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