1、第十五章 蛋白質的合成第一節mRNA一、原核生物mRNA的結構二、真核生物mRNA的結構第二節遺傳密碼一、遺傳密碼的破譯二、遺傳密碼的特點第三節核糖體一、核糖體的結構與組成二、rRNA與核糖體蛋白的結構與功能(一)、rRNA的結構與功能(二)、核糖體蛋白的結構與功能第四節蛋白質合成的機理一、氨酰tRNA合成酶：氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成(一)、活化(二)、連接二、蛋白質合成的一般過程(一)、翻譯起始(二)、延伸(三)、終止(四)、翻譯后加工三、原核生物的蛋白質合成(一)、翻譯起始(二)、延伸1、新氨酰tRNA入位2、肽鍵形成（轉肽）3、核糖體移位。(三)、終止(四)、原核生物的翻譯后加工

2、1、切除加工2、糖基化3、甲基化4、磷酸化(五)、原核生物的翻譯調控四、真核生物的蛋白質合成(一)、翻譯起始(二)、延伸1、入位2、肽鍵形成（轉肽）3、移位(三)、終止(四)、真核生物的翻譯后加工1、切除加工2、糖基化3、羥基化4、磷酸化5、親脂修飾6、甲基化7、二硫鍵形成(五)、真核生物的翻譯調控1、mRNA向細胞質的運輸2、mRNA的穩定性3、翻譯的負調控4、起始因子磷酸化。5、translational frameshifting五、蛋白質合成后的定向轉運(一)、信號肽: 翻譯轉運同步機制(二)、翻譯后轉運機制（posttranslational translocation）六、蛋白質的

3、折疊對于終產物為RNA的基因，只要進行轉錄及轉錄后的處理，就完成了基因表達的全過程。而對于終產物是蛋白質的基因，還必須將mRNA翻譯成蛋白質。因此，蛋白質是基因表達的最終產物（基因表達的最終產物還包括tRNA、rRNA及其他RNA），蛋白質的生物合成過程實質上也是基因表達的一個過程，它包括轉錄和翻譯。從化學的角度講，蛋白質的合成就是20種基酸按照特定地順序聚合成多肽并按照一定的折疊機制折疊成最終的活性構象狀態。那么，我們要問，在生物體內是誰直接決定著蛋白質合成的氨基酸順序從而最終主宰了它的高級結構和功能的呢？mRNA。根據中心法則，DNA特定的堿基次序A、T、G、C就象一串密碼（稱為遺傳密碼）

4、，首先經過轉錄作用，DNA的A、T、G、C堿基序列嚴格按照堿基配對原則被復制成mRNA的A、U、G、C序列，于是mRNA就直接充當了蛋白質合成的模板，mRNA的A、U、G、C序列被轉變成蛋白質的氨基酸序列，這種轉變是一個質的飛躍，稱為翻譯，就好象把一種語言（堿基序列）翻譯成另一種語言（氨基酸序列）。那么在翻譯過程中就有兩個關鍵性地問題：（1）遺傳密碼（堿基序列）到底是怎樣決定氨基酸序列的呢？也就是說什么樣的堿基序列決定什么樣的氨基酸序列呢？（2）通過什么樣的方式或機制實現堿基序列到氨基酸序列的轉變？因為氨基酸不能與堿基配對，因此一個堿基序列顯然不能象轉錄一樣簡單地直接轉換成氨基酸序列，而必須通

5、過一種中間分子（又稱接頭分子）的媒介作用來實現，而且這種接頭分子要能同時識別堿基序列和它所決定的氨基酸序列。這種接頭就是tRNA分子。需要指出的是蛋白質的合成是一個復雜的過程，包括翻譯、翻譯后加工和定向輸送以及正確折疊，而且到現在為止，其中的許多重要方面仍在研究之中。真核生物蛋白質的合成，需要300多種生物大分子協同工作：核糖體RNA及結合蛋白、各種酶、各種tRNA、加工修飾酶等。蛋白質合成的場所：標記各種a.a，注入大鼠體內，在不同時間取出肝臟，勻漿，離心分離各種亞細胞器，分析放射性蛋白的分布，證實蛋白質的合成是在核糖體上進行的。首先認識一下mRNA、遺傳密碼、和核糖體，然后再深入學習蛋白質

6、合成的細節過程。第一節 mRNAmRNA的概念首先是由F.Jacob和J.Monod1965年提出來的因為當時已經知道編碼蛋白質的遺傳信息載體是在細胞核中，而蛋白質的合成是在細胞質中，于是就推測，應該有一種中間信使在細胞核中合成后攜帶上遺傳信息進入細胞質中指導蛋白質的合成，后來經過眾多科學家的實驗，發現了除rRNA和tRNA之外的第三種RNA,它起著這種遺傳信息傳送的功能, 稱為信使RNA(mRNA)。mRNA的半衰期很短,很不穩定,一旦完成其使命后很快就被水解掉。原核生物和真核生物mRNA的結構差異教大，尤其是在5端。一、 原核生物mRNA的結構（1） 5端SD序列P404-P405在起始密

7、碼子AUG上游9-13個核苷酸處，有一段可與核糖體16S rRNA配對結合的、富含嘌呤的3-9個核苷酸的共同序列，一般為AGGA，此序列稱SD序列。它與核糖體小亞基內16S rRNA的3端一段富含嘧啶的序列 GAUCACCUCCUUA-OH（暫稱反SD序列）互補，形成氫鍵。使得結合于30S亞基上的起始tRNA能正確地定位于mRNA的起始密碼子AUG。（2） 原核mRNA分子，許多是多順反子。轉譯時，各個基因都有自己的SD序列、起始密碼子、終止密碼子，分別控制其合成的起始與終止，也就是說，每個基因的翻譯都是相對獨立的。如E.coli，一個7000b的mRNA編碼5種與Trp合成有關的酶二、 真核

8、生物mRNA的結構（1） 真核生物mRNA5端均具有m7GpppN帽子結構，無SD序列。帽子結構具有增強翻譯效率的作用。若起始AUG與帽子結構間的距離太近（小于12個核苷酸），就不能有效利用這個AUG，會從下游適當的AUG起始翻譯。當距離在17-80個核苷酸之間時，離體翻譯效率與距離成正比。（2） 真核生物mRNA通常是單順反子。真核mRNA具有“第一AUG規律”，即當5端具有數個AUG時，其中只有一個AUG為主要開放閱讀框架的翻譯起點。起始AUG具有二個特點：（1）AUG上游的-3經常是嘌呤，尤其是A。（2）緊跟AUG的+4常常是G。起始AUG鄰近序列中，以ANNAUGGN的頻率最高。若-3

9、不是A，則+4必須是G。無此規律的AUG，則無起始功能。有關mRNA發現及其證實的細節看書P391.第二節 遺傳密碼我們已經知道,多肽上氨基酸的排列次序最終是由DNA上核苷酸的排列次序決定的，而直接決定多肽上氨基酸次序的是mRNA上的核苷酸的排列次序,不論是DNA還是mRNA都是由4種核苷酸構成，而組成多肽的氨基酸有20種,顯然,必須是幾個核苷酸的組合編碼一個氨基酸才能應付局面.用數學方法很容易算出,如果每2個核苷酸編碼1個氨基酸,那么4種核苷酸只有16中編碼方式，顯然不行,如果每3個核苷酸編碼1個氨基酸,則有64種編碼方式,很理想,如果4對1則有256種,太沒必要也太復雜了,時刻記住生物體是

10、一個最理想的體系.而且科學家們用生物化學實驗已經證實是3個堿基編碼1個氨基酸,稱為三聯體密碼或密碼子。那么讓我們看一下遺傳密碼是如何破譯的。一、 遺傳密碼的破譯在遺傳密碼的破譯中,美國科學家M.W.Nirenberg等人做出了重要貢獻 ,并于1968年獲得了諾貝爾生理醫學獎.早在1961年，M.W.Nirenberg等人在大腸桿菌的無細胞體系中外加poly(U)模板、20種標記的氨基酸，經保溫后得到了多聚phe-phe-phe，于是推測UUU編碼phe。利用同樣的方法得到CCC編碼pro，GGG編碼gly，AAA編碼lys。如果利用poly（UC），則得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推

11、測UCU編碼Ser，CUC編碼Leu，因為poly（UC）有兩種讀碼方式：UCUCUC和CUCUCU采用這種方式，到1965年就全部破譯了64組密碼子，見表P394。二、 遺傳密碼的特點在64個密碼子中有61個編碼氨基酸，3個不編碼任何氨基酸而起肽鏈合成的終止作用，稱為終止密碼子，它們是UAG、UAA、UGA，密碼子AUG（編碼Met）又稱起始密碼子。密碼子：mRNA上由三個相鄰的核苷酸組成一個密碼子，代表肽鏈合成中的某種氨基酸或合成的起始與終止信號。（1）方向性：從mRNA的5到3（2）連讀性編碼一個肽鏈的所有密碼子是一個接著一個地線形排列，密碼子之間既不重疊也不間隔，從起始密碼子到終止密碼

12、子構成一個完整的讀碼框架（不包括終止子），又稱開放閱讀框架（ORF）。那么如果在閱讀框中插入或刪除一個堿基就會使其后的讀碼發生移位性錯誤（稱為移碼）。需要指出的是，兩個基因之間或兩個ORF之間可能會互相部分重疊（共用部分序列）。（3）簡并性幾種密碼子編碼一種氨基酸的現象稱為密碼子的簡并性。如GGN（GGA、GGU、GGG、GGC）都編碼Gly，那么這4種密碼子就稱為Gly的簡并密碼。只有Met和Trp沒有簡并密碼。一般情況下密碼子的簡并性只涉及第三位堿基。­ 問題：簡并性的生物學意義？A、可以降低由于遺傳密碼突變造成的災難性后果試想，如果每種氨基酸只有一個密碼子，那么剩下的44個密碼

13、子都了終止子，如果一旦哪個氨基酸的密碼子發生了單堿基的點突變，那么極有可能造成肽鏈合成的過早終止。如GUU編碼Ala，由于簡并性的存在，不論第三位的U變成什么，都仍然編碼AlaB、可以使DNA上的堿基組成有較達的變化余地，而仍然保持多肽上氨基酸序列不變（意思基本同上）。（4）搖擺性 密碼子中第三位堿基與反密碼子第一位堿基的配對有時不一定完全遵循A-U、G-C的原則，也就是說密碼子的堿基配對只有第一、二位是嚴謹的，第三位嚴謹度低，Crick把這種情況稱為搖擺性，有人也稱擺動配對或不穩定配對。顯然，密碼子的第三位和反密碼子的第一位是搖擺位點。具體說來，反密碼子第一位的G可以與密碼子第三位的C、U配

14、對，U可以與A、G配對，另外反密碼子中還經常出現罕見的I，可以和密碼子的U、C、A配對，這使得該類反密碼子的閱讀能力更強。見表P396­ 問題：細胞內有幾種tRNA？當遺傳密碼破譯后，由于有61個密碼子編碼氨基酸，于是人們預測細胞內有61種，但事實上絕大多數細胞內只有50種左右，Crick也正是在這種情況下提出了搖擺假說并合理解釋了這種情況。根據搖擺性和61個密碼子，經過仔細計算，要翻譯61個密碼子至少需要31種tRNA，外加1個起始tRNA，共需32種。但是，在葉綠體和線粒體內，由于基因組很小用到的密碼子少，那么，葉綠體內就有30種左右tRNAs，線粒體只有24種。（5）通用性：密

15、碼子在不同物種間幾乎是完全通用的。目前只發現線粒體和葉綠體內有列外情況，這也是如火如荼的轉基因的前提。但要注意的是不同生物往往偏愛某一種密碼子。 第三節 核糖體核糖體又稱核蛋白體，它是蛋白質合成的場所：標記各種a.a，注入大鼠體內，在不同時間取出肝臟，勻漿，離心分離各種亞細胞器，分析放射性蛋白的分布，證實蛋白質的合成是在核糖體上進行的。對于真核細胞來說，核糖體按其在細胞質中的位置分為游離核糖體（合成細胞質蛋白）和內質網核糖體（合成分泌蛋白和細胞器蛋白）。不論原核細胞還是真核細胞，一條mRNA可以被同時幾個核糖體閱讀，把同時結合并翻譯同一條mRNA的多個核糖體稱為多核糖體。一、 核糖體的結構與組

16、成核糖體是由核糖核酸（稱為核糖體核酸, rRNA）和幾十種蛋白質分子（核糖體蛋白）組成的一個巨大的復合體。不同類型生物中核糖體的結構高度保守，盡管其rRNA和核糖體蛋白的一級結構有所不同，但其三級結構卻驚人的相似。核糖體的大亞基上有兩個重要的位點：P位點是結合肽酰tRNA的肽酰基的位點，A位點是結合氨酰tRNA的氨酰基的位點。每個核糖體是由大小兩個亞基組成，每個亞基都有自己不同的rRNA和蛋白質分子，表P307二、 rRNA與核糖體蛋白的結構與功能(一)、 rRNA的結構與功能結構：有大量的莖環（發夾）結構，結構復雜，可能是核糖體的鋼筋骨架。功能：（1）蛋白質合成的施工平臺（骨架）（2）催化肽

17、鍵形成的轉移酶活性存在于23SrRNA上有人小心的去掉細菌核糖體的蛋白質組分，保持rRNA的相對完整性，發現蛋白質的合成仍可進行。（3）參與tRNA與mRNA的結合可能的情況是：mRNA先識別rRNA的特定序列并結合固定下來,然后tRNA再識別并固定到rRNA特定的部位，其反密碼子才與mRNA密碼子配對。已經知道16SrRNA上有一段序列與原核mRNA上的SD序列相結合。（4）在大小亞基的聚合中起重要作用（5）在翻譯的校正和翻譯的調控方面有重要功能（如可結合調控因子）總的來說，RNA分子似乎是整個核糖體的活躍的活性中心。(二)、 核糖體蛋白的結構與功能結構：大多數核糖體蛋白呈纖維狀（可能起骨架

18、作用），少數呈球狀（可能起生物功能）。功能：(1)維持核糖體的結構(2)新發現：一些核糖體蛋白具有DNA結（HeilixturnHeilix模塊）；還有些真核核糖體蛋白具有DNA修復功能問題：既然蛋白質是在核糖體中合成的，那么第一個核糖體中的蛋白組分又是怎樣合成的？第一個核糖體又是怎樣出現的？先有DNA還是先有蛋白質？大多數科學家越來越支持RNA起源論，既然核糖體中既有蛋白質又有RNA，那么徹底搞清楚核糖體的結構與功能及其起源也許會弄清生命的起源和演化。RNA起源論：第一個生活細胞里出現的是RNA分子，他同時具有信息儲藏和生物演化的雙重特性，也就是說既可以在一定程度上復制自己，又可以催化一些最

19、初的生化反應，后來，隨著活細胞的進化，DNA逐漸出現并成為更為穩定的遺傳信息儲存分子。第四節 蛋白質合成的機理真核生物和原核生物在蛋白質合成方面有許多共同之處，因此，我們先學習蛋白質合成的一般過程，然后分別看一下原核和真核蛋白質合成的具體過程。游離氨基酸在摻入肽鏈以前必須活化以獲得額外的能量，每一種游離氨基酸首須在專一的氨酰tRNA合成酶的幫助下與專一的tRNA相連（有人稱裝載，LOAD），然后由tRNA負責將它帶到核糖體上的特定位點（A位點上）并添加到正在合成的肽鏈C末端，這種從游離氨基酸到形成氨酰tRNA的過程既是氨基酸的活化過程，也是肽鏈每合成一步或延伸一步的必經準備階段。下邊我們先看一

20、下這個過程是怎樣完成的？一、 氨酰tRNA合成酶：氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白質生物合成的第一步，由氨酰tRNA合成酶催化。氨酰tRNA合成酶既能識別氨基酸，又能識別tRNA。(一)、 活化在Mg2+的存在下，氨酰tRNA合成酶首先識別并結合專一的配體氨基酸，然后氨基酸的羧基與細胞環境中的ATP發生反應形成一個酸酐型的高能復合物（氨酰AMP中間復合物）。該中間復合物暫時結合在酶上。酶/ Mg2+氨基酸 + ATP 氨酰AMP-酶 + PPI(二)、 連接由于氨酰tRNA合成酶上還存在專一的tRNA識別位點，因此特定的游離tRNA就會識別并結合到氨酰AMP

21、-酶復合物的活性部位，此時氨基酸就會被轉移到tRNA的3端，其羧基與tRNA 3端的自由-OH形成氨酰酯鍵，從而形成氨酰tRNA，這也是一個高能化合物，其能量足以形成肽鍵。由于氨酰tRNA能量低于氨酰AMP，所以這一過程是可以自發的。 tRNA氨酰AMP-酶 氨酰tRNA + AMP + 酶氨基酸一旦與tRNA形成氨酰tRNA后進一步的去向就由tRNA來決定了，tRNA憑借自身的反密碼子與mRNA上的密碼子相識別，從而把所攜帶的氨基酸送到肽鏈的 一定位置上。每一個密碼子對應的肽鏈位置上都能摻入正確的氨基酸。結論：（1）氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白質生物合成的第一步，每一種氨基酸在被摻

22、入肽鏈之前都首先被活化和連接在專一tRNA上，活化和連接都發生在氨基酸的羧基上。（2）載體tRNA憑借自身的反密碼子與mRNA上的密碼子相識別而把所攜帶的氨基酸送到肽鏈的一定位置上（3）遺傳信息是通過mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子間堿基配對作用翻譯出來的 。氨酰tRNA合成酶：每一種氨基酸都有至少一種專一的氨酰tRNA合成酶，它即能識別氨基酸，又能識別tRNA，從而把特定的氨基酸連到對應的tRNA上，有人也把氨酰tRNA合成酶的雙向識別功能稱為第二遺傳密碼。不同的氨酰tRNA合成酶在分子量、氨基酸序列、亞基組成上差異較大。它是如何識別氨基酸的呢？仍不甚清楚。一些氨基酸由于結構上的顯著

23、特征容易識別如大小不同（Trp與Gly），帶正負電荷（lys,asp），而一些氨基酸結構極其相似，如Ile 與Val 僅差一個甲基。盡管如此tRNAIle合成酶也能正確識別，但有時也能錯誤的形成Val tRNAIle，但是每一種氨酰-tRNA合成酶都有一個校正位點，由于大小原因，只有ValtRNAIle才能結合到校正位點，然后合成酶將Val又從tRNAIle上將其水解下來。氨酰-tRNA合成酶還能正確的識別和結合tRNA，對于一些酶來說，tRNA上的反密碼子是其識別特征，此外，tRNA上的受體莖環（acceptor stem）也是識別特征。tRNA分子的突變與校正基因可以說tRNA是一個萬能接

24、頭：（1）對氨酰- tRNA合成酶的識別位點（接頭合成酶）（2）3端-CCA上的氨基酸運載位點（接頭氨基酸，裝載）（3）對核糖體的識別位點（將氨基酸運送到目的地）（4）反密碼子位點（接頭MRNA，驗貨并卸載）同復突變：突變型生物有時重所獲得其原有的性狀，這是通過突變型遺傳物質的化學變化而發生的。這種變化使遺傳物質恢復到有功能的狀態，重所獲得原有的表型，這種過程稱為回復，被回復的生物稱為回復子。回復突變的原因很多，其中有一種回復突變是由其在基因上發生一個突變引起的，這稱為基因校正突變。大多數較正突變發生在tRNA基因上。舉例：基因間校正突變圖當有某種tRNA突變分子出現時，必定還有可以識別正常密

25、碼子的該種tRNA存在。二、 蛋白質合成的一般過程蛋白質合成的一般過程如圖18.3，可以分為三個階段：起始、延伸、終止，分別由不同的起始因子、延伸因子和終止因子（釋放因子）參與。(一)、 翻譯起始（1）小亞基與mRNA結合（2）起始氨酰tRNA進入P位點，它的反密碼子與mRNA上的起始密碼子AUG堿基配對。（3）大亞基與小亞基結合形成起始復合物。(二)、 延伸 方向：mRNA 5/ 3/ 新生肽： N/ C/（1）就位：第二個氨酰tRNA通過密碼子反密碼子的配對作用進入核糖體的A位點（氨基位點）。（2）轉肽：在大亞基上肽酰轉移酶（peptidyl transferase）的作用下，A位點氨基酸

26、的A-氨基親核攻擊P位點氨基酸的羧基基團并形成肽鍵，結果兩個氨基酸均連到了A位點的tRNA上，該過程稱為轉肽作用（transpeptidation），此時，P位點上卸載的tRNA從核糖體上離開。（3）移位（translocation，也可稱轉位）：核糖體沿著mRNA移動1個密碼子位置，攜帶肽鏈的tRNA轉位到P位點，A位點空出以便接納下一個氨基酸。(三)、 終止由于終止密碼子不能結合任何氨酰tRNA，于是肽鏈合成的終止因子（又稱釋放因子）識別并結合到終止密碼子上，接著肽轉移酶的酯化酶功能轉變成水解功能，將肽鏈從P位點tRNA上水解掉，核糖體釋放掉mRNA并解體成大小亞基，翻譯結束。在翻譯過程中

27、除了核糖體大小亞基、 mRNA和氨酰tRNA外，還需要GTP和許多蛋白輔助因子。這些輔助因子有的起催化作用，有的起改變和穩定構象作用。(四)、 翻譯后加工不論原核生物還是真核生物，翻譯完成后，一些肽鏈能直接折疊成最終的活性形式，不需要加工修飾，然而經常的情況是新生肽鏈需要加工修飾（稱為翻譯后加工或修飾）包括：（1）切除部分肽段（蛋白酶）、（2）在特定氨基酸殘基的側鏈上添加一些基團（共價修飾）、（3）插入輔因子，還有些單肽要聚合成多亞基蛋白。翻譯后加工有兩方面目的：（1）功能需要（2）定向轉運的需要（這在真核生物中尤為復雜，合成的蛋白要定向運輸到細胞質、質膜、各種細胞器如葉綠體、線粒體、溶酶體、

28、過氧化物酶體等）。盡管原核生物與真核生物在蛋白質合成方面有許多相似之處，但也存在差異，這些差異正是一些抗生素治療和研究應用的基礎。見表18.2表18.2 蛋白質合成的選擇性抗生素抑制劑抗生素作用氯霉素與50S亞基結合，抑制原核肽轉移酶cycloheximide抑制真核肽轉移酶活性Erythromycin抑制原核肽鏈延伸鏈霉素、卡那霉素結合到原核30S亞基上引起讀媽錯誤，導致合成的多肽連一級結構改變Tetracycline與30S亞基結合，干擾氨酰tRNA的結合三、 原核生物的蛋白質合成原核生物（大腸桿菌）每秒鐘可翻譯20個氨基酸，比真核生物快得多，而真核生物每分鐘才大約50個氨基酸。(一)、

29、翻譯起始（圖18.5）翻譯是從形成起始復合物開始的，在原核生物中該過程需要三個起始因子參與：IF1，IF2，和IF3。（IF1的功能尚不清楚）。（1）IF3首先結合在30S亞基上，防止它過早地與50S亞基結合。（2）mRNA結合到30S亞基上。原核mRNA上在距起始密碼子上游約10bp處有一段很短的（約10bp）富含嘌呤的區域稱為SD序列，它能與30S亞基上的16S rRNA 3端的一段互補序列（不妨稱反SD序列）配對結合，mRNA正是通過其SD序列與16S rRNA的配對結合而使它處于核糖體上的恰當的位置，并使起始密碼子AUG處于P位點。SD序列與16S rRNA的配對還為識別起始密碼子和M

30、et密碼子提供了一種機制。原核多順反子mRNA上的每一個基因都有自己的SD序列、起始密碼子和終止密碼子，每一個基因的翻譯都是相對獨立的。（3）IF2 、fMet-tRNAfmet結合到30S亞基上IF2是一個GTP結合蛋白，它先與30S亞基結合并促使起始氨酰tRNA的密碼子與mRNA 上的AUG結合（P位點）。原核生物的起始氨酰tRNA是N甲酰甲硫氨酰tRNA（fMet-tRNAfmet ）。（4）50S大亞基結合到30S小亞基上，形成起始復合物。GTP水解成GDP釋放的能量引起30S亞基構象變化，50S亞基結合到30S亞基上，同時IF2和IF3釋放。因此，原核生物肽鏈合成的起始復合體由mRN

31、A、70S核糖體、fMet-tRNAfMet組成。(二)、 延伸肽鏈延伸分三步進行：（1）新的氨酰tRNA進入核糖體的A位點；（2）肽鍵形成（轉肽）；（3）核糖體移位（轉位）。這三步構成了肽鏈延伸的一個循環。1、 新氨酰tRNA入位圖18.6首先，在進入A位點之前，新氨酰tRNA必須與延伸因子EFTUGTP結合。延伸因子EFTU是一個GTP結合蛋白，參與氨酰RNA的就位。氨酰RNA就位后，EFTUGTP水解，EFTUGDP從核糖體上釋放下來，在第二個延伸因子EFTs幫助下EFTuGDP釋放掉GDP并重新結合一分子GTP再生成EFTuGTP。2、 肽鍵形成（轉肽）肽鍵是在肽酰轉移酶催化下形成的，

32、現在認為肽酰轉移酶活性存在于50S亞基23S rRNA上。驅動肽鍵形成的能量由P位點上的氨基酸與它的tRNA的高能肽酰酯鍵提供。新肽鍵形成后P位點卸載的tRNA就離開核糖體。3、 核糖體移位。移位需要另一個GTP結合蛋白EFG（延伸因子，又叫移位酶）的參與。現在認為，GTP水解成GDP時釋放出的能量促使核糖體構象發生變化，驅動肽酰tRNA從位點移動到位點。空下的位點等待接納下一個氨酰tRNA 。EFTu：機動蛋白（motor protein）多亞基的復合體（如核糖體）就象一個生化機器。它由幾個相互作用的工作部件組成。機械性的工作是力與距離的產物。每一個生化機器的設計都能非常準確地保證所施用的力

33、的量、所產生運動的量與方向，最后完成一項特定的工作。其中的力通常由核苷酸結合蛋白提供，稱為NTPae，實質上是機動蛋白（motor protein，或稱機械化學轉換器 mechanochemical transducers ）因為NTP（ATP和GTP）的水解所造成的它自身構象的變化驅動了相連分子的構象向所需的方向轉變。這種NTP水解驅動的構象變化主要定位于一個固定化的結構單元（稱為開關）。EFTu就是一個廣泛研究的GTP結合機動蛋白。EFTu有三個結構域（ domain），域含有一個GTP結合位點和二個開關區，域通過一個柔軟的肽段與域相連。在結合GTP的活性狀態下（ EF-Tu-GTP），E

34、F-TU有一個aa-tRNA結合位點。aatRNA與 EF-Tu-GTP結合后的整個結構稱為三元復合體。EF-Tu的三個域都參與tRNA的結合。域的幾個氨基酸殘基與tRNA的TC環相互作用。aa-tRN的反密碼子從三元復合物上突出來，以便與mRNA的密碼子相互作用。在蛋白質合成時，EF-Tu-GDP（非活性狀態）與EF-Ts相互作用釋放出GDP，隨后域的GTP結合位點結合一分子GTP并改變域的兩個開關區的構象，結果使域與域靠近，形成個aatRNA結合縫（binding cleft）。一旦一個aatRNA結合到該裂縫中，三元復合物就進入核糖體，aatRNA的反密碼子與位點上mRNA D的密碼子可

35、逆結合，核糖體構象的變化觸發EF-Tu 的GTP結合位點的構象變化，隨后GTP水解使域與域分開，aatRNA被釋放下來，EF-TU-GDP離開核糖體。(三)、 終止當終止密碼子（UAA, UAG,UGA）進入位點時肽鏈合成就進入終止期。原核生物有三個釋放因子（RF-1, RF-2, RF-3）參與終止。RF1識別UAA和UAG，RF2識別UAA與UGA,RF3作用尚不清楚，可能促進RF1與RF2結合。這種識別過程需要GTP并改變了核糖體的構象，肽酰轉移酶的功能發生瞬時變化，轉變成酯酶功能，將連接肽鏈與P位點tRNA的肽酰酯鍵水解開，肽鏈從核糖體上釋放，mRNA與tRNA解離，核糖體解體。原核生

36、物蛋白質合成中的能量計算（合成一個二肽）ATPA（GTP）高能鍵甲酰-甲硫氨酰-tRNA合成ATP-AMP2起始（IF-2）GTP-GDP1第二個a.a-tRNA合成ATP-AMP2第二個a.a-tRNA進入核糖體（EF-TU）GTP-GDP1核糖體移位（EF-G）GTP-GDP1終止（？）GTP-GDP1合成二肽（形成一個肽鏈）需8個高能鍵，其后每加一個a.a需4個高能鍵。例：合成200個a.a殘基的多肽8+198×4=8004n=4×200=800（真核：起始多1個ATP和1個GTP）(四)、 原核生物的翻譯后加工一些新生肽鏈從核糖體上釋放下來后就直接折疊成最終的三維結

37、構。但多數情況下是新生肽要經過一系列的加工修飾，才具有功能。有關翻譯后加工修飾的許多信息都來自真核生物中的研究，但是原核細胞中的多肽也要經過幾種類型的共價修飾。1、 切除加工包括去掉N端的甲酰甲硫氨酸和信號肽序列。信號肽（Signal peptide），也叫引導肽（leader peptide），是決定多肽最終去向的一段序列，通常較短，典型情況下位于N端。在細菌中的一個例子就是多肽要插入細胞質膜必須借助信號肽序列。2、 糖基化盡管在原核生物中，絕大多數的復合糖是糖酯，但是，也有少量的糖蛋白的報道，例如Halobacterium細胞表面的糖蛋白，有關原核生物糖基化的機制及其功能都還不知道。3、

38、甲基化甲基轉移酶利用硫酰苷甲硫氨酸對特定蛋白進行甲基化修飾。在大腸桿菌和有關細菌中發現的一種甲基轉移酶能甲基化膜結合的化學受體蛋白的谷氨酸殘基。這種甲基轉移酶和另外一種甲基酯酶催化的甲基化/去甲基化過程在細菌趨化性的信號轉導中起重要作用。4、 磷酸化近年來，已經發現由蛋白激酶和蛋白磷酸化酶催化的蛋白質磷酸化/去磷酸化在原核生物中十分普遍。磷酸化/去磷酸化的意義還不太清楚。目前只知在細菌趨化性和氮代謝調空中有瞬間的磷酸化作用。(五)、 原核生物的翻譯調控蛋白質的合成是一個非常耗能的過程。每形成一個肽鍵要消耗4個高能磷酸鍵（tRNA裝載2個，aa-tRNA入位1個，移位1個）。在大腸桿菌中，用于合

39、成的能量90%都給了蛋白質合成。因此，其合成必然要受到嚴格的調控。在原核生物中，蛋白質合成的調控多在轉錄的水平上（操縱子模型），有如下幾個原因：（1）轉錄與翻譯直接偶聯，轉錄后不久就開始翻譯，圖18.7（2）原核生物mRNA的半衰期很短，大約13分鐘，隨著環境條件的改變，細胞內產生的mRNA種類會迅速改變。大多數mRNA被兩種核酸外切酶降解：RNAaseII和多核苷酸磷酸化酶。除了轉錄調控機制外，mRNA翻譯速率也是調控位點。這種翻譯速率的調控大多是由于SD序列的差異造成翻譯起始效率的不同。因為SD幫助識別AUG和啟動翻譯的起始，因此SD序列的變化能影響翻譯的起始效率從而調控了mRNA的翻譯速

40、率。乳糖操縱子的基因產物有3個：-半乳糖苷酶，半乳糖透過酶，半乳糖苷轉甲基酶，各個順反子（即基因之間），常有一段非編碼的間隔區。不同間隔區的長度變化，可以在1-100個之間，甚至可以重疊。但是它們的翻譯量是不等的，硫代半乳糖苷轉甲基酶的量只有-半乳糖苷酶的1/5（硫代半乳糖苷酶的功能不清楚。乳糖發酵通常都是在不能產生它的突變細胞中進行的）。乳糖將縱子產物Z基因產物：半乳糖苷酶1Y基因產物：半乳糖透性粉0.5A基因產物：半乳糖乙酰化酶0.2除了SD序列的差異外，原核生物還有一種調控機制：相對過剩的蛋白質翻譯產物對自身多順販子mRNA翻譯的負調控。也就是說，多順販子mRNA的其中一個產物相對過剩時

41、能抑制整個多順販子mRNA的翻譯。圖18.8原核核糖體的55種蛋白質由20個操縱子編碼。細菌的良好生長要求這些蛋白質的合成之間及其與rRNA的合成之間協調起來。例如PL11操縱子編碼核糖體蛋白L1和L11，如果L1相對過剩就會占用了可利用的23SrRNA，結果抑制PL11mRNA的翻譯。在23SrRNA缺乏的情況下，L1蛋白也會結合在PL11mRNA的5端抑制自身操縱子的翻譯。結論：（1）原核生物蛋白質的合成相對較快，它需要起始因子IF-1、IF-2、I-3，延伸因子EF-TU、EF-TS、EF-G，釋放因子RF-1、RF-2、RF-3的參與。（2）盡管原核生物基因的表達多在轉錄水平上進行調控

42、，但翻譯水平上的調控也時有發生，包括SD序列對翻譯起始的調控和相對過剩的翻譯產物對自身多順反子mRNA翻譯的負調控。四、 真核生物的蛋白質合成蛋白質合成的研究最早是在哺乳動物細胞內進行的（入氨酰tRNA合成酶和tRNA的發現），但到60年代后注意力卻集中到了細菌。原因很簡單，細菌細胞易于培養，細菌基因的表達較簡單也易于操作。進入70年代后，真核細胞的蛋白質合成又變成了研究的熱點。真核細胞的蛋白質翻譯需要大量的蛋白因子，翻譯后加工和定向輸送比原核復雜得多。(一)、 翻譯起始真核的翻譯起始比原核尤為復雜，原因如下：（1）真核mRNA的二級結構更為多樣和復雜（2）真核mRNA是經過多重加工的，它被轉

43、錄后首先要經過各種加工才能從細胞核進入細胞質中，并形成各種各樣的二級結構。一些mRNA與幾種類型的蛋白質結合在一起形成一種復雜的顆粒狀，有時稱核糖核蛋白粒（ribonucleoprotein particle）,在翻譯之前，它的二級結構必須改變，其中的蛋白質必須被去掉。（3）核糖體需要掃描mRNA以尋找翻譯起始位點真核mRNA沒有SD序列來幫助識別翻譯起點，因此核糖體要掃描每一個mRNA。核糖體結合到mRNA的5端的帽子結構并向3端移動一尋找起始位點。這種掃描過程很復雜，知之甚少，真核的翻譯起始用到的起始因子（eIF）至少有9種 ，多數的功能仍需進步研究。翻譯起始物的形成過程如下：圖18.9（

44、1）40S小亞基-(eIF-3)結合到(eIF-2-GTP)-Met-tRNAi復合物上形成40S前起始復合物（40S preinitiation complex）這里，eIF-2-GTP介導了起始tRNA與40S小亞基的結合，然后eIF-2-GDP通過eIF-2B（鳥苷酸釋放蛋白）再生。此時，由于eIF-3和40S小亞基相結合，eIF-6和60S大亞基相結合，所以小亞基暫時還不能與大亞基相結合。（2）mRNA結合到40S前起始復合物上形成40S起始復合物。該過程需要ATP，另外還需要一些起始因子（eIF-4A、eIF-4B、eIF-4F、eIF-1）。eIF-4F結合在mRNA5端的帽子結構

45、上，eIF-4A（一種ATPase）和eIF-4B（一種helicase）改變mRNA的二級結構。對真核起始因子的鑒定發現一些起始因子是更大因子的組成亞基，如eIF-4E（也稱cap結合蛋白或CBP）就是由幾個eIF-4F亞基組成。（eIF-4F常稱為CBP）（3）40S起始復合物掃描mRNA尋找適當的起始密碼子（通常是5端附近的AUG）。（4）40S復合物與60S大亞基結合形成80S起始復合物。該過程另需1個GTP。此時，60S大亞基上的eIF-6已經被釋放。在形成復合物過程中，在eIF-5參與下，eIF-2-GTP水解成eIF-2-GDP。eIF-2，eIF-3，eIF-4A，eIF-4B

46、，eIF-4F，eIF-1從起始復合物上釋放。因此，真核生物肽鏈合成起始復合物由mRNA、80S核糖體和Met-tRNAiMet組成。與原核相比，真核起始多消耗了1個ATP（形成40S起始復合物）、1個GTP（形成80S起始復合物）。(二)、 延伸圖18.10與原核類似，也可分為aa-tRNA的入位、轉肽、移位三步反應。1、 入位50kD的延伸因子eEF-1-GTP與aa-tRNA結合，引導aa-tRNA進入A位點，aa-tRNA的反密碼子如果與mRNA的密碼子正確配對后eEF-1-GTP水解掉一個P，隨后eEF-1-GDP離開核糖體，留下aa-tRNA。在eEF-1、eEF-1的幫助下，eE

47、F-1-GDP再生為eEF-1-GTP。在真菌（如酵母）中，需要另一個延伸因子eEF-3與eEF-1共同引導aa-tRNA的入位。2、 肽鍵形成（轉肽）核糖體大亞基的肽酰轉移酶活性催化A位點-氨基親核攻擊P位點的aa的羧基，在A位點形成一個新的肽鍵。P位點上卸載的tRNA從核糖體上離開3、 移位移位需要一個100kD的延伸因子eEF-2-GTP。eEF-2-GTP結合在核糖體未知的位置上，GTP水解成釋放的能量使核糖體沿mRNA移動一個密碼子的位置，然后eEF-2-GDP離開核糖體。(三)、 終止真核細胞中有兩個釋放因子eRF-1和eRF-3（GTP結合蛋白）介導終止。當GTP結合到eRF-3

48、后它的GTPase活性就被激活，eRF-1和eRF-3-GTP形成一個復合物，當UAG，UGA，UAA進入A位點時，該復合物就結合到A位點上，接著GTP水解促使釋放因子離開核糖體，mRNA被釋放，核糖體解體成大小亞基，新生肽在肽酰轉移酶催化下被釋放。真核生物蛋白質合成中的能量計算（合成一個二肽）ATPA（GTP）高能鍵甲硫氨酰-tRNA合成ATP-AMP2起始（IF-2）2GTP-GDPATP-ADP3第二個a.a-tRNA合成ATP-AMP2第二個a.a-tRNA進入核糖體（eEF-1 -GTP）GTP-GDP1核糖體移位（eEF-2-GTP）GTP-GDP1終止（eRF-3-GTP）GTP

49、-GDP1合成二肽（形成一個肽鏈）需10個高能鍵，其后每加一個a.a需4個高能鍵。例：合成200個a.a殘基的多肽10+198×4=802（4n+2）=4×200+2=802(四)、 真核生物的翻譯后加工許多新生肽要經過一種或幾種共價鍵修飾，這種修飾可以在正延伸著的肽鏈中進行。一般情況下，翻譯后修飾一是為了功能上的需要，另一種情況是折疊成天然構象的需要。包括：1、 切除加工典型的情況包括切除N-端甲硫氨酸、信號肽序列和切除部分肽段將無活性的前體轉變成活性形式。我們知道，一些酶的前體（稱為前體酶proenzyme，或酶原zymegen）只有切除特定的肽段后才能從無活性形式轉變

50、成活性形式。無活性的多肽前體稱為前體蛋白（proprotein）圖18.11是胰島素的翻譯后加工包含信號肽的胰島素前體稱為前胰島素原（pre-proinsulin），去掉信號肽的胰島素的前體稱為胰島素原(proinsulin),進一步切除稱為C鏈的肽段后才能形成活性形式的胰島素（insulin）l 蛋白質內含子90年代初，發現了兩類新的內含子。一類是蛋白質內含子，其DNA序列與外顯子一起轉錄和翻譯，產生一條多肽鏈，然后從肽鏈中切除與內含子對應的a.a序列，再把與外顯子對應的氨基酸序列連接起來，成為有功能的蛋白質。另一類是翻譯內含子，mRNA中存在與內含子對應的核苷酸序列，在翻譯過程中這一序列被

51、“跳躍”過去，因此產生的多肽鏈不含有內含子對應的氨基酸序列。2、 糖基化真核生物中糖基化修飾很普遍，但是糖基基團的功能還不是十分清楚。通常情況下，分泌蛋白的寡糖鏈較復雜，而內質網膜蛋白含有較高的甘露糖。圖18.12是N-糖苷鍵型核心寡糖鏈的合成,它是在磷酸多萜醇上組裝成的（多萜醇存在于所有細胞的細胞膜上，磷酸化多萜醇主要存在于內質網膜）。3、 羥基化在結締組織的膠原蛋白和彈性蛋白中pro和lys是經過羥基化的。此外，在乙酰膽堿酯酶（降解神經遞質乙酰膽堿）和補體系統（參與免疫反應的一系列血清蛋白）都發現有4-羥輔氨酸。位于粗糙內質網（RER）上的三種氧化酶（脯氨酰-4-羥化酶，prolyl-4-

52、hydroxylase，脯氨酰-3-羥化酶和賴氨酰羥化酶，lysylhydroxylase）負責特定脯氨酸和賴氨酸殘基的羥化。脯氨酰-4-羥化酶只羥化-Gly-x-pro-，脯氨酰-3-羥化酶羥化Gly-pro-4-Hyp（Hyp:hydroxyproline），賴氨酸羥化酶只作用于-Gly-X-lys-，膠原蛋的脯氨酸殘基和賴氨酸殘基羥化需要Vc，飲食中Vc不足時就易患壞血癥（血管脆弱，傷口難愈），原因就是膠原纖維的結構不力（weak collagen fiber structure）。4、 磷酸化蛋白磷酸化參與代謝調控和信號轉導以及蛋白與蛋白之間的相互作用。例如，PDGF受體的酪氨酸殘基經

53、過自身磷酸化后才與細胞質定位蛋白質結合。5、 親脂修飾蛋白質親脂修飾后可以改變膜結合能力和特定的蛋白與蛋白之間的相互作用。最常見的親脂修飾是酰化和異戊二烯化。盡管豆蔻酸在真核細胞中很罕見，但是豆蔻酰化卻是最常見的酰化形式之一。N-豆蔻酰化（豆蔻酸以酰酰氨鍵形式共價連在肽鏈N端的殘基上）能增加特定G蛋白的 亞基對膜結合的、亞基的親和力。6、 甲基化通過甲基轉移酶進行。天冬氨酸的甲基化能促進已破壞蛋白的修復或降解，在2，3-二磷酸核酮糖羧化酶（rihilose-2,3-biosphosphate carboxylase）、鈣調蛋白（calmodulin）、組氨酸（histone）、某些核糖體蛋白和

54、細胞色素C中都有甲基化的賴氨酸殘基。其它可甲基化的氨基酸殘基還有His（如組蛋白、視紫紅質、eEF-2）、Arg（如休克蛋白、核糖體蛋白）。7、 二硫鍵形成二硫鍵通常只發現于分泌蛋白（如胰島素）和某些膜蛋白中，在細胞質中由于有各種還原性物質（如谷胱甘肽glutathione和硫氧還蛋白thioredoxin）所以細胞質蛋白沒有二硫鍵。因為內質網腔是一個非還原性環境，所以粗糙內質網上的新生肽只暫時形成二硫鍵。當新生肽進入內質網腔時，一些肽鏈可能會按氨基酸次序依次暫時形成二硫鍵，但最終會通過交換二硫鍵位置的形式形成正確的結構，內質網中可能還有一種二硫鍵異構酶（disulfide isomerase

55、）催化該過程。(五)、 真核生物的翻譯調控真核的翻譯調控非常復雜，總結起來有以下幾個方面：1、 mRNA向細胞質的運輸核膜創造的轉錄與翻譯的隔離為基因的表達提供了一個重要的調控機會。mRNA的加工（內含子切除）、mRNA向細胞質的運輸都是調控位點，mRNA向細胞質的運輸是一個受到嚴格控制的過程，并且它至少需要mRNA5端的帽子和3端的poly A尾巴。2、 mRNA的穩定性mRNA 的半衰期從20分鐘到24小時。在mRNA上有一些去穩定序列（destablization sequence）,它們的二級結構是核酸酶的底物，也有些穩定序列（stablization sequence）。特定蛋白與m

56、RNA上特定序列的結合能影響它的穩定性，3端的腺苷化核去腺苷化會影響它的穩定性核翻譯活性。在核中，mRNA被加工后運輸到細胞質時含有100200個polyA尾巴，當polyA縮減到30個以下時整個mRNA就會被降解。在特定條件下polyA能被選擇型地延長或縮短。3、 翻譯的負調控一些阻遏蛋白能結合在特定mRNA的5端阻止翻譯的進行，如鐵蛋白的合成。鐵蛋白是儲鐵的蛋白，主要發現于肝細胞中。鐵蛋白mRNA上有鐵應答元件（IRE），阻遏蛋白可以結合在上邊，當細胞中鐵濃度高時，那么大量的鐵原子就結合到阻遏蛋白上，使它從IRE上解離，鐵蛋白mRNA就可以被翻譯。4、 起始因子磷酸化。當遭遇熱休克、病毒感染、生長因子缺乏等逆境時，真核細胞eIF-2就發生磷酸化，大部分蛋白質的合成降低，而一些hsp核其它蛋白的翻譯增強，以應付熱休克和其他脅迫條件，但其機理還不清楚。5、 translational frameshifting一些mRNA似乎含有結構信息，在閱讀框內可以從+1或-1出開始閱讀，結果翻譯出兩條或多條多肽。這種情況常見于被反轉錄病毒翻然的細胞內。(6) 真核生物雙功能 mRNA極少數真核mRNA 上，可能從兩個不同AUG起始合成蛋白質。若兩個AUG屬于同一閱讀框，則形成兩個長短不同的蛋白質，其中有部分多肽完全相同。若兩個AUG處于不同的閱讀框中，則合成兩個序列完全不同的蛋白