分子生物學(xué)-第五章

第五章遺傳信息的傳遞過程（2）--翻譯第一節(jié)遺傳密碼的破譯概述：遺傳密碼是20世紀(jì)60年代通過設(shè)計(jì)出色的生物化學(xué)和遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)闡明的。70年代以來，隨著核酸和氨基酸測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，使遺傳密碼的存在得到驗(yàn)證。

貯存在DNA上的遺傳信息通過mRNA傳遞到蛋白質(zhì)上，mRNA與蛋白質(zhì)之間的聯(lián)系是通過遺傳密碼的破譯實(shí)現(xiàn)的。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)核苷酸就稱為密碼子，也叫三聯(lián)體密碼子（tripletcodon）。

一、Crick的探索

1954年GeorgeGamow對(duì)遺傳密碼首先提出了挑戰(zhàn)，在Nature上首次發(fā)表了遺傳密碼的理論研究文章，指出“氨基酸正好按DNA的螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)入各自的洞穴”。他設(shè)想若一種堿基與一種氨基酸對(duì)應(yīng)的話，只能產(chǎn)生4種氨基酸。而已知天然的氨基酸有20種，核酸分子中只有4種堿基，要為蛋白質(zhì)分子的20種氨基酸編碼，不可能是一對(duì)一的關(guān)系，兩個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸也只能編碼16種氨基酸，如果用三個(gè)堿基決定一個(gè)氨基酸，43=64，就足以編碼20種氨基酸。這是編碼氨基酸所需堿基的最低數(shù)目，故密碼子應(yīng)是三聯(lián)體（triplet）。一、Crick的探索

1961年FranicsCrick及其同事經(jīng)過反復(fù)研究，提供了確切的證據(jù)，說明三聯(lián)密碼子學(xué)說是正確的。

Crick等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明三聯(lián)體密碼是非重疊的，而且連續(xù)編碼并無標(biāo)點(diǎn)符號(hào)隔開。在序列的任一位置插入或刪除一個(gè)核苷酸都會(huì)改變?nèi)?lián)體密碼的閱讀框架，發(fā)生移碼突變使基因失活。但是如果插入或刪除三個(gè)核苷酸，或者插入一個(gè)核苷酸后又刪除一個(gè)核苷酸，閱讀框架仍可維持不變，原來編碼的信息便能夠在變異位點(diǎn)之后照舊表現(xiàn)出來。這是基因與蛋白質(zhì)共線性（colinearity）的最早證據(jù)（圖5-2）。

CATCAT

CAT

CAT

CAT

CAT

-1CATCAVCATCATC

ATC

ATC-1+1CATCAVCAXTCATCAT

CAT+3CAXTXCATXCATCAT

CAT圖5-2缺失或插入核苷酸引起三聯(lián)體密碼的改變-1，刪除一個(gè)核苷酸，在刪除位置以符號(hào)V表示-1+1，在相近位置分別刪除一個(gè)核苷酸，插入一個(gè)核苷酸以X表示+3，在相近位置分別插入三個(gè)核苷酸二、Nirenberg的實(shí)驗(yàn)在Crick等提出遺傳信息是在核酸分子上以非重疊、無標(biāo)點(diǎn)、三聯(lián)體的方式編碼的同時(shí)，由JacobF和MonodJ(1956~1961)領(lǐng)導(dǎo)的4個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室通過用T4噬菌體感染大腸桿菌，首次提出和證明了mRNA的存在和真正的模板。

1961年，MarshallNirenberg和JohannHMatthaei

等人建立了無細(xì)胞反應(yīng)系統(tǒng)，利用多聚單核苷酸，為遺傳密碼的破譯和體外表達(dá)奠定了重要基礎(chǔ)。

二、Nirenberg的實(shí)驗(yàn)用DNase處理大腸桿菌提取物，使DNA降解，除去原有的細(xì)菌模板。在提取物中含有核糖體、ATP及各種氨基酸，除mRNA外是一個(gè)完整的翻譯系統(tǒng)。由于DNA被降解，不再轉(zhuǎn)錄新的mRNA，即使原來殘留有mRNA，因其半衰期很短，很快會(huì)降解。當(dāng)他們把人工合成的polyU加入這種無細(xì)胞體系中代替天然的mRNA時(shí)，發(fā)現(xiàn)合成了單一的多肽，其氨基酸殘基全是苯丙氨酸，即多聚苯丙氨酸。這一結(jié)果不僅證實(shí)了無細(xì)胞系統(tǒng)的成功，同時(shí)還表明UUU是苯丙氨酸的密碼子。以同樣的方法分別加入polyA、polyC和polyG，結(jié)果也獲得了多聚賴氨酸、多聚脯氨酸，因?yàn)閜olyG易形成多股螺旋，不宜做模板。UUU、AAA、CCC是最早破譯的密碼子。

二、Nirenberg的實(shí)驗(yàn)

Nirenberg設(shè)計(jì)了另一種新方法，按比例加入2種或3種核苷酸混合的多聚物，進(jìn)行其它遺傳密碼的破譯。如在底物中加入5份的UDP和1份的GDP，堿基比為U：G=5：1，它們能組成的三聯(lián)體不外乎8種：UUU、UUG、UGU、GUU、GGG、GGU、GUG、UGG。U和G將隨機(jī)地加入到三聯(lián)體中，按此比例三聯(lián)體各個(gè)位置進(jìn)入U(xiǎn)和G的概率不同。如UUU：UGG=(5×5×5)：(5×1×1)=25：1，UUU：UUG=5：1

依據(jù)這樣的推測(cè)，在無細(xì)胞系統(tǒng)中以這種比例合成的mRNA所產(chǎn)生的氨基酸的比例也應(yīng)該是相應(yīng)的，即標(biāo)記氨基酸摻入的相對(duì)量與其密碼子出現(xiàn)頻率相一致（見教材表5-1）。二、Nirenberg的實(shí)驗(yàn)

1964年，Nirenberg等采用核糖體結(jié)合實(shí)驗(yàn)在密碼子破譯方面取得了重大突破。用20種氨酰-tRNA做20組同樣的實(shí)驗(yàn)，每組都含20種氨酰-tRNA和各種三核苷酸，但只有一種氨基酸用14C標(biāo)記，分析和確定滯留在濾膜上的氨酰-tRNA和相應(yīng)的三核苷酸模板，從三核苷酸與氨基酸的關(guān)系可測(cè)知該氨基酸的密碼子。所有64種可能的三聯(lián)體都已合成，經(jīng)試驗(yàn)其中50多種都得到確切的結(jié)果。但在此實(shí)驗(yàn)中仍有一些三核苷酸編碼的氨基酸不能肯定，需要用其它方法來破譯。

三、Khorana的實(shí)驗(yàn)

1965年，GonindKhorana及其同事們將化學(xué)合成和酶促合成巧妙地結(jié)合起來，建立了有機(jī)合成核酸的方法，同時(shí)結(jié)合Nirenberg的核糖體結(jié)合技術(shù)，以不同的思路和方法巧妙地破譯了全部的密碼。他們用已知堿基組成2~4個(gè)堿基，然后利用這些特定序列合成重復(fù)順序的mRNA，在體外翻譯系統(tǒng)中加入同位素標(biāo)記的氨基酸，然后分析所合成多肽的氨基酸順序，再進(jìn)行比較分析來推測(cè)各氨基酸的密碼子。三、Khorana的實(shí)驗(yàn)

Khorana就是用這種方法將所有的遺傳密碼都破譯了。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還同時(shí)證實(shí)了三聯(lián)密碼子的準(zhǔn)確性以及簡(jiǎn)并性的存在。

RobterHolley發(fā)現(xiàn)并得到了tRNA的精確結(jié)構(gòu)，應(yīng)用上述各種方法僅用了4年時(shí)間，于1965年完全查清了20種基本氨基酸所對(duì)應(yīng)的全部61個(gè)密碼子，編出了遺傳密碼字典（教材表5-4）。AUG為起始密碼子（initiationcodon），其余61個(gè)密碼子對(duì)應(yīng)20種氨基酸。另外的3個(gè)密碼子（UAA、UAG和UGA）是終止密碼子（terminationcodonsorstopcodons），它們不編碼任何氨基酸，只結(jié)束蛋白質(zhì)的合成。

遺傳密碼的破譯是通過諸多科學(xué)家采用多種方法和技術(shù)完成的。1968年，Nirenberg、Khorana和Holley一道分享了當(dāng)年的諾貝爾醫(yī)學(xué)、生理學(xué)獎(jiǎng)。

第二節(jié)遺傳密碼的主要特征一、密碼的連續(xù)性(commaless)

Crick等最早推測(cè)蛋白質(zhì)中氨基酸序列的遺傳密碼編碼在核苷酸分子上，其基本單位是按5′→3′方向編碼，不重疊、無標(biāo)點(diǎn)的三聯(lián)體密碼子。翻譯由mRNA的5′端的起始密碼子開始，一個(gè)密碼子接一個(gè)密碼子連續(xù)地閱讀，直到3′終止密碼子，密碼間無間斷、無重疊(non-overlapping)，即起始密碼子決定了所有后續(xù)密碼子的位置，說明三聯(lián)體密碼子是連續(xù)的。若插入或刪除一個(gè)堿基，就會(huì)使這以后的讀碼發(fā)生錯(cuò)誤，稱為移碼。由移碼引起的突變稱為移碼突變。

第二節(jié)遺傳密碼的主要特征一、密碼的連續(xù)性(commaless)已經(jīng)證明，在絕大多數(shù)生物中基因是不重疊的。但在少數(shù)病毒以及少數(shù)大腸桿菌噬菌體（如R17、Qβ等）基因組中，部分基因的遺傳密碼卻是重疊的。即使在重疊基因（overlappinggenes）中，各自的開放讀碼框架（openreadingframe）仍然按三聯(lián)體方式連續(xù)讀碼。二、密碼的簡(jiǎn)并性(degeneracy)遺傳密碼的簡(jiǎn)并性是指大多數(shù)氨基酸都具有幾個(gè)不同的密碼子。這種由多個(gè)密碼子編碼同一種氨基酸的現(xiàn)象稱為簡(jiǎn)并性，編碼同一氨基酸的一組密碼子稱為同義密碼子（synonymouscodon）。另外，AUG和GUG既是甲硫氨酸和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)上的意義尚不清楚。除了色氨酸和甲硫氨酸僅有一個(gè)密碼子外，其它氨基酸都有一個(gè)以上的密碼子，如：亮氨酸、精氨酸、絲氨酸都有6個(gè)密碼子，大多數(shù)氨基酸有2個(gè)、3個(gè)或4個(gè)密碼子（教材表5-5）。

二、密碼的簡(jiǎn)并性(degeneracy)密碼子的簡(jiǎn)并性可以減少有害的突變，具有非常重要的生物學(xué)意義。

三、密碼的擺動(dòng)性密碼的簡(jiǎn)并性往往表現(xiàn)在密碼子的第三位堿基上，如甘氨酸的密碼子是GGU、GGC、GGA、GGG，丙氨酸的密碼子是GCU、GCC、GCA、GCG，它們的前兩位堿基是相同的，只是第三位堿基不同。有些氨基酸只有兩個(gè)密碼子，通常第三位堿基或者都是嘌呤，或者都是嘧啶。顯然，密碼子的專一性基本上取決于前兩位堿基，第三位堿基起的作用有限。即第三位堿基有較大的靈活性。

三、密碼的擺動(dòng)性

1966年，Crick根據(jù)立體化學(xué)原理提出擺動(dòng)假說（wobblehypothesis），解釋了反密碼子中某些稀有堿基（如次黃嘌呤，I）的配對(duì)，以及許多氨基酸有2個(gè)以上密碼子的問題。根據(jù)擺動(dòng)假說，在密碼子和反密碼子配對(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)”，從而使某些tRNA可以識(shí)別一個(gè)以上的密碼子。一個(gè)tRNA究竟能夠識(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，反密碼子第一位堿基為A或C時(shí)只能識(shí)別一種密碼子，為G或U時(shí)可識(shí)別2種密碼子，為I和ψ時(shí)可識(shí)別3種密碼子（教材表5-5）。

三、密碼的擺動(dòng)性如果幾個(gè)密碼子同時(shí)編碼同一種氨基酸，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。原核生物中大約有30~45種tRNA，真核細(xì)胞中可能存在50種tRNA。

四、密碼的通用性(universality)和特殊性(specificity)1、密碼的通用性是指無論在體內(nèi)體外，無論高等生物還是低等生物都共同使用同一套密碼字典。20世紀(jì)70年代以后對(duì)各種生物基因組的大規(guī)模測(cè)序結(jié)果也充分證明生物基本共用同一套遺傳密碼。密碼的通用性在基因工程中得到充分運(yùn)用，如外源基因在植物、酵母、細(xì)菌等不同受體生物中獲得正確表達(dá)。

四、密碼的通用性(universality)和特殊性(specificity)2、特殊性：雖然密碼有通用性，但也發(fā)現(xiàn)有少數(shù)例外。如人線粒體和支原體中的UGA不是終止密碼子，而編碼色氨酸；在嗜熱四膜蟲中，終止密碼子UAA卻編碼谷氨酰胺。隨著對(duì)人、牛及酵母線粒體DNA序列和結(jié)構(gòu)的研究還發(fā)現(xiàn)，終止密碼子UGA用于編碼色氨酸，AUA編碼甲硫氨酸等，這些都體現(xiàn)了遺傳密碼的特殊性（見教材表5-6）。

第三節(jié)翻譯翻譯：以氨基酸為底物，在tRNA轉(zhuǎn)運(yùn)工具的作用下，以結(jié)合在rRNA與蛋白質(zhì)形成的核糖體上的mRNA為模板，從mRNA上一個(gè)特定的起始位點(diǎn)開始，按照3個(gè)核苷酸代表一個(gè)氨基酸的原則，依次合成多肽鏈的過程。一、與蛋白質(zhì)生物合成有關(guān)的生物大分子（一）核糖體核糖體是由幾十種蛋白質(zhì)和幾種RNA組成的一種亞細(xì)胞顆粒體，它是蛋白質(zhì)生物合成的場(chǎng)所。核糖體中蛋白質(zhì)占其重量的三分之一，RNA占三分之二。一、與蛋白質(zhì)生物合成有關(guān)的生物大分子（一）核糖體核糖體中的RNA和蛋白質(zhì)（見教材表5-7）原核和真核生物核糖體大、小亞基比較（見圖5-3）

圖5-3原核生物與真核生物核糖體大、小亞基比較（一）核糖體原核生物核糖體的三維結(jié)構(gòu)和主要功能（見圖5-4）圖5-4原核生物核糖體的三維結(jié)構(gòu)和主要功能（一）核糖體：活性中心與功能位點(diǎn)：1、結(jié)合位點(diǎn)：mRNA結(jié)合的位點(diǎn)（Ribosomebindingsite，RBS)，而且還有許多與起始因子、延伸因子、釋放因子及與各種酶結(jié)合的位點(diǎn)。2、主要的功能部位包括：mRNA結(jié)合位點(diǎn)、A位點(diǎn)（aminoacyl-tRNAsite,acceptorsite,Asite）、P位點(diǎn)(peotidyl–tRNAsite,Psite)、E位點(diǎn)(exitsite,Esite)、肽酰轉(zhuǎn)移酶(peptidyl

transferase)、多肽鏈離開通道(exitchannel，siteE)、一些可溶性蛋白因子（起始因子、延伸因子和終止因子）的結(jié)合部位。

3、SD序列的互補(bǔ)序列

Shine及Dalgarno等證明幾乎所有原核生物mRNA的起始密碼子上游都有一個(gè)5′-AGGAGGU-3′序列，這個(gè)富含嘌呤區(qū)被命名為SD序列，它與30S亞基上16SrRNA的3′端富含嘧啶區(qū)序列5′-GAUCACCUCCUUA-3′相互補(bǔ)(圖5-5）。圖5-5原核生物mRNA核糖體結(jié)合位點(diǎn)(RBS)或SD序列（SDsequence）（二）mRNA是蛋白質(zhì)生物合成的模板

JacobF和MonodJ（1956~1961年）在研究大腸桿菌乳糖操縱子時(shí)最早提出了信使物質(zhì)的存在和真正模板的概念，并隨后以T2噬菌體感染大腸桿菌為研究系統(tǒng)，證明了mRNA的存在。mRNA的5′→3′三聯(lián)體密碼子序列與蛋白質(zhì)N端到C端的氨基酸序列有對(duì)應(yīng)關(guān)系。原核生物mRNA轉(zhuǎn)錄和肽鏈翻譯是偶聯(lián)的，其mRNA通常不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)錄后幾分鐘內(nèi)就翻譯或者邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。真核生物mRNA的轉(zhuǎn)錄和加工成熟在細(xì)胞核內(nèi)，成熟后的mRNA被運(yùn)往胞質(zhì)，擔(dān)任模板指導(dǎo)蛋白質(zhì)的翻譯，其穩(wěn)定性也較高，達(dá)幾個(gè)小時(shí)。1、mRNA特點(diǎn)：（1）其堿基組成與相應(yīng)DNA分子的堿基組成一致，即攜帶來自DNA的遺傳密碼信息；（2）mRNA鏈的長(zhǎng)度不一，因?yàn)槠渌幋a的多肽鏈長(zhǎng)度是不同的；（3）在肽鏈合成時(shí)，mRNA與核糖體作短暫的結(jié)合；（4）mRNA的半衰期很短，因此其代謝速度很快。原核生物：mRNA半衰期幾秒鐘~幾分鐘真核生物：mRNA半衰期數(shù)小時(shí)（5）原核生物的mRNA一般是含有多個(gè)ORF的多順反子（poly-cistron）；而真核生物mRNA通常是只有一個(gè)ORF的單順反子（mono-cistron）（見圖5-6，7，8，9）圖5-6原核生物和真核生物mRNA結(jié)構(gòu)A.原核生物；B.真核生物Ribosomebindingsite(RBS)orSD-sequence:in

prokaryoticmRNA,complementarywiththesequenceatthe3′endof16SrRNA.8-13nts圖5-7原核生物mRNAAUGUAAAAAAAA核糖體識(shí)別位點(diǎn)Readingframe5’帽子3’圖5-8真核生物mRNA核糖體識(shí)別位點(diǎn)（ribosome-bindingsite,RBS）：使核糖體能正確的識(shí)別起始密碼AUG上游的序列。EukaryoticmRNAusesamethylatedcaptorecruittheribosome.Oncebound,theribosomescansthemRNAina5′-3′directiontofindtheAUGstartcodon.Kozaksequenceincreasesthetranslationefficiency.Poly-Ainthe3′endpromotestheefficientrecyclingofribosomesKozaksequence圖5-9真核生物mRNA（三）tRNA

是蛋白質(zhì)生物合成過程中氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)工具，可準(zhǔn)確地將各種氨基酸按照mRNA上密碼所決定的順序轉(zhuǎn)運(yùn)到核糖體上。又稱為第二遺傳密碼。tRNA

分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)呈三葉草型，三級(jí)結(jié)構(gòu)呈倒L型（見圖5-10）。圖5-10tRNA的二級(jí)、三級(jí)結(jié)構(gòu)受體臂(acceptorarm):由鏈兩端序列堿基配對(duì)形成的桿狀結(jié)構(gòu)和3′端末的數(shù)個(gè)堿基所組成，其3′端最后3個(gè)堿基序列永遠(yuǎn)是CCA。氨基酸的羧基與A的核糖3′-C上游離的OH連接形成氨酰-tRNA分子。TψC臂(TψCarm):根據(jù)3個(gè)核苷酸命名的，其中ψ表示假擬尿嘧啶，是tRNA分子所擁有的不常見核苷酸。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。D臂(Darm):是根據(jù)它含有二氫尿嘧啶(dihydrouracil)命名的。

可變臂：3~21個(gè)堿基之間，是tRNA分子大小變化最大的區(qū)域。1、tRNA

的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2、tRNA

上與多肽合成有關(guān)的位點(diǎn)

（1）3ˊ端CCA上的氨基酸接受位點(diǎn)：（2）識(shí)別氨酰-tRNA

合成酶的位點(diǎn)：倒L中部的DHU臂和反密碼子環(huán)，氨基酸臂參與這一作用；（3）核糖體識(shí)別位點(diǎn)：倒L中部的TψC環(huán)與此有關(guān)；（4）反密碼子位點(diǎn)：每種tRNA

只能攜帶一種氨基酸（專一性），但由于密碼子的簡(jiǎn)并性，絕大多數(shù)氨基酸需要一種以上的tRNA

作為轉(zhuǎn)運(yùn)工具。運(yùn)輸同一種氨基酸的不同tRNA

稱為同工受體tRNA。3、tRNA的功能運(yùn)輸工具，運(yùn)載AA解讀遺傳信息4、tRNA

的種類原核有60種tRNA，真核100~120種tRNA（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叫起始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。原核生物起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸（fMet-tRNAfMet）；真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸（Met-tRNAiMet）。（2）同工受體tRNA：轉(zhuǎn)運(yùn)同一種氨基酸的不同tRNA稱為同工受體tRNA，同工受體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。（3）校正tRNA：突變了的tRNA，能將一個(gè)氨基酸帶到一個(gè)無義突變位點(diǎn)，使多肽鏈的合成能夠繼續(xù)完成，或能將一個(gè)正確的氨基酸帶到一個(gè)誤義突變位點(diǎn)，使無義突變或誤義突變得到矯正，這種tRNA稱為校正tRNA。（四）氨酰－tRNA合成酶氨基酸在進(jìn)行合成多肽鏈之前，必須先經(jīng)過活化，然后再與其特異的tRNA結(jié)合，帶到mRNA相應(yīng)的位置上，這個(gè)過程靠氨酰-tRNA合成酶催化。此酶催化特定的氨基酸與特異的tRNA相結(jié)合，生成各種氨酰-tRNA。每一種氨基酸至少有一種氨酰tRNA合成酶例外：在枯草桿菌中不存在Gln-tRNA合成酶，Glu-tRNA合成酶可以用Glu?；痶RNAGlu和tRNAGln，然后通過轉(zhuǎn)酰氨反應(yīng)使GIu-tRNAGln轉(zhuǎn)換成Gln-tRNAGln。迄今已有150種以上不同來源的氨酰tRNA合成酶被分離純化。原核生物中的合成酶一般分子量≤2．5xl05U。而真核生物的酶常以復(fù)合形式存在，分子量>106U。在氨酰-tRNA合成酶催化下，利用ATP供能，在氨基酸羧基上進(jìn)行活化，形成氨基酰-AMP，再與氨基酰-tRNA合成酶結(jié)合形成三聯(lián)復(fù)合物，此復(fù)合物再與特異的tRNA作用，將氨基酰轉(zhuǎn)移到tRNA的氨基酸臂(即3′-末端CCA-OH)上。反應(yīng)式如下：

aa+ATP十tRNA→aa-tRNA十AMP十ppi（五）參與蛋白質(zhì)生物合成的其他蛋白質(zhì)因子1、起始因子起始因子是參與蛋白質(zhì)生物合成起始的可溶性蛋白因子。蛋白質(zhì)合成的起始要生成核糖體體·mRNA·起始tRNA三元起始復(fù)合物。復(fù)合物必須在起始因子幫助下才能形成。原核生物有三種起始因子，而真核生物則有十種。大腸桿菌的起始因子的不同形式、分子量及所起作用見教材表5-9和5-10。（五）參與蛋白質(zhì)生物合成的其他蛋白質(zhì)因子輔助因子近年來在真核生物中還發(fā)現(xiàn)許多與起始反應(yīng)有關(guān)的輔助因子(auxiliaryfactor)。這些因子大多數(shù)與eIF-2有關(guān)。見教材表5-11。（五）參與蛋白質(zhì)生物合成的其他蛋白質(zhì)因子2、延伸因子延伸因子是一類參與蛋白質(zhì)合成過程中肽鏈延伸的蛋白因子。無論原核或真核生物，延伸因子可分為兩類：一類是幫助氨酰tRNA(延伸tRNA)進(jìn)入核糖體與mRNA結(jié)合，另一類是使肽基tRNA從核糖體的A位向P位移動(dòng)。前者有EF-T(包括EF-Tu和EF-Ts，細(xì)菌中)和EF-1(真核生物)；后者是EF-G(細(xì)菌)和EF-2(真核生物)。教材表5-12列出蛋白質(zhì)合成中的延伸因子。（五）參與蛋白質(zhì)生物合成的其他蛋白質(zhì)因子3、釋放因子（終止因子）原核生物中發(fā)現(xiàn)有三種釋放因子(ReleaseFactor)——RF-1、RF-2和RRF-3，哺乳動(dòng)物只有一種釋放因子RF。釋放因子的作用是終止肽鏈合成并使肽鏈釋放出核糖體。種類及其性質(zhì)分別見教材表5-15和表14-11。二、蛋白質(zhì)生物合成的機(jī)制蛋白質(zhì)的生物合成包括氨基酸的活化，肽鏈的起始、延伸、終止，新合成多肽鏈的加工、修飾等階段。（一）氨基酸的活化（二）翻譯的起始蛋白質(zhì)合成的起始是指在模板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)（見圖5-11）。

圖5-11原核生物翻譯的起始

1、原核生物翻譯的起始分為三步第一步：30S小亞基首先與起始因子IF-1，IF-3結(jié)合，30小亞基通過其16SrRNA的3′端與mRNA5′端起始密碼子上游的SD序列發(fā)生堿基配對(duì)。第二步：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)。第三步：帶有fMet-tRNAfMet，mRNA，三個(gè)起始因子的小亞基復(fù)合物與50S大亞基結(jié)合，GTP水解，釋放起始因子。

（見下圖）翻譯的起始30Ssubunit(IF-3:IF-1)bindsmRNAIF-2deliverstheinitiatorf-Met-tRNAtothePsiteIF-2dissociatesfrom30SsubunitGTPhydrolysisisaccompaniedbyIFsreleaseandbindingofthe50Ssubunit2、真核生物翻譯的起始真核生物翻譯的起始是40S小亞基先與Met-tRNAiMet結(jié)合，再與模板mRNA結(jié)合，最后與60S大亞基結(jié)合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始復(fù)合物（見圖5-11）。其蛋白質(zhì)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-tRNAiMet不甲?；琺RNA分子5′端的“帽子”和3′端的polyA都參與形成翻譯起始復(fù)合物。另外，起始復(fù)合物的裝配過程不同。實(shí)驗(yàn)證明：帽子結(jié)構(gòu)能促進(jìn)起始反應(yīng)

圖5-11真核生物翻譯的起始

2、真核生物翻譯的起始除了帽子結(jié)構(gòu)以外，40S小亞基還能識(shí)別mRNA上的起始密碼子AUG。Kozok等提出了一個(gè)“掃描模型”（thescanningmodel），解釋了40S亞基對(duì)mRNA起始密碼子的識(shí)別作用。按照此模型，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，可能是出于Met-tRNAiMet的反密碼子與AUG配對(duì)的結(jié)果。另外，起始過程中mRNA與40S小亞基結(jié)合時(shí)還需要ATP，可能與蛋白質(zhì)合成中消除mRNA二級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)耗能過程有關(guān)。另外，在40S亞基沿mRNA移動(dòng)過程中也需要能量。（三）肽鏈的延伸起始氨基酸與核糖體結(jié)合以后,肽鏈開始伸長(zhǎng)。肽鏈延伸由許多循環(huán)組成，每加一個(gè)氨基酸就是一個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)包括AA-tRNA在核糖體的進(jìn)位、轉(zhuǎn)肽和移位。1、AA-tRNA的進(jìn)位起始復(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)（圖5-12）。圖5-12Peptidechainelongation

進(jìn)位：為密碼子所特定的AA-tRNA結(jié)合到核蛋糖體的A位，稱為進(jìn)位。氨基酰tRNA在進(jìn)位前需要有延伸因子的作用，即：熱不穩(wěn)定的EF(EF-Tu)、熱穩(wěn)定的EF(EF-Ts)。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)。2、轉(zhuǎn)肽：形成肽鍵的反應(yīng)AA-tRNA

復(fù)合物占據(jù)A位，fMet/Met-tRNA

占據(jù)P位，在肽基轉(zhuǎn)移酶的催化下，A位AA-tRNA上的氨基酸與P位fMet-tRNAfMet上的氨基酸生成肽鍵（圖5-13）

。起始tRNA完成使命后，離開核糖體P位，A位準(zhǔn)備接受新的AA-tRNA，開始下一輪合成。圖5-13轉(zhuǎn)肽3、移位（translocation）：轉(zhuǎn)肽作用發(fā)生后，氨基酸都位于A位，P位上無負(fù)荷氨基酸的tRNA就此脫落，核蛋白體沿著mRNA向3′端方向移動(dòng)一組密碼子，使得原來結(jié)合二肽酰tRNA的A位轉(zhuǎn)變成了P位，而A位空出，可以接受下一個(gè)新的氨基酰tRNA進(jìn)入，移位過程需要EF-G（原核細(xì)胞），eEF-2（真核細(xì)胞)，需要GTP和Mg2+的參加（圖5-14）。圖5-14移位（四）翻譯的終止無論原核生物還是真核生物都有三種終止密碼子UAG，UAA和UGA。沒有一個(gè)tRNA能夠與終止密碼子作用，而釋放因子能識(shí)別終止密碼子并與之結(jié)合，能誘導(dǎo)或激活肽基轉(zhuǎn)移酶為酯酶，水解P位上的多肽鏈與tRNA之間的二酯鍵，促成終止作用。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。解離后的大小亞基又重新參加新的肽鏈的合成，循環(huán)往復(fù)，多肽鏈在核糖體上的合成過程又稱核糖體循環(huán)。釋放因子有兩類：Ⅰ類釋放因子識(shí)別終止密碼子，并能催化新合成的多肽鏈從P位點(diǎn)的tRNA中水解釋放出來；Ⅱ類釋放因子在多肽鏈釋放后，刺激Ⅰ類釋放因子從核糖體中解離出來。

原核生物有三種釋放因子：RF1、RF2、RF3。RF1識(shí)別UAA和UAG，RF2識(shí)別UAA和UGA。RF3為Ⅱ類釋放因子，與核糖體的解體有關(guān)。真核生物的Ⅰ類和Ⅱ類釋放因子分別只有一種，eRF1和eRF3

，eRF1可識(shí)別三種終止密碼子。圖5-15-1翻譯終止圖5-15-2翻譯終止三、蛋白質(zhì)的翻譯后加工、修飾及定位

大多數(shù)由mRNA翻譯出來的多肽鏈?zhǔn)菦]有功能的，這叫新生蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)前體，它們常要進(jìn)行一系列翻譯后的加工，才能成為具有功能的蛋白質(zhì)。與翻譯過程相比，蛋白產(chǎn)物的翻譯后加工顯得更加復(fù)雜。蛋白的成熟過程涉及信號(hào)肽的切除、多肽鏈內(nèi)二硫鍵的正確形成、多肽鏈的正確折疊、某些氨基酸殘基的修飾、寡聚體的形成等一系列翻譯后的加工、修飾過程，這通常是在特定的細(xì)胞器或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中完成的。（一）翻譯后的加工與修飾1、多肽鏈的水解切割兩種方式：一種是切割反應(yīng)，可能是從多肽鏈的兩端或一端（N端fMet或Met）切除一段而產(chǎn)生縮短的活性蛋白如某些分泌型蛋白質(zhì)、膜蛋白和一些細(xì)胞器膜上的蛋白質(zhì)等。原核生物的肽鏈，其N端一般不保留fMet，由氨基肽酶（aminopeptidase）水解切除。也有少數(shù)肽鏈N端的fMet由脫甲酰酶（deformylase）去除甲?；?，而甲硫氨酸被保留下來。這樣的蛋白質(zhì)多肽鏈的N末端氨基酸就是甲硫氨酸在真核生物中，常在多肽鏈合成到一定長(zhǎng)度（15~30個(gè)）時(shí)，其N端的甲硫氨酸被除去。（一）翻譯后的加工與修飾1、多肽鏈的水解切割兩種方式：另外一種是將多肽鏈切成一些不同的片段，從而使每個(gè)片段都有活性，脊椎動(dòng)物肽類激素的合成屬于這種加工方式。如在垂體中合成的阿黑皮素就是一種多蛋白，含有十種以上的不同肽類激素，這些激素由新多肽鏈的水解性切割而釋放出來，成為有活性的蛋白質(zhì)。圖5-16多肽鏈的水解切割左：新生肽鏈在去掉N端一部分殘基后變成有功能的蛋白質(zhì)右：某些病毒或細(xì)菌合成無活性的多聚蛋白質(zhì)切割為有功能的成熟蛋白2、內(nèi)含肽的切除有些蛋白質(zhì)存在有間隔序列——內(nèi)含肽，類似于mRNA中的內(nèi)含子，必須將它們?nèi)コ⑼怙@肽相互連接后，蛋白質(zhì)才會(huì)表現(xiàn)出功能。多數(shù)內(nèi)含肽長(zhǎng)度在300~600個(gè)氨基酸之間，第一個(gè)內(nèi)含肽，于1990年在釀酒酵母中發(fā)現(xiàn)，在細(xì)菌和低等真核生物的基因中都報(bào)道過內(nèi)含肽的存在。

不同類型的加工多數(shù)是同時(shí)進(jìn)行的，新生多肽進(jìn)行折疊的同時(shí)被切割和修飾，蛋白質(zhì)翻譯后加工可能對(duì)于新生多肽鏈形成有正確三維構(gòu)象的蛋白質(zhì)是必需的。但有可能切割和化學(xué)修飾是發(fā)生在蛋白質(zhì)折疊之后，這是將已折疊成型但無活性的蛋白轉(zhuǎn)化為活性形式的一種調(diào)節(jié)機(jī)制。

3、二硫鍵的形成在mRNA分子上沒有胱氨酸的密碼子，而不少蛋白質(zhì)分子中含有胱氨酸二硫鍵，有的還有多個(gè)。肽鏈內(nèi)或兩條肽鏈間的二硫鍵是在肽鏈形成后通過兩個(gè)半胱氨酸的巰基氧化而形成的。二硫鍵的形成對(duì)于許多酶和蛋白質(zhì)的活性是必需的。4、肽鏈的折疊

蛋白質(zhì)一般具有三級(jí)結(jié)構(gòu)才可行使其功能，分子量小的蛋白質(zhì)可以自發(fā)折疊，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，其新生肽鏈?zhǔn)窃诜肿影閭H(molecularchaperone)幫助下完成的。分子伴侶并不特異地決定一個(gè)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，它們僅幫助蛋白質(zhì)建立其正確結(jié)構(gòu)，其中研究得較多的分子伴侶是熱休克蛋白(heatshockportein，Hsp)Hsp70與Hsp40。5、特定氨基酸的修飾新生多肽鏈中的氨基酸只有21種。經(jīng)過翻譯后的修飾，可顯著地增加氨基酸種類，從而形成具有活性的蛋白質(zhì)。修飾作用：包括磷酸化(如核糖體蛋白質(zhì))、糖基化(如各種糖蛋白)、甲基化(如組蛋白、肌肉蛋白質(zhì))、乙?；?如組蛋白)、羥基化(如膠原蛋白)和羧基化等。（二）蛋白質(zhì)合成的抑制劑

蛋白質(zhì)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