第十三章蛋自质的生物合成 学习目标 通过本章的学习，你应该能够： 掌握遗传密码的概念及特点，起始密码子与终止密码子，氨基酸活化的概念 氨基酰RNA合成酶的作用特点。 熟悉开放阅读框、简并性和摆动性的概念，RNA与蛋白质生物合成有关的氨 基酸接受臂和反密码子，原核生物SD序列的概念，进位、成肽和转位的 概念，信号肽的概念与特点。 了解翻译的概念，氨基酰-RNA的表示方式及起始氨基酰-RNA的作用，核糖 体在蛋白质生物合成中的作用，核糖体上AP、E位及其作用，核糖体的组 成，转肽酶、转位酶及其作用，蛋白质生物合成中能源物质及其作用，原 核、直核生物参与翻怪时程的蛋白质因子种类及其作用原核生物多肽制 合成的过程、各阶段蛋白质因子的作用和能量消耗情况，真核生物多肽剑 合成过程与原核生物的主要差别，蛋白质生物合成后的加工修饰方式，蛋 白质靶向输送至细胞特定部位的方式，干扰蛋白质生物合成的抗生素及 其作用，白喉毒素、蓖麻毒素、干扰素作用的机制。 细胞内的蛋白质合成，即蛋白质的生物合成(protein biosynthesis),是以mRNA为信息模板来合成多 肽链。在这一过程中，核苷酸序列“语言”被巧妙地解读转换为与之截然不同的氨基酸序列“语言”，因 此又被形象地称为翻译(translation)。多肽链合成后，还需要经过复杂的翻译后加工修饰才能成为成熟 的有功能的蛋白质，并被正确地靶向输送至特定的亚细胞区域或分泌至细胞外，才能发挥其特定的 功能。 第一节蛋白质生物合成体系 蛋白质生物合成是细胞最为复杂的生命活动过程之一，蛋白质生物合成体系非常复杂。除了作为 合成原料的氨基酸之外，还需要mRNA作为模板，RNA作为氨基酸的“运载工具”以及氨基酸与mRNA 之间的分子“适配器”、核糖体作为蛋白质合成的场所，有关的酶和蛋白因子等参与反应、ATP和GTP提 供反应所需能量。 一、蛋白质合成的信息模板 mRNA是指导多肽链合成的直接模板，但mRNA的核苷酸序列“抄录”自基因组DNA,因此指导多 298
第十三章蛋白质的生物合成 肽链合成的真正序列信息实际源于基因组DNA。那么mRNA或基因组DNA中的核苷酸序列作为遗传 信息，与其指导合成的多肽链的氨基酸序列有何对应关系？这正是遗传密码所要回答的关键问题。 (一）遗传密码的概念 简单地讲，遗传密码(genetic code)就是指mRNA或DNA中编码蛋白质的序列信息。从数学的排 列组合观点来看，mRNA或DNA中的核苷酸均仅有四种，而蛋白质中的标准氨基酸有20种，因此至少 需要三个核苷酸对应一个氨基酸，则有64(43)种组合，才能满足编码20种氨基酸的要求。这就是美籍 俄裔理论物理学家George Gamow于1954年提出的三联体密码子假说。 后续研究证实，遗传密码的基本单位确实是核苷酸三联体，称为三联体密码子(riple odo),简称 密码子(codo)。如表13-1所示，四种核苷酸一共组成64个密码子。其中61个编码20种不同的用于 肽链合成的氨基酸；另有3个不编码任何氨基酸，而作为肽链合成的终止密码子(terminator codon)。此 外，编码甲硫氨酸的密码子(AUG),还是肽链合成的起始信号，故也称为起始密码子(initiator codon)。 准确地讲，多肽链的氨基酸序列是由mRNA的编码区即开放阅读框所规定的。开放阅读框(open eading frame,ORF)是由很多密码子连续串联排列组成的一段编码区，第一个为起始密码子，最后 为终止密码子。多肽链合成时，翻译机器就是从起始密码子开始“阅读”，直至最后的终止密码子，按照 各密码子的排列顺序，将其依序解读为相应的氨基酸序列而合成多肽链。真核生物mRNA为单顺反 子，仅含有一个开放阅读框，故仅编码一条多肽链。原核生物mRNA为多顺反子，往往含有两个或多个 开放阅读框，编码多条多肽链。 表131遗传密码表 第二个核苷酸 第一个核苷酸(5端) 第三个核苷酸(3'端) G 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半晓氨配 亮氨明 丝氨酸 终止信号 终止信号 A 亮氨酸 丝氨酸 终止信号 值氨酸 亮氨酸 氨酸 组氨酸 精氨 亮氨假 脚氨酸 组氨假 精氨酸 亮氨酸 韩氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A 亮氨酸 氨酸 谷氨酰脑 精氨 异亮氨酸 苏氨醇 天冬酰胺 丝氨醇 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 ·甲硫氨酸 苏氨 赖氨酸 精氨酸 额氨酸 丙氨的 天冬氨酸 甘氨酸 U 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨 甘氨酸 额氨醇 内氨再 谷氨酸 甘氨酸 指氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G 位于mRNA起始部位的AUG为肽链合成的起始信号。作为起始信号的AUG具有特殊性，在原核生物中此种密码子代表甲酰甲 破氨酸，在真核生物中代表甲硫氨酸】 (二)遗传密码的基本特点 1.方向性组成密码子的各碱基在mRNA序列中的排列具有方向性。翻译时的阅读方向只能从 5-端至3'端，即从mRNA的起始密码子AUG开始，按5'3'的方向逐一阅读，直至终止密码子。mRNA 阅读框中从5'端到3'-端排列的核苷酸顺序决定了肽链中从N端到C-端的氨基酸排列顺序（图13- IA)。 293
第三篇遗传信息传递及其调控 读码方向 mRNA A UC C CA CU CAA U C C CA U U 多肽创 Met Gly -Leu Asn Ala -Ile 一Po(降止密) 读码方 mRNA 多肽链 Met Gly -Leu-Thr Cy-Asp 2.连续性mRNA的密码子之间没有间隔核苷酸。从起始密码子开始，密码子被连续阅读，直至终止 密码子出现。由于密码子的连续性，在开放阅读框中发生插人或缺失1个或2个碱基的基因突变，都会 起mRNA开放阅读框发生移动，称为移码(rame shift),使后续的氨基酸序列大部分被改变（图13-1B),其 编码的蛋白质彻底丧失功能，称之为移码突变(frameshift mutation):如同时连续插入或缺失3个碱基，则只 会在蛋白产物中增加1个或缺失1个氨基酸，但不会导致阅读框移位，对蛋白质的功能影响相对较小。 3.简并性64个密码子中有61个编码氨基酸，而氨基酸只有20种，因此有的氨基酸可由多个密 码子编码，这种现象被称为简并性(degeneracy)。例如，UUU和UUC都是苯丙氨酸的密码子，UCU、 UCC、UCA,UCC、ACU和AGC都是丝氨酸的密码子。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 do)。 为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子。多数情况下，同义密码子的 前两位碱基相同，仅第三位碱基有差异，即密码子的特异性主要由前两位核苷酸决定，如苏氨酸的密码 子是ACU、ACC、ACA,ACC。这意味着第三位碱基的改变往往不改变其密码子编码的氨基酸，合成的蛋 白质具有相同的一级结构。因此，遗传密码的简并性具有重要的生物学意义，它在某种程度上降低了有 害突变的出现频率，而且也可以使基因组DNA的碱基组成有较大的变动余地，利于物种稳定性的保持。 4.摆动性mRNA中的密码子能够与RNA的 反密码子通过碱基互补配对而相互识别结合。这 种碱基配对时并不严格遵循Watson-Crick碱基配对 5 原则，出现摆动(wobble)现象。此时mRNA密码子 的第1位和第2位碱基(5'→3)与tRNA反密码子 反席码环 的第3位和第2位碱基(5'-→3')之间仍为Watson RNA 一摆动位点 Ck配对，而反密码子的第1位碱基与密码子的第 3位碱基配对存在碱基配对摆动现象。 66 如某种RNA上的反密码子第1位为次黄嘌 mRNA A U C/U 呤(hypoxanthine,I),则可分别与mRNA分子中的 密码子 密码子第3位的A、C或U配对：反密码子第1位 国12反密子与密码于的识别方式与摆动配对 于2尚分解号的位的设营实 的U可分别与密码子第3位的A或G配对：反密 三位的C,也可以识别 配对（图13-2）。由此可见，摆动配对能使一种tRNA识别mRNA序列中的多种简并性密码子。 300
第十三章蛋白质的生物合成 5.通用性除个别例外，从细菌到人类都使用着同一套遗传密码，这就是遗传密码的通用性。这 一方面为地球上的生物来自同一起源的进化论提供了有力依据，另外也为在基因工程研究中利用细菌 等生物来制造人类蛋白质提供了依据。虽然遗传密码是通用的，但仍有个别例外。例如，对于哺乳类动 物的线粒体基因组来讲，有些密码子编码方式不同于通用遗传密码，如UG不代表终止信号而代表色 氨酸，CUA、AUA编码有所不同，此外终止密码子亦不一样。 二、转运氨基酸的工具 核苷酸序列与氨基酸序列不能直接匹配的问题，DNA双螺旋发现者之一Francis Crick于1956年天 才性地预见并提出“适配器假说”或称“连接物假说”(adaptor hypothesis),认为在氨基酸与模板mRNA 之间必然存在一个分子“适配器”，并指出该分子应该是不同于模板RNA的另一类RNA分子。该分子 后被证实就是tRNA。 RNA在蛋白质合成中具有重要作用。其结构中有两个关键部位，即氨基酸接受臂和反密码子环 这就赋予了RNA作为蛋白质合成原料即氨基酸的搬运工具以及作为RNA和mRNA之间分子“适配 器”的双重角色。 (一)氨基酸的运载工具 RNA是氨基酸的运载工具，它的一个关键功能部位就是位于其倒L型结构一端的氨基酸接受臂， 能够结合氨基酸，氨基酸与氨基酸接受臂的-CC末端的腺苷酸3羟基通过酯键连接。存在于细胞液 中的作为肽链合成原料的各种氨基酸都需要先与相应的tRNA结合，形成各种氨基酰RNA(aminoacyl: RNA),再被运载至核糖体，方可用于多肽链的合成。因此，RNA可以说是蛋白质合成原料即氨基酸的 运载工具或载体。 1,氨基酰-RNA合成酶参与肽链合成的氨基酸需要与相应的RNA结合，形成各种氨基酰 RNA,这也称为氨基酸的活化 该过程是由氨基酰RNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)所催化的耗能反应，每个氨基酸活化 需消耗2个来自ATP的高能磷酸键。总反应式如下： 氨基酸+RNA+ATP氨蒸酰NA合战酯氨基酰：RNA+ANMP+PP 该反应过程的主要步骤包括：①氨基酰RNA合成酶催化ATP分解为焦磷酸与AMP:②AMP,酶、氨 基酸三者结合为中间复合体（氨基酰-AMP-E),其中氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸基团以酸酐键相 连，成为活化的氨基酸：③活化氨基酸与tRNA分子的3'-CCA末端（氨基酸接受臂）上的腺苷酸的核糖 2'或3′位的游离羟基以酯键结合，形成相应的氨基酰RNA(图13-3)。 氨基酰-RNA 氨基酰-AM口 0-cu 腺限吟天H 0 -0E OH OH RNA 图133氨基酰RNA的形成 301
第三篇遗传信息传递及其调控 已知用干蛋白质合成的标准氨基酸右20种而口发现的RNA则多大数十种 一种氨基酸通常可 与2~6种对应的RNA特异性结合，与密码子的简并性相适应。能负载同一种氨基酸的不同RNA称 为同工tRNA(isoaccepting tRNA)。反过来讲，一种RNA只能转运一种特定的氨基酸。不同的tRNA的 命名采用右上标的不同氨基酸的三字母代号，如RNA"表示这是一种专门转运酪氨酸的RNA。 因为用于蛋白质合成的模板mRNA中的密码子不能直接识别与其对应的氨基酸，而只能通过 tRNA中反密码子的碱基互补配对相互识别。因此，氨基酸与相应tRNA的准确连接对于蛋白质的保真 至关重要。这主要由氨基酰RNA合成酶的高度专一性和校对活性实现 首先，氨基酰RNA合成酶具有高度专一性。每一种氨基酰tRNA合成酶既能特异性地识别其特异 的底物氨基酸，又能辨认应该结合该种氨基酸的一组同工RNA,从而保证这些同工RNA与特定氨基 酸的正确结合。 其次，氨基酰tRNA合成酶还有校对活性(proofre ding activity),能将错误结合的氨基酸水解释放 即将任何错误的氨基酰AMPE复合物或氨基酰-RNA的酯键水解，再换上与密码子相对应的氨基酸 改正反应的任一步骤中出现的错配，保证氨基酸和RNA结合反应的误差小于10+ 2.起始氨基酰-RNA无论是原核生物还是真核生物，编码甲硫氨酸(Mt)的密码子同时又都作为 起始密码子。目前已知，尽管同样都携带着Met,但结合在起始密码子处的Met-tRNA,与结合开放阅 读框内部的Met密码子的Mt-tRNA“在结构上是有差别的，是两种不同的RNA。结合于起始密码子 的属于专门的起始氨基酰-RNA。在原核生物，起始氨基酰-RNA是Met-RNA“,其中的Mt被甲酰 化，成为N甲酰甲硫氨酸(N,Mei)。在真核生物，具有起始功能的是RNA (initiator-tRNA),它与Met结合后，可以在mRNA的起始密码子AUG处就位，参与形成翻译起始复合 物。Mct-tRNA,和Met-RNA可分别被起始或延长过程起催化作用的酶和蛋白因子识别 (二)氨基酸与mRNA之间的分子“适配器” RNA是氨基酸与mRNA之间的分子“话配器”。除了氨基酸结合部位，RNA上另一重要功能部位 是位于其倒L型结构另一端的反密码子环。这可使tRNA凭借反密码子环中的反密码子与mRNA上的 密码子通过碱基互补配对作用相互识别结合。这就不难推断，不同的RNA特异性地与特定氨基酸结 合，而后在核糖体通过其反密码子与mRNA模板上的密码子配对结合，从而使不同的氨基酸按照mRNA 莫板中不同的密码子依序装配出相应的多肽陆，这就解决了氨基酸无法言接与蛋白质合成模板RNA 中的密码子匹配的问题。形象地说，tRNA不仅是氨基酸的运载工具，而且还是连接氨基酸与mRNA密 码子之间的分子“适配器”(adaptor)。RNA的分子“适配器”作用观点最早由Francis Crick于1957年 天才性地提出。因此，tRNA作为mRNA和蛋白质分子之间的信息桥梁，充当着氨基酸和核苷酸两种语 言的转换分子的重任。 三、多肽链合成的场所 延伸中的多肽链 NH 合成肽链所需要的mRNA与RNA结合 肽酸RNA 肽键形成等过程全部是在核糖体上完成的。核 转肽酶中心 糖体类似于一个移动的多肽链“装配 ,沿 空载RNA 氢基酰-RN 模板mRNA链从5'端向3'端移动。在此期间 携带着各种氨基酸的RNA分子依据密码子与 反密码子配对关系快速进出其中，为延长的肽 链提供氨基酸原料：肽链合成完毕，核糖体立刻 AMcE山 离开mRNA分子 原核生物的核糖体上有A位、P位和E位 E位P位A位 这3个重要的功能部位（图134），在肽链合成 中，分别作为氨基酰RNA进人的位置、肽酰 核糖体移动方向 RNA结合的位置和空载tRNA排出的部位。 图13.4核糖体在翻译中的功能部位 30e