免疫球蛋白与催乳素( prolactin)等,在合成时都带有一段称为 “信号肽( signal peptide)”的肽段。信号肽段约由15-30个氨基酸残基构成。信号肽在肽链合 成结束前已被切除。有些蛋白质前体在合成结束后尚需切除其他肽段 例如,胰岛素在合成结束时,并非是具有正常生理活性的胰岛素,而是其前体一一胰岛 素原( proinsulin)。胰岛素原变为胰岛素时,尚需去掉部分肽段。甲状旁腺素及生长素等多种 蛋白类激素,由其前身物转变为具有正常生理活性的激素时,也需去掉部分肽段。除蛋白质 类激素外,血浆蛋白质的主要成分清蛋白,在细胞中合成结束时,也只是其前体清蛋白原。 清蛋白原需在氨基端去掉由5-6个氨基酸残基组成的肽段,才能成为清蛋白。因而此种合成 后的加工,是分泌蛋白生成过程的一种普遍规律 (四)多蛋白的加工 真核生物mRNA的翻译产物为单一多肽链,有时这一肽链经加工,可产生一个以上功能 不同的蛋白质或多肽。此类原始肽链称作多蛋白( polyprotein)。例如,垂体促肾上腺皮质激 素( corticotropin,ACIH),β、γ促脂素( lipotropin),β内啡肽( endorphin),a、β促 黑色细胞素( melanocyte- stimulating hormone,MsH)均从一条由265个氨基酸残基组成,称 为阿片促黑皮质激素原(pro-opio- melano-cortin,POMC)的多蛋白裂解而来。 二、亚单位的聚合和复合蛋白质形成 单纯蛋白质由一条多肽链或数条多肽链构成;结合蛋白质则除多肽链外,还含有辅基 蛋白质的高级结构是由一级结构中各个氨基酸残基的侧链共同决定的。一级结构形成后 多肽链卷曲折叠形成α螺旋,β折叠等二级结构:并借副键(盐键、氢键、疏水键等)维持 一定空间构象。由一条以上肽链构成的蛋白质和带有辅基的结合蛋白质,肽链之间或多肽链
10 成后相应残基的-OH 被磷酸化而形成的。除磷酸化外，有时蛋白质前体需要乙酰化（如组蛋白）、 甲基化、ADP-核糖化、羟化等。胶原蛋白的前体在合成后，经羟化，其肽链中的脯氨酸及赖 氨酸残基可分别转变为羟脯氨酸及羟赖氨酸残基。 （三）蛋白质前体中不必要肽段的切除 无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链。现知其它蛋白质也存在类似 过程，虽然转变的场所不同；酶原多是在细胞外转变为酶，而蛋白质前体中不必要肽段的切 除是在细胞内进行的。 分泌型蛋白质如白蛋白、免疫球蛋白与催乳素(pro1actin)等，在合成时都带有一段称为 “信号肽(signal peptide)”的肽段。信号肽段约由 15-30 个氨基酸残基构成。信号肽在肽链合 成结束前已被切除。有些蛋白质前体在合成结束后尚需切除其他肽段。 例如，胰岛素在合成结束时，并非是具有正常生理活性的胰岛素，而是其前体——胰岛 素原（proinsulin）。胰岛素原变为胰岛素时，尚需去掉部分肽段。甲状旁腺素及生长素等多种 蛋白类激素，由其前身物转变为具有正常生理活性的激素时，也需去掉部分肽段。除蛋白质 类激素外，血浆蛋白质的主要成分清蛋白，在细胞中合成结束时，也只是其前体清蛋白原。 清蛋白原需在氨基端去掉由 5-6 个氨基酸残基组成的肽段，才能成为清蛋白。因而此种合成 后的加工，是分泌蛋白生成过程的一种普遍规律。 （四）多蛋白的加工 真核生物 mRNA 的翻译产物为单一多肽链，有时这一肽链经加工，可产生一个以上功能 不同的蛋白质或多肽。此类原始肽链称作多蛋白（polyprotein）。例如，垂体促肾上腺皮质激 素（corticotropin，ACTH），β、γ 促脂素（lipotropin），β 内啡肽（endorphin），α、β 促 黑色细胞素（melanocyte-stimulating hormone，MSH）均从一条由 265 个氨基酸残基组成，称 为阿片促黑皮质激素原（pro-opio-melano-cortin，POMC）的多蛋白裂解而来。 二、亚单位的聚合和复合蛋白质形成 单纯蛋白质由一条多肽链或数条多肽链构成；结合蛋白质则除多肽链外，还含有辅基。 蛋白质的高级结构是由一级结构中各个氨基酸残基的侧链共同决定的。一级结构形成后， 多肽链卷曲折叠形成α螺旋，β折叠等二级结构；并借副键（盐键、氢键、疏水键等）维持 一定空间构象。由一条以上肽链构成的蛋白质和带有辅基的结合蛋白质，肽链之间或多肽链