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分子生物学基础第五章遗传信息的翻译—从mRNA到蛋白质第一节参与蛋白质生物合成的物质一、mRNA和遗传密码1．遗传密码及其破译2．遗传密码的性质（1）遗传密码的连续性（2）遗传密码的简并性（3）遗传密码的摆动性（4）遗传密码的普遍性和特殊性（5）遗传密码的防错功能第一节参与蛋白质生物合成的物质第一节参与蛋白质生物合成的物质图5-1除Arg以外，编码某一特定氨基酸的密码子个数与该氨基酸在蛋白质中的出现频率吻合第一节参与蛋白质生物合成的物质图5-2mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对示意图第一节参与蛋白质生物合成的物质第一节参与蛋白质生物合成的物质第一节参与蛋白质生物合成的物质第一节参与蛋白质生物合成的物质二、tRNA与氨基酸的转运1．tRNA的结构（1）tRNA的二级结构tRNA的三叶草形二级结构如图5-3所示。图5-3tRNA的三叶草二级结构第一节参与蛋白质生物合成的物质tRNA的稀有碱基含量约有70余种。每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19个稀有碱基，多数分布在非配对区，特别是在反密码子3′端邻近部位出现的频率最高，且多为嘌呤核苷酸。这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对很重要。基因组研究表明，原核生物与真核生物细胞中所拥有的各种tRNA基因总数有很大不同，见表5-6。第一节参与蛋白质生物合成的物质（2）tRNA的三级结构酵母和大肠杆菌tRNA的三级结构都呈倒L形折叠式，这种结构是靠氢键来维持的，共有9个氢键帮助形成tRNA分子的三级结构。tRNA的三级结构与氨酰-tRNA合成酶的识别有关。受体臂和TψC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋，两个双螺旋上各有一个缺口。TψC臂和D臂的套索状结构位于倒L的转折点。氨基酸受体臂在L形的一端，反密码子臂则在另一端。tRNA的倒L形结构如图5-4所示。第一节参与蛋白质生物合成的物质图5-4tRNA的倒L形三级结构第一节参与蛋白质生物合成的物质2．tRNA的功能转录是遗传信息从一种核酸分子（DNA）转移到另一种结构上极为相似的核酸分子（RNA）的过程，信息转移依靠碱基配对。翻译则是遗传信息从mRNA分子转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子形式存在的，在此起作用的是tRNA的解码机制。根据Crick的接合体假说，氨基酸必须与一种接合体接合，才能被带到RNA模板的恰当位置上正确合成蛋白质。因此，氨基酸在合成蛋白质之前必须通过AA-tRNA合成酶活化，在消耗ATP的情况下结合到tRNA上，生成有蛋白质合成活性的AA–tRNA。同时，AA–tRNA的生成还涉及信息传递的问题，因为只有tRNA上的反密码子能与mRNA上的密码子相互识别并配对，而氨基酸本身不能识别密码子，只有结合到tRNA上生成AA–tRNA，才能被带到mRNA–核糖体复合体上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。第一节参与蛋白质生物合成的物质3．tRNA的种类（1）起始tRNA和延伸tRNA起始tRNA是指能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA，其他的tRNA统称为延伸tRNA。（2）同工tRNA由于一种氨基酸可能有多个密码子，为了识别该氨基酸就有多个tRNA，即多个tRNA代表一种氨基酸。为此将几个代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA。在一个同工tRNA组内，所有tRNA均专一于相同的氨酰-tRNA合成酶。同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸各种同义密码子，又要有某种结构上的共同性，能被AA-tRNA合成酶识别。所以同工tRNA组内肯定具备了足以区分其他tRNA组的特异构造，保证合成酶能准确无误地加以选择。（3）校正tRNA在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子（UAG、UGA、UAA），使蛋白质的合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变称为无义突变。无义突变的校正tRNA可通过改变反密码子区校正无义突变。大肠杆菌无义突变的校正tRNA见表5-7。第一节参与蛋白质生物合成的物质第一节参与蛋白质生物合成的物质三、核糖体与肽链装配1．核糖体的结构原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成。真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大、小两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质量较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。这些大分子rRNA能在特定位点与蛋白质结合，从而完成核糖体不同亚基的组装。在大肠杆菌内，RNA和蛋白质的比例约为2∶1，在其它许多生物体中则为1∶1。大小亚基均含有许多不同的蛋白质。小亚基（30S）由1种RNA（16S，1542个核苷酸）和21种蛋白质组成，大亚基（50S）由2种RNA（23S，2904个核苷酸和5S，120个核苷酸）和34种蛋白质组成。第一节参与蛋白质生物合成的物质第一节参与蛋白质生物合成的物质原核生物和真核生物核糖体中的蛋白质种类和RNA组成见表5-9。第一节参与蛋白质生物合成的物质核糖体结构模型及原核与真核细胞核糖体大小亚基比较如图5-5所示。核糖体分子可容纳两个tRNA和约40bp长的mRNA。图5-5核糖体结构模型及原核与真核细胞核糖体大小亚基比较(a)电子显微镜模式图。大亚基位于整个分子的左侧，细绳代表mRNA位于两个（b）原核生物70S和真核生物80S核糖体第一节参与蛋白质生物合成的物质2．rRNA核糖体内的所有rRNA在形成核糖体的结构和功能时都起着重要作用。3．核糖体的功能核糖体存在于每个进行蛋白质合成的细胞中。虽然在不同生物体内其大小有别，但组织结构基本相同，而且所执行的功能也完全相同。在多肽合成过程中，不同的tRNA将相应的氨基酸带到蛋白质合成部位，并与mRNA进行专一性的相互作用，以选择对信息专一的AA-tRNA。核糖体还必须能同时容纳另一种携带肽链的tRNA，即肽基-tRNA，并使之处于肽键易于生成的位置上。第二节蛋白质生物合成的过程蛋白质生物合成亦称为翻译，即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序的过程。蛋白质生物合成主要包括下列步骤：翻译的起始―—核糖体与mRNA结合并与氨酰-tRNA生成起始复合体；肽链的延伸──核糖体沿mRNA5’端向3’端移动，使多肽链的合成从N端向C端的方向进行；肽链的终止以及新合成多肽链的折叠和加工——核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。各阶段必须的成分见表5-10。第二节蛋白质生物合成的过程第二节蛋白质生物合成的过程一、氨基酸的活化原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，真核生物的起始tRNA是Met-tRNAMet。原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。在真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始复合体。起始复合体的生成除了需要GTP提供能量外，还需要Mg2+、NH4+及3个起始因子（IF-1、IF-2和IF-3）。起始因子与30S小亚基的结合较为松散，用1mol/LNH4Cl处理即可使之游离。第二节蛋白质生物合成的过程二、翻译的起始1．原核生物蛋白质合成的起始起始阶段的主要任务是在mRNA分子的正确起始点即起始密码子处完成完整核糖体的组装。蛋白质翻译的起始复合体包括：30S核糖体小亚基、mRNA、fMet-tRNAfMet、三个起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）、GTP、50S核糖体大亚基、Mg2+。翻译的起始又可被分成三步，如图5-7所示。第二节蛋白质生物合成的过程图5-7蛋白质翻译起始过程第二节蛋白质生物合成的过程①IF-1和IF-3与游离的30S核糖体小亚基相结合，以阻止在与mRNA结合前30S亚基与大亚基的结合，从而防止无活性核糖体的形成。②由30S小亚基、起始因子IF-1和IF-3及mRNA所组成的复合体立即与GTP-IF-2及fMet-tRNAfMet相结合。起始tRNA通过其反密码子与mRNA分子上AUG密码子配对，与上述复合体结合，同时释放IF-3。IF-3的作用在于保持大小亚基彼此分离状态，以及有助于mRNA结合。此时的复合体称为30S起始复合体。③30S起始复合体再与50S大亚基结合，替换出IF-1和IF-2，而GTP在此耗能过程中被水解。起始后期形成的该复合体被称为70S起始复合体。第二节蛋白质生物合成的过程如图5-8所示。其中IF-3的功能是使核糖体的30S和50S亚基保持分开，其它两个起始因子IF-1及IF-2的功能则是促进fMet-tRNAifMet及mRNA与30S小亚基的结合。如前所述，mRNA的SD序列可与小亚基上16SrRNA的3′进行碱基配对，起始密码子AUG可与起始tRNA上的反密码子进行配对。当30S小亚基结合上fMet-tRNAifMet以及与mRNA形成复合体后，IF-3就解离下来，以便50S大亚基与复合体的结合，后一结合使IF-2离开核糖体，同时使结合在IF-2上的GTP水解，原核生物的起始过程需要1分子GTP水解成GDP及磷酸提供能量。第二节蛋白质生物合成的过程图5-8原核生物蛋白质合成起始复合体的形成第二节蛋白质生物合成的过程2．真核生物蛋白质合成的起始真核生物蛋白质合成的起始需要更多的蛋白质因子eIF参与，目前至少发现有9种，其中有些因子含有多达11种不同的亚基。但对它们的功能了解甚少，主要过程如图5-9所示。与原核系统类似，eIF-3使40S的小亚基与大亚基分开，但其间的反应不同。Met-tRNAiMet首先与小亚基结合，同时与eIF-2及GTP形成起始四元复合体，该复合体再在多个因子的帮助下开始与mRNA的5′端结合。其中eIF-4因子含有1个特殊的亚基，能特异性地结合在mRNA的5′端帽子结构上。结合在mRNA上后，核糖体小亚基就开始向3′端移动至第一个AUG，这种移动由ATP水解为ADP及磷酸来提供能量。第二节蛋白质生物合成的过程图5-9真核生物蛋白质合成起始复合体的形成第二节蛋白质生物合成的过程三、肽链的延伸肽链延伸也可被分为三步：1．第一步，进位氨酰-tRNA首先必须与GTP-EF-Tu复合体相结合，形成氨酰-tRNA-GTP-EF-Tu复合体并与70S中的A位点相结合。此时，GTP水解并释放GDP-EF-Tu复合体。如图5-11所示。2．第二步，转肽转肽是形成肽键的反应，转肽如图5-12所示。该过程是在延伸因子从核糖体上解离下来的同时进行的。催化这一过程的酶是存在于核糖体大亚基上的23StRNA与酶蛋白称为肽酰转移酶，催化的本质是使一个酯键转变成一个肽键，由新加入的氨酰-tRNA上氨基酸的氨基对肽酰-tRNA上酯键的羰基进行亲核反应而成。第二节蛋白质生物合成的过程3．第三步，移位移位是延伸过程的最后一步，如图5-13所示。该过程由移位因子EF-2催化（原核中为EF-G，真核中为EF-2）。核糖体的移位需要EF-G和另一分子GTP水解提供能量。移位的目的是使核糖体沿mRNA向下游移动，使下一个密码子暴露于核糖体的合适位点以供继续翻译。此过程除需EF-2外，还需GTP、Mg2+。按进位→转肽→移位，每进行一次核糖体循环，就在肽链上增加1个氨基酸残基。以嘌呤霉素作为抑制剂通过实验表明，核糖体端mRNA移动与肽基-tRNA的移位这两个过程是偶联的。肽链延伸是由许多这样的反应组成的，原核生物中每次反应共需3个延伸因子，EF-Tu、EF-Ts、EF-G，真核生物细胞需EF-1、及EF-2，消耗2个GTP，向生长中的肽链加上一个氨基酸。第二节蛋白质生物合成的过程图5-11细菌中肽链延伸的第一步反应：进位第二节蛋白质生物合成的过程图5-12转肽第二节蛋白质生物合成的过程图5-13细菌中肽链延伸的第三步反应：移位第二节蛋白质生物合成的过程四、翻译的终止翻译的最后一步涉及到肽酰-tRNA中连接tRNA和C端氨