第四章股一股ugugugu

第四章生物信息傳遞

frommRNAtoProtein2

內(nèi)容：

4.1遺傳密碼-----三聯(lián)子

4.2tRNA的結(jié)構(gòu)、種類與功能

4.3核糖體的結(jié)構(gòu)與功能

4.4蛋白質(zhì)合成的生物學(xué)機(jī)制

4.5蛋白質(zhì)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制3

4

translation:翻譯是指將mRNA鏈上的核苷酸從一個(gè)特定的起始位點(diǎn)開(kāi)始，按每3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸的原則，依次合成一條多肽鏈的過(guò)程。5參與合成蛋白質(zhì)的主要元件核糖體是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所，mRNA是蛋白質(zhì)合成的模板，轉(zhuǎn)移RNA（transferRNA，tRNA）是模板與氨基酸之間的接合體。在合成的各個(gè)階段還有許多蛋白質(zhì)、酶和其他生物大分子參與。6

翻譯的起始核糖體與mRNA結(jié)合并與氨基酰-tRNA生成起始復(fù)合物。蛋白質(zhì)的生物合成是一個(gè)比DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄更為復(fù)雜的過(guò)程。Polycistronictranscriptsinprokaryotes7核糖體沿mRNA5‘

端向3’端移動(dòng)，開(kāi)始了從N端向C端的多肽合成，這是蛋白質(zhì)合成過(guò)程中速度最快的階段。肽鏈的延伸8肽鏈的終止及釋放核糖體從mRNA上解離，準(zhǔn)備新一輪合成反應(yīng)。94.1遺傳密碼(geneticcodon)——三聯(lián)子

mRNA上每3個(gè)核苷酸翻譯成蛋白質(zhì)多肽鏈上的一個(gè)氨基酸，這3個(gè)核苷酸就稱為密碼，也叫三聯(lián)子密碼。

SerTyr5’5’10

翻譯時(shí)從起始密碼子AUG開(kāi)始，沿著mRNA5’→3’的方向連續(xù)閱讀密碼子，直至終止密碼子為止，生成一條具有特定序列的多肽鏈——蛋白質(zhì)。新生的多肽鏈中氨基酸的組成和排列順序決定于其DNA（基因）的堿基組成及其順序。

因此，作為基因產(chǎn)物的蛋白質(zhì)最終是受基因控制的。11

4.1遺傳密碼---三聯(lián)子124.1.1

三聯(lián)子密碼及其破譯

遺傳密碼的破譯，即確定代表每種氨基酸的具體密碼。蛋白質(zhì)中的氨基酸序列是由mRNA中的核苷酸序列決定的，所以，要知道它們之間的關(guān)系就要弄清核苷酸和氨基酸數(shù)目的對(duì)應(yīng)關(guān)系。mRNA中只有4種核苷酸，而蛋白質(zhì)中有20種氨基酸。13

遺傳學(xué)證明：(1)T4噬菌體吖啶類試劑移碼突變(2)煙草壞死衛(wèi)星病毒，400氨基酸=1200核苷酸Crick等人發(fā)現(xiàn)T4噬菌體rII位點(diǎn)上兩個(gè)基因的正確表達(dá)與它能否侵染大腸桿菌有關(guān)，用吖啶類試劑（誘導(dǎo)核苷酸插入或從DNA鏈上丟失）處理使T4噬菌體DNA發(fā)生移碼突變（frameshiftmutation），噬菌體就喪失感染能力。若在模板mRNA中插入或刪除一個(gè)堿基，會(huì)改變?cè)撁艽a子以后的全部氨基酸序列。若同時(shí)對(duì)模板進(jìn)行插入和刪除試驗(yàn)，保證后續(xù)密碼子序列不變，翻譯得到的蛋白質(zhì)序列就保持不變（除了發(fā)生突變的那個(gè)密碼子所代表的氨基酸之外）。

用核苷酸的插入或刪除實(shí)驗(yàn)證明mRNA模板上每三個(gè)核苷酸組成一個(gè)密碼子

生化技術(shù)證明：體外蛋白合成體系的建立和人工合成核酸技術(shù)（多核苷酸磷酸化酶）為基礎(chǔ)：（1）以均聚物、隨機(jī)共聚物和特定序列的共聚物為模板指導(dǎo)多肽鏈的合成（2）核糖體結(jié)合技術(shù)184.1.1.1.以均聚物、隨機(jī)共聚物和特定序列的共聚物為模板指導(dǎo)多肽鏈的合成制備大腸桿菌的無(wú)細(xì)胞合成體系在含DNA、mRNA、tRNA、核糖體、AA-tRNA合成酶及其他酶類的抽提物中加入DNase，降解體系中的DNA，耗盡mRNA時(shí)，體系中的蛋白質(zhì)合成即停止，當(dāng)補(bǔ)充外源mRNA或人工合成的各種均聚物或共聚物作為模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分時(shí)又能合成新的肽鏈，新生肽鏈的氨基酸順序由外加的模板所決定。分析比較加入的模板和合成的肽鏈即可推知編碼某些氨基酸的密碼。19

MarshallNirenberg(1961)InvitroPoly(U)poly(Phe)peptidePoly(C)poly(Pro)peptidePoly(A)poly(Lys)peptidePoly(G)poly(Gly)peptideButpoly(UCUCUC…)poly(Ser-Leu-Ser-Leu…)

UCU/CUCSer/Leu?20

無(wú)細(xì)胞體系中Mg2+濃度很高，人工合成的多聚核苷酸不需要起始密碼子就能指導(dǎo)多肽的生物合成，讀碼起始是隨機(jī)的。然而，在生理Mg2+條件下，沒(méi)有起始密碼子的多核苷酸不能被用作多肽合成的模板。21

以多聚三核苷酸作為模板可得到有3種氨基酸組成的多肽。如以多聚（UUC）為模板，可能有3種起讀方式：

5‘……UUCUUCUUCUUCUUC……3’

或5‘……UCUUCUUCUUCUUCU……3’

或5‘……CUUCUUCUUCUUCUU……3‘根據(jù)讀碼起點(diǎn)不同，產(chǎn)生的密碼子可能是UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu），所以得到的多肽可能是多聚苯丙氨酸、多聚絲氨酸或多聚亮氨酸。

22

以多聚三核苷酸為模板時(shí)也可能只合成2種均聚多肽，以多聚（GUA）為例：

5‘……GUAGUAGUAGUAGUA……3’

或5‘……UAGUAGUAGUAGUAG……3’

或5‘……AGUAGUAGUAGUAGU……3’

由第二種讀碼方式產(chǎn)生的密碼子UAG是終止密碼，不編碼任何氨基酸，因此，只產(chǎn)生2種密碼子GUA（Val）或AGU（Ser），所以合成的多肽要么是多聚纈氨酸，要么是多聚絲氨酸。

23

4.1.1.2.核糖體結(jié)合技術(shù)1964年Nirenberg又采用三聯(lián)體結(jié)合實(shí)驗(yàn)(1)tRNA和氨基酸及三聯(lián)體的結(jié)合是特異的；(2)上述結(jié)合的復(fù)合體大分子是不能通過(guò)硝酸纖維濾膜的微孔，而tRNA-氨基酸的復(fù)合體是可以通過(guò)的。24這個(gè)方法是以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等為模板，在含核糖體、AA-tRNA的適當(dāng)離子強(qiáng)度的反應(yīng)液中保溫，然后使反應(yīng)液通過(guò)硝酸纖維素濾膜。發(fā)現(xiàn)，游離的AA-tRNA因相對(duì)分子質(zhì)量小能自由通過(guò)濾膜，加入三核苷酸模板可以促使其對(duì)應(yīng)的AA-tRNA結(jié)合到核糖體上，體積超過(guò)膜上的微孔而被滯留，這樣就能把已結(jié)合到核糖體上的AA-tRNA與未結(jié)合的AA-tRNA分開(kāi)。25

若用20種AA-tRNA做20組同樣的實(shí)驗(yàn)，每組都含20種AA-tRNA和各種三核苷酸，但只有一種氨基酸用14C標(biāo)記，看哪一種AA-tRNA被留在濾膜上，進(jìn)一步分析這一組的模板是哪個(gè)三核苷酸，從模板三核苷酸與氨基酸的關(guān)系可測(cè)知該氨基酸的密碼子。例如，模板是UUU時(shí)，Phe-tRNA結(jié)合于核糖體上，可知UUU是Phe的密碼子。264.1.2遺傳密碼的性質(zhì)codon的特征codon是mRNA上連續(xù)排列的三個(gè)核苷酸序列，并編碼一個(gè)氨基酸信息的遺傳單位codon具有生物系統(tǒng)的通用性與保守性在一個(gè)基因序列中codon具有不重疊性和無(wú)標(biāo)點(diǎn)性274.1.2.1.密碼的簡(jiǎn)并性

按照1個(gè)密碼子由3個(gè)核苷酸組成的原則，4種核苷酸可組成64個(gè)密碼子，現(xiàn)在已經(jīng)知道其中61個(gè)是編碼氨基酸的密碼子，另外3個(gè)即UAA、UGA和UAG并不代表任何氨基酸，它們是終止密碼子，不能與tRNA的反密碼子配對(duì)，但能被終止因子或釋放因子識(shí)別，終止肽鏈的合成。28

29

氨基酸密碼子個(gè)數(shù)氨基酸密碼子個(gè)數(shù)丙氨酸4亮氨酸6精氨酸6賴氨酸2天門冬酰胺2甲硫氨酸1天門冬氨酸2苯丙氨酸2半胱氨酸2脯氨酸4谷氨酰胺2絲氨酸6谷氨酸2蘇氨酸4甘氨酸4色氨酸1組氨酸2酪氨酸2異亮氨酸3纈氨酸430

由一種以上密碼子編碼同一個(gè)氨基酸的現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并（degeneracy），對(duì)應(yīng)于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子（synonymouscodon）。AUG和GUG既是甲硫氨酸及纈氨酸的密碼子又是起始密碼子，這種雙重功能在生物學(xué)上的優(yōu)點(diǎn)尚不清楚。31

同義密碼子一般都不是隨機(jī)分布的，因?yàn)槠涞谝?、第二位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改變并不一定影響所編碼的氨基酸，這種安排減少了變異對(duì)生物的影響。一般說(shuō)來(lái)，編碼某一氨基酸的密碼子越多，該氨基酸在蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的頻率也越高。324.1.2.2.密碼的普遍性與特殊性

遺傳密碼無(wú)論在體內(nèi)還是體外，也無(wú)論是對(duì)病毒、細(xì)菌、動(dòng)物還是植物而言都是適用的，所以，密碼子具有普遍性。已經(jīng)查明，在支原體中，終止密碼子UGA被用來(lái)編碼色氨酸；在嗜熱四膜蟲(chóng)中，另一個(gè)終止密碼子UAA被用來(lái)編碼谷氨酰胺。密碼子具有特殊性。33

線粒體與核DNA密碼子使用情況的比較生物密碼子線粒體DNA編碼的氨基酸核DNA編碼的氨基酸所有UGA色氨酸終止子酵母CUA蘇氨酸亮氨酸果蠅AGA絲氨酸精氨酸哺乳類AGA/G終止子精氨酸哺乳類AUA甲硫氨酸異亮氨酸344.1.2.3.密碼子與反密碼子的相互作用在蛋白質(zhì)生物合成過(guò)程中，tRNA的反密碼子在核糖體內(nèi)是通過(guò)堿基的反向配對(duì)與mRNA上的密碼子相互作用的。tRNA中含有較多的修飾堿基。均會(huì)對(duì)密碼子和反密碼子產(chǎn)生影響。U和A基本不出現(xiàn)在反密碼子的第一位。即使出現(xiàn)U和A也會(huì)被修飾，如A變IG的修飾不會(huì)改變配對(duì)的性質(zhì)，但是會(huì)對(duì)U的結(jié)合更容易。351966年，Crick根據(jù)立體化學(xué)原理提出擺動(dòng)假說(shuō)（wobblehypothesis）

3’aa5’tRNAmRNAAnti-codonloopCodon–has3nucleotides5’3’36

擺動(dòng)假說(shuō)(wobblehypothesis)是由Crick（1966年）提出的。即當(dāng)tRNA的反密碼子與mRNA的密碼子配對(duì)時(shí)前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基互補(bǔ)配對(duì)法則，但第三對(duì)堿基有一定的自由度可以“擺動(dòng)”。擺動(dòng)假說(shuō)也稱為三中讀二（2outof3reading）。37

根據(jù)擺動(dòng)假說(shuō)，在密碼子與反密碼子的配對(duì)中，前兩對(duì)嚴(yán)格遵守堿基配對(duì)原則，第三對(duì)堿基有一定的自由度，可以“擺動(dòng)”，因而使某些tRNA可以識(shí)別1個(gè)以上的密碼子。一個(gè)tRNA究竟能識(shí)別多少個(gè)密碼子是由反密碼子的第一位堿基的性質(zhì)決定的。反密碼子第一位為A或C時(shí)只能識(shí)別1種密碼子，為G或U時(shí)可以識(shí)別2種密碼子，為I時(shí)可識(shí)別3種密碼子。如果有幾個(gè)密碼子同時(shí)編碼一個(gè)氨基酸，凡是第一、二位堿基不同的密碼子都對(duì)應(yīng)于各自獨(dú)立的tRNA。39tRNA上的反密碼子與mRNA上密碼子的配對(duì)與“擺動(dòng)”分析

1．反密碼子第一位是C或A時(shí)，只能識(shí)別一種密碼子。反密碼子（3'）X-Y-C（5'）（3'）X-Y-A（5'）密碼子（5'）Y-X-G（3'）（5'）Y-X-U（3'）2．反密碼子第一位是U或G時(shí)，可分別識(shí)別兩種密碼子。反密碼子（3'）X-Y-U

（5'）（3'）X-Y-G

（5'）密碼子（5'）Y-X-A/G（3'）（5'）Y-X-C/U（3'）3．反密碼子第一位是I時(shí)，可識(shí)別3種密碼子反密碼子（3'）X-Y-I

（5'）

密碼子（5'）Y-X-A/U/C（3'）

40遺傳密碼的特點(diǎn)：(1)遺傳密碼是三聯(lián)體密碼。(2)遺傳密碼具有連續(xù)性。(3)遺傳密碼是不重迭的。(4)遺傳密碼具有通用性。(5)遺傳密碼具有簡(jiǎn)并性(degeneracy)。(6)密碼子有起始密碼子和終止密碼子。(7)反密碼子中的“擺動(dòng)性”（wobble）。414.2tRNA的結(jié)構(gòu)、種類和功能42

tRNA在蛋白質(zhì)合成中處于關(guān)鍵地位，它不但為每個(gè)三聯(lián)密碼子翻譯成氨基酸提供了接合體，還為準(zhǔn)確無(wú)誤地將所需氨基酸運(yùn)送到核糖體上提供了運(yùn)送載體，所以，它又被稱為第二遺傳密碼。tRNA參與多種反應(yīng)，并與多種蛋白質(zhì)和核酸相互識(shí)別，這就決定了它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上存在大量的共性。43

是三葉草型的二維結(jié)構(gòu)各種tRNA均含有70~80個(gè)堿基，其中22個(gè)堿基是恒定的。具五臂四環(huán)結(jié)構(gòu)。1.受體臂（acceptorarm）主要由鏈兩端序列堿基配對(duì)形成的桿狀結(jié)構(gòu)和3’端末配對(duì)的3-4個(gè)堿基所組成，其3’端的最后3個(gè)堿基序列永遠(yuǎn)是CCA，最后一個(gè)堿基的3’或2’自由羥基（—OH）可以被氨?；?。此臂負(fù)責(zé)攜帶特異的氨基酸。2.TφC臂:是根據(jù)3個(gè)核苷酸命名的，其中φ表示擬尿嘧啶，是tRNA分子所擁有的不常見(jiàn)核苷酸。常由5bp的莖和3-11Nt和環(huán)組成。此臂負(fù)責(zé)和核糖體上的rRNA識(shí)別結(jié)合；

4.2.1tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu):44

3.反密碼子臂(anticodonarm):是根據(jù)位于套索中央的三聯(lián)反密碼子命名的。常由5bp的莖區(qū)和7Nt的環(huán)區(qū)組成，它負(fù)責(zé)對(duì)密碼子的識(shí)別與配對(duì)。4.D臂(Darm):是根據(jù)它含有二氫尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。莖區(qū)長(zhǎng)度常為4bp，也稱雙氫尿嘧啶環(huán)。負(fù)責(zé)和氨基酰tRNA聚合酶結(jié)合;5.額外環(huán)(extraarm)可變性大，從4Nt到21Nt不等，其功能是在tRNA的L型三維結(jié)構(gòu)中負(fù)責(zé)連接兩個(gè)區(qū)域（D環(huán)-反密碼子環(huán)和TψC-受體臂）。

tRNA二級(jí)結(jié)構(gòu):4546E.colitRNALeuMitochondriatRNALys根據(jù)可變環(huán),可將tRNA分為兩大類：第一類tRNA;第二類tRNAtRNA分子中最大的變化發(fā)生在位于TψC和反密碼子臂之間的多余臂（extraarm）上。根據(jù)多余臂的特性，又可以將tRNA分為兩大類：第一類tRNA占所有tRNA的75%，只含有一條僅為3～5個(gè)核苷酸的多余臂；第二類tRNA含有一條較大的多余臂，包括桿狀結(jié)構(gòu)上的5個(gè)核苷酸，套索結(jié)構(gòu)上的3～11個(gè)核苷酸。47

tRNA的稀有堿基含量非常豐富，約有70余種。每個(gè)tRNA分子至少含有2個(gè)稀有堿基，最多有19個(gè)，多數(shù)分布在非配對(duì)區(qū)。特別是在反密碼子3‘端鄰近部位出現(xiàn)的頻率最高，且大多為嘌呤核苷酸，這對(duì)于維持反密碼子環(huán)的穩(wěn)定性及密碼子、反密碼子之間的配對(duì)是很重要的。生

物tRNA基因總數(shù)人

類497線

蟲(chóng)584果

蠅284酵

母273大

腸

桿

菌86481.限制對(duì)密碼識(shí)讀的隨意性，以保證遺傳的穩(wěn)定;2.提高搖擺能力，防止突變效應(yīng)，以保證遺傳的穩(wěn)定3.anti-codon兩側(cè)堿基的修飾，以提高配對(duì)的穩(wěn)定性codon/anti-codon的穩(wěn)定性4.發(fā)生修飾的堿基對(duì)搖擺配對(duì)的堿基存在結(jié)合力的差異IU>C>AtRNA中anti-codon堿基修飾的意義494.2.3tRNA的L形三級(jí)結(jié)構(gòu)

酵母和大腸桿菌tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)都呈L形折疊式。這種結(jié)構(gòu)是靠氫鍵來(lái)維持的，tRNA的三級(jí)結(jié)構(gòu)與AA-tRNA合成酶的識(shí)別有關(guān)。受體臂和TφC臂的桿狀區(qū)域構(gòu)成了第一個(gè)雙螺旋，D臂和反密碼子臂的桿狀區(qū)域形成了第二個(gè)雙螺旋。5051

tRNA的三維結(jié)構(gòu)

52

“L”結(jié)構(gòu)域的功能2.---anti-codonarm位于”L”另一端，與結(jié)合在核糖體小亞基上的codonofmRNA配對(duì)3.---TΨCloop&DHUloop位于“L”兩臂的交界處，利于“L”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定4.---“L”結(jié)構(gòu)中堿基堆積力大，使其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定5.---wobblebase位于“L”結(jié)構(gòu)末端，堆積力小，自由度大，使堿基配對(duì)搖擺1.---aaacceptarm位于“L”的一端，契合于核糖體的肽基轉(zhuǎn)移酶結(jié)合位點(diǎn)PA,

以利肽鍵的形成53

tRNA高級(jí)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)為我們提供了研究其生物學(xué)功能的重要線索，因?yàn)閠RNA上所運(yùn)載的氨基酸必須靠近位于核糖體大亞基上的多肽合成位點(diǎn)，而tRNA上的反密碼子必須與小亞基上的mRNA相配對(duì)，所以分子中兩個(gè)不同的功能基團(tuán)是最大限度分離的。這個(gè)結(jié)構(gòu)形式很可能滿足了蛋白質(zhì)合成過(guò)程中對(duì)tRNA的各種要求而成為tRNA的通式，研究證實(shí)tRNA的性質(zhì)是由反密碼子而不是它所攜帶的氨基酸所決定的。544.2.3．tRNA的功能

轉(zhuǎn)錄過(guò)程是信息從一種核酸分子（DNA）轉(zhuǎn)移至另一種結(jié)構(gòu)上極為相似的核酸分子（RNA）的過(guò)程，信息轉(zhuǎn)移靠的是堿基配對(duì)。翻譯階段遺傳信息從mRNA分子轉(zhuǎn)移到結(jié)構(gòu)極不相同的蛋白質(zhì)分子，信息是以能被翻譯成單個(gè)氨基酸的三聯(lián)子密碼形式存在的，在這里起作用的是解碼機(jī)制。55

Molecularmechanismofthecode56574.2.4．tRNA的種類（1）起始tRNA和延伸tRNA（initiationtRNAand

elongationtRNA）（2）同工tRNA（cognatetRNA）

（3）校正tRNA

58（1）起始tRNA和延伸tRNA

能特異地識(shí)別mRNA模板上起始密碼子的tRNA叫initiation

tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為elongation

tRNA。原核生物起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸（fMet），真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸（Met）。59（2）同工tRNA（cognateTrna）

代表同一種氨基酸的tRNA稱為同工tRNA，同工tRNA既要有不同的反密碼子以識(shí)別該氨基酸的各種同義密碼，又要有某種結(jié)構(gòu)上的共同性，能被AA-tRNA合成酶識(shí)別。

60（3）校正tRNA正分為無(wú)義突變及錯(cuò)義突變校正tRNA

。在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因中，一個(gè)核苷酸的改變可能使代表某個(gè)氨基酸的密碼子變成終止密碼子（UAG、UGA、UAA），使蛋白質(zhì)合成提前終止，合成無(wú)功能的或無(wú)意義的多肽，這種突變就稱為無(wú)義突變。61

校正tRNA在進(jìn)行校正過(guò)程中必須與正常的tRNA競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合密碼子。都會(huì)影響校正的效率。校正效率不僅決定于反密碼子與密碼子的親和力，也決定于它在細(xì)胞中的濃度及競(jìng)爭(zhēng)中的其他參數(shù)。一般說(shuō)來(lái)，校正效率不會(huì)超過(guò)50%。62

無(wú)義突變的校正基因tRNA不僅能校正無(wú)義突變，也會(huì)抑制該基因3’末端正常的終止密碼子，導(dǎo)致翻譯過(guò)程的通讀。一個(gè)基因錯(cuò)義突變的矯正也可能使另一個(gè)基因錯(cuò)誤翻譯.634.2.5AA-tRNA合成酶

AA-tRNA合成酶是一類催化氨基酸與tRNA結(jié)合的特異性酶，其反應(yīng)式如下：它實(shí)際上包括兩步反應(yīng)：第一步是氨基酸和ATP生成腺苷酸化氨基酰，釋放焦磷酸。

AA+ATP+酶（E）→E-AA-AMP+PPi

第二步是氨基酰轉(zhuǎn)移到tRNA3’末端腺苷殘基上，與其2’或3’-羥基結(jié)合。E-AA-AMP+tRNA→AA-tRNA+E+AMP64

蛋白質(zhì)合成的真實(shí)性主要決定于tRNA能否把正確的氨基酸放到新生多肽鏈的正確位置上，而這一步主要決定于AA-tRNA合成酶是否能使氨基酸與對(duì)應(yīng)的tRNA相結(jié)合。AA-tRNA合成酶既要能識(shí)別tRNA，又要能識(shí)別氨基酸，它對(duì)兩者都具有高度的專一性。不同的tRNA有不同的堿基組成和空間結(jié)構(gòu)，易被酶所識(shí)別，比較困難的是這些酶要能識(shí)別結(jié)構(gòu)上非常相似的氨基酸。65

4.3thestructureandfunctionofribosome66“Large”50Ssubunit“Small”30SsubunittRNA核糖體是一個(gè)致密的核糖核蛋白顆粒，可解離為兩個(gè)亞基，每個(gè)亞基都含有一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量較大的rRNA和許多不同的蛋白質(zhì)分子。

核糖體像一個(gè)能沿mRNA模板移動(dòng)的工廠，執(zhí)行著蛋白質(zhì)合成的功能。它是由幾十種蛋白質(zhì)和幾種核糖體RNA（ribosomalRNA，rRNA）組成的亞細(xì)胞顆粒。一個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)約有20000個(gè)核糖體，而真核細(xì)胞內(nèi)可達(dá)106個(gè)，在未成熟的蟾蜍卵細(xì)胞內(nèi)則高達(dá)1012。核糖體和它的輔助因子為蛋白質(zhì)合成提供了必要條件。在生物細(xì)胞中，核糖體數(shù)量非常大。結(jié)合在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體。左，電鏡下看到的胰腺細(xì)胞粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；右，局部放大后的草圖。69原核生物核糖體由約2/3的RNA及1/3的蛋白質(zhì)組成。真核生物核糖體中RNA占3/5，蛋白質(zhì)占2/5。原核生物、真核生物細(xì)胞質(zhì)及細(xì)胞器中的核糖體存在著很大差異。

核糖體rRNA結(jié)構(gòu)1．5SrRNA細(xì)菌5SrRNA含有120個(gè)核苷酸（革蘭氏陰性菌）或116個(gè)核苷酸（革蘭氏陽(yáng)性菌）。5SrRNA有兩個(gè)高度保守的區(qū)域，其中一個(gè)區(qū)域含有保守序列CGAAC，這是與tRNA分子TψC環(huán)上的GTψCG序列相互作用的部位，是5SrRNA與tRNA相互識(shí)別的序列。另一個(gè)區(qū)域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，與23SrRNA的中一段序列互補(bǔ)，可能是5SrRNA與50S核糖體大亞基相互作用的位點(diǎn)。2．16SrRNA長(zhǎng)約1475～1544個(gè)核苷酸之間，含有少量修飾堿基，位于30S小亞基內(nèi)。16SrRNA的結(jié)構(gòu)十分保守，其中3‘端一段ACCUCCUUA的保守序列，與mRNA5’端翻譯起始區(qū)中的SD序列互補(bǔ)。16SrRNA靠近3'端處還有一段與23SrRNA互補(bǔ)的序列，在30S與50S亞基的結(jié)合中起作用。3．23SrRNA23SrRNA基因有2904個(gè)核苷酸，第1984～2001核苷酸之間存在能與tRNAMet序列互補(bǔ)的片段，表明核糖體大亞基23SrRNA可能與tRNAMet的結(jié)合有關(guān)。第143～157位核苷酸之間有一段12個(gè)核苷酸的序列與5SrRNA上第72～83位核苷酸互補(bǔ)，表明在50S大亞基上這兩種RNA之間可能存在相互作用。原核與真核細(xì)胞核糖體大小亞基比較。75763.核糖體的功能

核糖體包括多個(gè)活性中心，（1）mRNA結(jié)合部位（2）結(jié)合或接受AA-tRNA部位（3）結(jié)合或接受肽基tRNA的部位（4）肽基轉(zhuǎn)移部位及形成肽鍵的部位（轉(zhuǎn)肽酶中心）（5）還有負(fù)責(zé)肽鏈延伸的各種延伸因子的結(jié)合位點(diǎn)

77

小亞基上擁有mRNA結(jié)合位點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)序列特異的識(shí)別過(guò)程，如起始位點(diǎn)的識(shí)別和密碼子與反密碼子的相互作用。大亞基負(fù)責(zé)氨基酸及tRNA攜帶的功能，如肽鍵的形成、AA-tRNA、肽基-tRNA的結(jié)合等。A位、P位、轉(zhuǎn)肽酶中心等主要在大亞基上。7879

80

81

4.4蛋白質(zhì)生物合成的生物學(xué)機(jī)制

82

已證明核酸是生命體內(nèi)最基本的物質(zhì)，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的合成和結(jié)構(gòu)最終都取決于核酸，但蛋白質(zhì)仍是生物活性物質(zhì)中最重要的大分子組分，生物有機(jī)體的遺傳學(xué)特性仍然要通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)得到表達(dá)。蛋白質(zhì)的生物合成包括氨基酸活化、肽鏈的起始、延伸、終止以及新合成多肽鏈的折疊和加工。83

4.4.1氨基酸的活化蛋白質(zhì)的生物合成是以氨基酸作為基本建筑材料的，且只有與tRNA相結(jié)合的氨基酸才能被準(zhǔn)確地運(yùn)送到核糖體中，參與多肽鏈的起始或延伸。氨基酸必須在氨基酰-tRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸——AA-tRNA。Reaction1:Theaminoacyl-tRNAsynthetasecouplesanaminoacidtoAMP,derivedfromATP,toformanaminoacyl-AMP,withpyrophosphate(P-P)asaby-product.Reaction2:ThesynthetasereplacestheAMPintheaminoacyl-AMPwithtRNA,toformanaminoacyl-tRNA,withAMPasaby-product.Theaminoacidisjoinedtothe3'-hydroxylgroupoftheterminaladenosineofthetRNA.85

研究發(fā)現(xiàn)，至少存在20種以上具有氨基酸專一性的氨基酰-tRNA合成酶，能夠識(shí)別并通過(guò)氨基酸的羧基與tRNA3‘端腺苷酸核糖基上2或’3’—OH縮水形成二酯鍵。

同一氨基酰-tRNA合成酶具有把相同氨基酸加到兩個(gè)或更多個(gè)帶有不同反密碼子tRNA分子上的功能。86

在細(xì)菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸，所以，與核糖體小亞基相結(jié)合的是N-甲酰甲硫氨酰-tRNAfMet，它由以下兩步反應(yīng)合Met+tRNAfMet+ATP→Met-tRNAfMet+AMP+PPi由甲?；D(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移一個(gè)甲?；組et的氨基上N10-甲酰四氫葉酸+Met-tRNAfMet→四氫葉+fMet-tRNAfMet87

真核生物中，任何一個(gè)多肽合成都是從生成甲硫氨酰-tRNAiMet開(kāi)始的，因?yàn)榧琢虬彼岬奶厥庑?，所以體內(nèi)存在兩種tRNAMet。只有甲硫氨酰-tRNAiMet才能與40S小亞基相結(jié)合，起始肽鏈合成，普通tRNAMet中攜帶的甲硫氨酸只能被摻入正在延伸的肽鏈中。88

4.4.2翻譯的起始

蛋白質(zhì)合成的起始需要核糖體大、小亞基，起始tRNA和幾十個(gè)蛋白因子的參與，在模板mRNA編碼區(qū)5’端形成核糖體-mRNA-起始tRNA復(fù)合物并將甲酰甲硫氨酸放入核糖體P位點(diǎn)。9091原核生物的啟始因子名稱分子量功能IF-19.5kd加強(qiáng)IF-2，IF-3的酶活I(lǐng)F-295kd-117kd促使fMet-tRNAfmet

選擇性的結(jié)合在30S亞基上,有助于30S復(fù)合物與50s亞基的連接。IF-320kd促使30S亞基結(jié)合于mRNA起始部位具有解離30S與50S亞基的活性

原核生物翻譯起始可被分成三步：30S小亞基首先與翻譯起始因子IF-1，IF-3結(jié)合，再在SD序列的幫助下與mRNA模板結(jié)合。在IF-2和GTP的幫助下，fMet-tRNAfMet進(jìn)入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對(duì)。帶有tRNA，mRNA，三個(gè)翻譯起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合，GTP水解，釋放翻譯起始因子。

1.Dissociationofthe70Sribosomeinto50Sand30Ssubunits,undertheinfluenceofRRFandEF-G.2.BindingofIF3tothe30Ssubunit,whichpreventsreassociationbetweentheribosomalsubunits.3.BindingofIF1andIF2–GTPalongsideIF3.Thisstepprobablyoccurssimultaneouslywithstep2.4.BindingofmRNAandfMet-tRNAfMettoformthe30Sinitiationcomplex.Thesetwocomponentscanapparentlybindineitherorder,butIF2sponsorsfMet-tRNAfMetbinding,andIF3sponsorsmRNAbinding.Ineachcase,theotherinitiationfactorsalsohelp.5.Bindingofthe50Ssubunit,withlossofIF1andIF3.6.DissociationofIF2fromthecomplex,withsimultaneoushydrolysisofGTP.Theproductisthe70Sinitiationcomplex,readytobeginelongation.細(xì)菌核糖體上一般存在三個(gè)與氨基酰-tRNA結(jié)合的位點(diǎn)，即A位點(diǎn)（aminoacylsite），P位（peptidylsite）和E位點(diǎn)（Exitsite）。只有fMet-tRNAfMet能與第一個(gè)P位點(diǎn)相結(jié)合，其它所有tRNA都必須通過(guò)A位點(diǎn)到達(dá)P位點(diǎn)，再由E位點(diǎn)離開(kāi)核糖體。Initiationcodon

30S亞基具有專一性的識(shí)別和選擇mRNA起始位點(diǎn)的性質(zhì)，而IF3能協(xié)助該亞基完成這種選擇。研究發(fā)現(xiàn)，30S亞基通過(guò)其16SrRNA的3’末端與mRNA5’端起始密碼子上游堿基配對(duì)結(jié)合。各種mRNA的核糖體結(jié)合位點(diǎn)中能與16SrRNA配對(duì)的核苷酸數(shù)目及這些核苷酸到起始密碼子之間的距離是不一樣的，反映了起始信號(hào)的不均一性。一般說(shuō)來(lái)，相互補(bǔ)的核苷酸越多，30S亞基與mRNA起始位點(diǎn)結(jié)合的效率也越高?；パa(bǔ)的核苷酸與AUG之間的距離也會(huì)影響mRNA-核糖體復(fù)合物的形成及其穩(wěn)定性。

真核生物蛋白質(zhì)生物合成的起始機(jī)制與原核生物基本相同，其差異主要是核糖體較大，有較多的起始因子參與，其mRNA具有m7GpppNp帽子結(jié)構(gòu)，Met-tRNAMet不甲?；琺RNA分子5'端的“帽子”和3'端的多聚A都參與形成翻譯起始復(fù)合物。

真核生物翻譯起始eIF23種亞基形成3元起始復(fù)合體（eIF2,GTP,tRNA)

eIF2-A65kd促使Met-tRNAmet與40S亞基結(jié)合ieIF115kd促使mRNA與40S亞基結(jié)合eIF3＞500kd促使mRNA與40S亞基結(jié)合eIF4b80kd促使mRNA與40S亞基結(jié)合eIF4a50kd促使與mRNA,GTP結(jié)合eIF4C19kd促使兩亞基結(jié)合

eIF5150kd釋放eIF2,eIF3

eIF4e(eIF4f的亞基)與5‘端帽子結(jié)合真核生物的起始因子有實(shí)驗(yàn)說(shuō)明帽子結(jié)構(gòu)能促進(jìn)起始反應(yīng)，因?yàn)楹颂求w上有專一位點(diǎn)或因子識(shí)別mRNA的帽子，使mRNA與核糖體結(jié)合。帽子在mRNA與40S亞基結(jié)合過(guò)程中還起穩(wěn)定作用。實(shí)驗(yàn)表明，帶帽子的mRNA5'端與18SrRNA的3'端序列之間存在不同于SD序列的堿基配對(duì)型相互作用。

除了帽子結(jié)構(gòu)以外，40S小亞基還能識(shí)別mRNA上的起始密碼子AUG。Kozak等提出了一個(gè)“掃描模型”來(lái)解釋40S亞基對(duì)mRNA起始密碼子的識(shí)別作用。40S小亞基先結(jié)合在mRNA5’端的任何序列上，然后沿mRNA移動(dòng)直至遇到AUG發(fā)生較為穩(wěn)定的相互作用，最后與60S亞基一道生成80S起始復(fù)合物。40S小亞基之所以能在AUG處停下，可能是由于Met-tRNAiMet的反密碼子與AUG配對(duì)的結(jié)果。掃描模型真核生物翻譯的起始(a)TheeIF3factorconvertsthe40Sribosomalsubunitto40SN,whichresistsassociationwiththe60Sribosomalparticleandisreadytoaccepttheinitiatoraminoacyl-tRNA.(b)WiththehelpofeIF2,Met-tRNAiMetbindstothe40SNparticle,formingthe43Scomplex.(c)AidedbyeIF4FthemRNAbindstothe43Scomplex,formingthe48Scomplex.(d)TheeIF1and1Afactorspromotescanningtotheinitiationcodon.(e)TheeIF5factorpromoteshydrolysisofeIF2-boundGTP,whichisapreconditionforribosomalsubunitjoining.eIF5Bhasaribosome-dependentGTPaseactivitythathelpsthe60Sribosomalparticlebindtothe48Scomplex,yieldingthe80ScomplexthatisreadytobegintranslatingthemRNA.1044.4.3肽鏈的延伸翻譯起始后，核糖體沿mRNA鏈由5'端朝3'端移動(dòng)。從起始密碼子處開(kāi)始，核糖體利用具有與當(dāng)前正在翻譯的密碼子相對(duì)應(yīng)的反密碼子的氨酰-tRNA攜帶的氨基酸合成肽鏈。核糖體每翻譯一個(gè)三聯(lián)體密碼子就為延伸中的肽鏈的C端添加一分子氨基酸，其自身也同時(shí)順著mRNA單股移動(dòng)一段距離。肽鏈延伸階段是一個(gè)不斷循環(huán)進(jìn)行的過(guò)程（直至核糖體到達(dá)終止密碼子處）。該階段可再細(xì)分為進(jìn)位、成肽和移位三個(gè)步驟105

4.4.3.1．進(jìn)位（后續(xù)AA-tRNA與核糖體結(jié)合）

原核翻譯中

起始復(fù)合物形成以后，第二個(gè)AA-tRNA在延伸因子EF-Tu及GTP的作用下，生成AA-tRNA·EF-Tu·GTP復(fù)合物，然后結(jié)合到核糖體的A位上。這時(shí)GTP被水解釋放，通過(guò)延伸因子EF-Ts再生GTP，形成EF-Tu·GTP復(fù)合物，進(jìn)入新一輪循環(huán)。

真核翻譯中，氨基酰-tRNA由eEF-1以復(fù)合成氨基酰-tRNA·eEF-1·GTP三元復(fù)合物的形式帶入核糖體的A位。GTP水解后，eEF-1·GDP離開(kāi)核糖體。在真菌細(xì)胞中，延伸步驟還需要第三種真核延伸因子（eEF-3）參加，其作用是維持翻譯的準(zhǔn)確性106107模板上的密碼子決定了哪種AA-tRNA能被結(jié)合到A位上。由于EF-Tu只能與fMet-tRNA以外的其他AA-tRNA起反應(yīng)，所以起始tRNA不會(huì)被結(jié)合到A位上，這就是mRNA內(nèi)部的AUG不會(huì)被起始tRNA讀出，肽鏈中間不會(huì)出現(xiàn)甲酰甲硫氨酸的原因。108

4.4.3.2．肽鍵的生成經(jīng)過(guò)上一步反應(yīng)后，在核糖體·mRNA·AA-tRNA復(fù)合物中，AA-tRNA占據(jù)A位，fMet-tRNAfMet占據(jù)P位。在肽基轉(zhuǎn)移酶（peptidyltransferase）的催化下，A位上的AA-tRNA轉(zhuǎn)移到P位，與fMet-tRNAfMet上的氨基酸生成肽鍵。起始tRNA在完成使命后離開(kāi)核糖體P位點(diǎn)，A位點(diǎn)準(zhǔn)備接受新的AA-tRNA，開(kāi)始下一輪合成反應(yīng)1094.4.3.3．移位肽鍵延伸過(guò)程中最后一步反應(yīng)是移位，即核糖體向mRNA3’端方向移動(dòng)一個(gè)密碼子。此時(shí)，仍與第二個(gè)密碼子相結(jié)合的二肽基tRNA2從A位進(jìn)入P位，去氨基酰-tRNA被擠入E位，mRNA上的第三位密碼子則對(duì)應(yīng)于A位。EF-G是移位所必須的蛋白質(zhì)因子，移位的能量來(lái)自另一分子GTP水解。110肽鏈延伸是由許多個(gè)這樣的反應(yīng)組成的，原核生物中每次反應(yīng)共需3個(gè)延伸因子，EF-Tu、EF-Ts及EF-G，真核生物細(xì)胞需EF-1及EF-2，消耗2個(gè)GTP，向生長(zhǎng)中的肽鏈加上一個(gè)氨基酸。4.4.4肽鏈的終止肽鏈的延伸過(guò)程中，當(dāng)終止密碼子UAA、UAG或UGA出現(xiàn)在核糖體的A位時(shí)，沒(méi)有相應(yīng)的AA-tRNA能與之結(jié)合，而釋放因子能識(shí)別這些密碼子并與之結(jié)合，水解P位上多肽鏈與tRNA之間的二酯鍵。接著，新生的肽鏈和tRNA從核糖體上釋放，核糖體大、小亞基解體，蛋白質(zhì)合成結(jié)束。釋放因子RF具有GTP酶活性，它催化GTP水解，使肽鏈與核糖體解離。

細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)存在三種不同的終止因子（或稱釋放因子，RF1，RF2，RF3），RF1能識(shí)別UAG和UAA，RF2識(shí)別UGA和UAA。一旦RF與終止密碼相結(jié)合，它們就能誘導(dǎo)肽基轉(zhuǎn)移酶把一個(gè)水分子而不是氨基酸加到延伸中的肽鏈上。RF3可能與核糖體的解體有關(guān)。真核細(xì)胞只有eRF-1和eRF-2終止因子。115真核生物中特殊的多聚核糖體現(xiàn)象4.4.5原核生物的多順?lè)醋觤RNA的翻譯原核生物的mRNA大部分為多順?lè)醋印Ｔ诟鱾€(gè)順?lè)醋蛹椿蛑g,常有一段非編碼的間隔區(qū)(spacer)。不同的間隔區(qū)長(zhǎng)度變化很大,可以從100個(gè)堿基左右直到1個(gè)堿基,甚至有前一個(gè)基因的終止密碼子與后一個(gè)基因的起始密碼子相互重疊甚至編碼序列相互重疊的現(xiàn)象。117

如果基因間的間隔序列較長(zhǎng),則核糖體在第一個(gè)基因的終止密碼子發(fā)生解離,并脫離了mRNA。因此第二個(gè)基因產(chǎn)物合成的起始是獨(dú)立的,同樣需要全部的起始過(guò)程118

119

如果基因間間隔序列的長(zhǎng)度只相當(dāng)于正常的S-D序列到起始密碼子的距離并具有S-D序列特征,則核糖體大小亞基分離后,小亞基并不離開(kāi)mRNA,大亞基暫時(shí)離開(kāi),但又會(huì)很快地結(jié)合上來(lái)。120

121

如果前一基因的終止密碼子與后一基因的起始密碼子部分重疊，則核糖體兩個(gè)亞基可能都不離開(kāi)mRNA而接下去翻譯第二個(gè)基因產(chǎn)物。因而在原核生物的多順?lè)醋觤RNA中，各基因產(chǎn)物的數(shù)量并不一定都相等，特別是基因間間隔序列較長(zhǎng)的情況下更是如此。這時(shí)候，各基因S-D序列則起關(guān)鍵作用。1224.4.6真核生物核糖體形成位點(diǎn)與雙功能mRNA

真核生物的18SrRNA與原核生物的16SrRNA在其3'末端有很大的同源性。由于18SrRNA缺少CCUCC序列(與mRNA上的S-D序列互補(bǔ)),因此真核生物mRNA可能并不存在S-D序列。根據(jù)Kozak等人的研究,大多數(shù)起始密碼子AUG的合適的"上下文"為CCACCAUGG。123

在帽子結(jié)構(gòu)上形成的40S亞基起始復(fù)合物向3’方向移動(dòng)時(shí)，如發(fā)現(xiàn)AUG密碼子處于這樣的“上下文”中，就不再向前移動(dòng)，而是與60S亞基結(jié)合成為完整的核糖體，于是從AUG上開(kāi)始合成蛋白質(zhì)。如果這個(gè)AUG的上下文不大合適，有時(shí)40S亞基起始復(fù)合物就會(huì)繼續(xù)向前移動(dòng)，在碰到下一個(gè)位于較合適的上下文中的AUG時(shí)停下來(lái)而形成80S亞基核糖體，并從這個(gè)AUG上開(kāi)始合成蛋白質(zhì)。124

這樣，就有可能從兩個(gè)AUG上合成兩個(gè)蛋白質(zhì)。如果兩個(gè)AUG屬于同一閱讀框，則形成兩個(gè)長(zhǎng)短不同的蛋白質(zhì)；如果兩個(gè)AUG處于不同的閱讀框中，則合成兩個(gè)序列完全不同的蛋白質(zhì)。這樣，一條mRNA可以合成兩種蛋白質(zhì)，因此稱為雙功能mRNA。125

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)許多病毒都具有雙功能mRNA,并已分離到這樣的蛋白質(zhì)。SV40的衣殼蛋白VP2和VP3就是一個(gè)典型的例子。然而，在絕大多數(shù)的真核生物基因的表達(dá)過(guò)程中，總是識(shí)別第一個(gè)AUG。1264.4.5蛋白質(zhì)前體的加工

新生的多肽鏈大多數(shù)是沒(méi)有功能的，必須經(jīng)過(guò)加工修飾才能轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘牡鞍踪|(zhì)。1274.4.5.1．N端fMet或Met的切除

細(xì)菌蛋白質(zhì)氨基端的甲?；鼙幻摷柞；杆?，不管是原核生物還是真核生物，N端的甲硫氨酸往往在多肽鏈合成完畢之前就被切除。50%的真核蛋白中，成熟蛋白N端殘基會(huì)被N-乙基化。1284.4.5.2．二硫鍵的形成

mRNA中沒(méi)有胱氨酸的密碼子，而不少蛋白質(zhì)都含有二硫鍵，這是蛋白質(zhì)合成后通過(guò)兩個(gè)半胱氨酸的氧化作用生成的。1294.4.5.3．特定氨基酸的修飾氨基酸側(cè)鏈的修飾作用包括：（1）磷酸化（如核糖體蛋白質(zhì)）（2）糖基化（如各種糖蛋白）（3）甲基化（如組蛋白、肌肉蛋白質(zhì)）（4）乙基化（如組蛋白）（5）羥基化（如膠原蛋白）（6）羧基化1304.4.5.4．切除新生肽鏈中非功能片段

新合成的胰島素前體是前胰島素原，必須先切去信號(hào)肽變成胰島素原，再切去C-肽，才變成有活性的胰島素。有些動(dòng)物病毒如脊髓灰質(zhì)炎病毒的mRNA可翻譯成很長(zhǎng)的多肽鏈，含多種病毒蛋白，經(jīng)蛋白酶在特定位置上水解后得到幾個(gè)有功能的蛋白質(zhì)分子。不少多肽類激素和酶的前體也要經(jīng)過(guò)加工才能變?yōu)榛钚苑肿?，如血纖維蛋白原、胰蛋白酶原經(jīng)過(guò)加工切去部分肽段才能成為有活性的血纖維蛋白、胰蛋白酶。131132

這也不同于胰島素，胰島素的A肽和B肽本身是不相連接的，僅僅通過(guò)二硫鍵將兩個(gè)片段連在一起。1334.4.6蛋白質(zhì)的折疊新生肽鏈?zhǔn)侵竸倧暮颂求w上合成出來(lái)的多肽鏈。目前已經(jīng)知道,新生肽鏈必須經(jīng)過(guò)一系列加工,等化學(xué)修飾;肽鏈的折疊、去折疊;運(yùn)輸?shù)剿l(fā)揮生物功能的場(chǎng)所,可能涉及到多次越膜過(guò)程;亞基的組裝;水解除去前體分子中的Pro和Pre序列而活化等等,最終才形成確定的由一級(jí)結(jié)構(gòu)決定的三維結(jié)構(gòu),并獲得特有的生物活性,成熟成為功能蛋白分子。134

結(jié)構(gòu)決定功能，僅僅知道基因組序列并不能使我們充分了解蛋白質(zhì)的功能，更無(wú)法知道它是如何工作的。蛋白質(zhì)可憑借相互作用在細(xì)胞環(huán)境(特定的酸堿度、溫度等)下自己組裝自己，這種自我組裝的過(guò)程被稱為蛋白質(zhì)折疊。

1354.4.6.2分子伴侶

一類在序列上沒(méi)有相關(guān)性但有共同功能的蛋白質(zhì)，它們?cè)诩?xì)胞內(nèi)幫助其他含多肽的結(jié)構(gòu)完成正確的組裝，而且在組裝完畢后與之分離，不構(gòu)成這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)執(zhí)行功能時(shí)的組份。

1.熱休克蛋白（heatshockprotein，hsp）家族2.伴侶素（chaperonin,Cpn）家族在新生肽鏈折疊中，主要是通過(guò)防止或消除肽鏈的錯(cuò)誤折疊，增加功能性蛋白折疊產(chǎn)率，并非加快折疊反應(yīng)的速度。本身并不參與最終產(chǎn)物的形成。137

分子伴侶不僅與胞內(nèi)蛋白的折疊與組裝密切相關(guān)，影響到蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、定位或分泌；而且與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的信號(hào)分子的活性狀態(tài)與活性行為相關(guān)連，具有重要的生理意義。

138

早在1988年,我國(guó)著名生物學(xué)家鄒承魯就明確指出,變性蛋白的重新折疊不能作為新生肽鏈折疊的有效模型。他認(rèn)為新生肽鏈的折疊在合成早期業(yè)已開(kāi)始,而不是合成完成之后才開(kāi)始進(jìn)行;隨著肽鏈的延伸同時(shí)進(jìn)行折疊,又不斷進(jìn)行構(gòu)象的調(diào)整;先形成的結(jié)構(gòu)會(huì)作用于后合成的肽鏈的折疊,而后形成的結(jié)構(gòu)又會(huì)影響前面已經(jīng)形成的結(jié)構(gòu)的調(diào)整,因此在肽鏈延伸過(guò)程中形成的結(jié)構(gòu)往往不一定是最終功能蛋白中的結(jié)構(gòu)。這樣,新生肽鏈的合成、延伸、折疊、構(gòu)象調(diào)整,直到最終三維結(jié)構(gòu)的形成,是一個(gè)同時(shí)進(jìn)行著的、協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

4.4.7蛋白質(zhì)合成抑制劑

蛋白質(zhì)生物合成的抑制劑主要是一些抗生素，如嘌呤霉素、鏈霉素、四環(huán)素、氯霉素、紅霉素等，此外，如5-甲基色氨酸、環(huán)已亞胺、白喉毒素、蓖麻蛋白和其他核糖體滅活蛋白等都能抑制蛋白質(zhì)的合成。

抗生素對(duì)蛋白質(zhì)合成的作用可能是阻止mRNA與核糖體結(jié)合（氯霉素），或阻止AA-tRNA與核糖體結(jié)合（四環(huán)素類），或干擾AA-tRNA與核糖體結(jié)合而產(chǎn)生錯(cuò)讀（鏈霉素、新霉素、卡那霉素等），或作為競(jìng)爭(zhēng)性抑制劑抑制蛋白質(zhì)合成。鏈霉素是一種堿性三糖，能干擾fMet-tRNA與核糖體的結(jié)合，從而阻止蛋白質(zhì)合成的正確起始，也會(huì)導(dǎo)致mRNA的錯(cuò)讀。用抗鏈霉素細(xì)菌的50S亞基及對(duì)鏈霉素敏感細(xì)菌的30S亞基重組獲得的核糖體對(duì)鏈霉素是敏感的，而用敏感菌的50S亞基及抗性菌的30S亞基組成的核糖體對(duì)鏈霉素有抗性，表明鏈霉素的作用位點(diǎn)在30S亞基上。142嘌呤霉素是AA-tRNA的結(jié)構(gòu)類似物，能結(jié)合在核糖體的A位上，抑制AA-tRNA的進(jìn)入。

它所帶的氨基與AA-tRNA上的氨基一樣，能與生長(zhǎng)中的肽鏈上的羧基反應(yīng)生成肽鍵，這個(gè)反應(yīng)的產(chǎn)物是一條3‘羧基端掛了一個(gè)嘌呤霉素殘基的肽段，肽酰嘌呤霉素隨后從核糖體上解離出來(lái)，所以嘌呤霉素是通過(guò)提前釋放肽鏈來(lái)抑制蛋白質(zhì)合成的。143

此外，青霉素、四環(huán)素和紅霉素只與原核細(xì)胞核糖體發(fā)生作用，從而阻遏原核生物蛋白質(zhì)的合成，抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。氯霉素和嘌呤霉素既能與原核細(xì)胞核糖體結(jié)合，又能與真核生物核糖體結(jié)合，妨礙細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成，影響細(xì)胞生長(zhǎng)。1444.5蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制145

146

在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的合成位點(diǎn)與功能位點(diǎn)常常被一層或多層細(xì)胞膜所隔開(kāi)，這樣就產(chǎn)生了蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題。核糖體是真核生物細(xì)胞內(nèi)合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所，幾乎在任何時(shí)候，都有數(shù)以百計(jì)或千計(jì)的蛋白質(zhì)離開(kāi)核糖體并被輸送到細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核、線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和溶酶體、葉綠體等各個(gè)部分，補(bǔ)充和更新細(xì)胞功能。由于細(xì)胞各部分都有特定的蛋白質(zhì)組分，因此合成的蛋白質(zhì)必須準(zhǔn)確無(wú)誤地定向運(yùn)送才能保證生命活動(dòng)的正常進(jìn)行。一般說(shuō)來(lái)，蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)可分為兩大類：１．翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制：某些蛋白質(zhì)的合成和運(yùn)轉(zhuǎn)是同時(shí)發(fā)生的２．翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制：某些蛋白質(zhì)從核糖體上釋放后才發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)，則屬于翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制。

（1）分泌蛋白質(zhì)大多是以翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制運(yùn)輸?shù)?。?）在細(xì)胞器發(fā)育過(guò)程中，由細(xì)胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞器的蛋白質(zhì)大多是以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制運(yùn)輸?shù)摹＃?）而參與生物膜形成的蛋白質(zhì)，則依賴于上述兩種不同的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制鑲?cè)肽?nèi)。

蛋白性質(zhì)

運(yùn)

轉(zhuǎn)

機(jī)

制主

要

類

型分泌

蛋白質(zhì)在結(jié)合核糖體上合成，

并以翻譯運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制運(yùn)輸

免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等細(xì)胞器發(fā)育

蛋白質(zhì)在游離核糖體上合成，以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制運(yùn)輸

核、葉綠體、線粒體、乙醛酸循環(huán)體、

過(guò)氧化物酶體等細(xì)胞器中的蛋白質(zhì)膜的形成

兩種機(jī)制兼有質(zhì)膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、類囊體中的蛋白質(zhì)4.5.1

翻譯-運(yùn)轉(zhuǎn)同步機(jī)制一般認(rèn)為，蛋白質(zhì)定位的信息存在于該蛋白質(zhì)自身結(jié)構(gòu)中，并且通過(guò)與膜上特殊受體的相互作用得以表達(dá)，這就是信號(hào)肽假說(shuō)的基礎(chǔ)。這一假說(shuō)認(rèn)為，蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)信號(hào)也是由mRNA編碼的。在起始密碼子后，有一段編碼疏水性氨基酸序列的RNA區(qū)域，這個(gè)氨基酸序列就被稱為信號(hào)序列。信號(hào)序列在結(jié)合核糖體上合成后便與膜上特定受體相互作用，產(chǎn)生通道，允許這段多肽在延長(zhǎng)的同時(shí)穿過(guò)膜結(jié)構(gòu)，因此，這種方式是邊翻譯邊跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)。151

絕大部分被運(yùn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的蛋白質(zhì)都帶有一個(gè)信號(hào)肽，該序列常常位于蛋白質(zhì)的氨基末端，長(zhǎng)度一般在13-36個(gè)殘基之間，有如下三個(gè)特點(diǎn)：（1）一般帶有10-15個(gè)疏水氨基酸；（2）在靠近該序列N-端常常有1個(gè)或數(shù)個(gè)帶正電荷的氨基酸；（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位點(diǎn)處常常帶有數(shù)個(gè)極性氨基酸，離切割位點(diǎn)最近的那個(gè)氨基酸往往帶有很短的側(cè)鏈（丙氨酸或甘氨酸）。

根據(jù)信號(hào)肽假說(shuō)，同細(xì)胞質(zhì)中其他蛋白質(zhì)的合成一樣，分泌蛋白的生物合成開(kāi)始于結(jié)合核糖體，當(dāng)翻譯進(jìn)行到大約50～70個(gè)氨基酸殘基之后，信號(hào)肽開(kāi)始從核糖體的大亞基露出，被粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的受體識(shí)別，并與之相結(jié)合。信號(hào)肽過(guò)膜后被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的信號(hào)肽酶水解，正在合成的新生肽隨之通過(guò)蛋白孔道穿越疏水的雙層磷脂。一旦核糖體移到mRNA的“終止”密碼子，蛋白質(zhì)合成即告完成，翻譯體系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖體重新處于自由狀態(tài)。信號(hào)肽在蛋白輸送過(guò)程中如何起作用:①完整的信號(hào)多肽是保證蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。②僅有信號(hào)肽還不足以保證蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)生。③信號(hào)序列的切除并不是運(yùn)轉(zhuǎn)所必需的。④并非所有的運(yùn)轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)都有可降解的信號(hào)肽。信號(hào)肽”應(yīng)當(dāng)定義為：能啟動(dòng)蛋白質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)的任何一段多肽。研究新生肽向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，SRP（信號(hào)識(shí)別蛋白）和DP（?？康鞍?，又稱SRP受體蛋白）介導(dǎo)了蛋白質(zhì)的跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程。

SRP能同時(shí)識(shí)別正在合成需要通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的新生肽和結(jié)合核糖體，它與這類核糖體上新生蛋白的信號(hào)肽結(jié)合是多肽正確運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，但同時(shí)也導(dǎo)致了該多肽合成的暫時(shí)終止（此時(shí)新生肽一般長(zhǎng)約70個(gè)殘基左右）。SRP-信號(hào)肽-核糖體復(fù)合物即被引向內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜并與SRP的受體——DP相結(jié)合。只有當(dāng)SRP與DP相結(jié)合時(shí)，多肽合成才恢復(fù)進(jìn)行，信號(hào)肽部分通過(guò)膜上的核糖體受體及蛋白運(yùn)轉(zhuǎn)復(fù)合物跨膜進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔，新生肽鏈重新開(kāi)始延伸。蛋白跨膜以后，信號(hào)肽被水解，形成高級(jí)結(jié)構(gòu)和成熟型蛋白質(zhì)，并被運(yùn)送到相應(yīng)細(xì)胞器。SRP與DP的結(jié)合很可能導(dǎo)致受體聚集而形成膜孔道，使信號(hào)肽及與其相連的新生肽得以通過(guò)。此時(shí)，SRP與DP相分離并恢復(fù)游離狀態(tài)。待翻譯過(guò)程結(jié)束后，核糖體的大、小亞基解離，受體解聚，通道消失，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜也恢復(fù)完整的脂雙層結(jié)構(gòu)。進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔后，蛋白質(zhì)常以運(yùn)轉(zhuǎn)載體的形式被送入高爾基體或形成運(yùn)轉(zhuǎn)小泡，分別運(yùn)送到各自的亞細(xì)胞位點(diǎn)。157SRP=signalrecognitionparticle158膜蛋白和分泌蛋白的合成信號(hào)識(shí)別蛋白(SRP)結(jié)合信號(hào)序列SRP結(jié)合SRP受體核糖體識(shí)別核糖體受體多肽通過(guò)小孔進(jìn)入159GTP放能-->SRP釋放繼續(xù)翻譯；多肽穿過(guò)膜孔蛋白膜蛋白和分泌蛋白的合成160膜蛋白和分泌蛋白的合成信號(hào)肽殘基結(jié)合膜孔蛋白信號(hào)肽被信號(hào)肽酶降解多肽釋放到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔161膜蛋白和分泌蛋白模式圖內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔：折疊；二硫鍵的修飾；添加核心寡糖/糖基化蛋白質(zhì)從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)通過(guò)分泌泡轉(zhuǎn)移到高爾基復(fù)合體再轉(zhuǎn)移到特定部位膜蛋白和分泌蛋白模式圖163

分泌蛋白蛋白質(zhì)通過(guò)分泌小泡從高爾基復(fù)合體到達(dá)質(zhì)膜164胞外分泌通過(guò)細(xì)胞質(zhì)膜的溶解-->內(nèi)容物分泌到細(xì)胞外的環(huán)境中4.5.2

翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制

166研究發(fā)現(xiàn)，葉綠體和線粒體中有許多蛋白質(zhì)和酶是由細(xì)胞質(zhì)提供的，其中絕大多數(shù)以翻譯后運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞器內(nèi)。4.5.2.1．線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)線粒體蛋白質(zhì)跨膜運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程有如下特征：

①通過(guò)線粒體膜的蛋白質(zhì)在運(yùn)轉(zhuǎn)之前大多數(shù)以前體形式存在，它由成熟蛋白質(zhì)和N端延伸出的一段前導(dǎo)（leaderpeptide）共同組成。②蛋白質(zhì)通過(guò)線粒體內(nèi)膜的運(yùn)轉(zhuǎn)是一種需能過(guò)程（ATP水解和膜電位差