第十二章

蛋白質的生物合成

（翻譯）

ProteinBiosynthesis，Translation

蛋白質的生物合成，即翻譯，就是將核酸中由4種核苷酸序列編碼的遺傳信息，通過遺傳密碼破譯的方式解讀為蛋白質一級結構中20種氨基酸的排列順序。20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIFATP、GTP、無機離子參與蛋白質生物合成的物質包括

三種RNAmRNA（messengerRNA,信使RNA）rRNA（ribosomalRNA,核蛋白體RNA）tRNA（transferRNA,轉移RNA）一、翻譯模板mRNA及遺傳密碼mRNA是遺傳信息的攜帶者遺傳學將編碼一個多肽的遺傳單位稱為順反子(cistron)。原核細胞中數個結構基因常串聯為一個轉錄單位，轉錄生成的mRNA可編碼幾種功能相關的蛋白質，為多順反子(polycistron)

。真核mRNA只編碼一種蛋白質，為單順反子(singlecistron)

。

原核生物的多順反子真核生物的單順反子非編碼序列核糖體結合位點起始密碼子終止密碼子編碼序列PPP5

3

蛋白質PPPmG-5

3

蛋白質目錄遺傳密碼的破譯遺傳密碼：DNA或mRNA中的核苷酸序列與多肽鏈中的氨基酸序列之間的對應關系。

遺傳密碼：指DNA或由其轉錄的mRNA中決定其編碼的蛋白質氨基酸排列順序的核苷酸排列信息。

1968年諾貝爾生理學或醫學獎

——解讀了遺傳密碼及其在蛋白質合成方面的機能

霍利

RobertW．Holley

美國分子生物學家

康奈爾大學

1922～1993

科拉納

HarGobindKhorana

美國生物化學家

威斯康星大學

1922～

尼倫伯格

MarshallW．Nirenberg

美國生化遺傳學家

國立衛生研究院

1927～2010mRNA上存在遺傳密碼mRNA分子上從5

至3

方向，由AUG開始，每3個核苷酸為一組，決定肽鏈上某一個氨基酸或蛋白質合成的起始、終止信號，稱為三聯體密碼(tripletcoden)。起始密碼(initiationcoden):AUG

終止密碼(terminationcoden):UAA，UAG，UGA

從mRNA5

端起始密碼子AUG到3

端終止密碼子之間的核苷酸序列，各個三聯體密碼連續排列編碼一個蛋白質多肽鏈，稱為開放閱讀框架(openreadingframe,ORF)。

1.連續性(commaless)遺傳密碼的特點編碼蛋白質氨基酸序列的各個三聯體密碼連續閱讀，密碼間既無間斷也無交叉。2.偏愛性(preference)

3.簡并性(degeneracy)遺傳密碼中，除色氨酸和甲硫氨酸僅有一個密碼子外，其余氨基酸有2、3、4個或多至6個三聯體為其編碼。4.通用性(universal)蛋白質生物合成的整套密碼，從原核生物到人類都通用。已發現少數例外，如動物細胞的線粒體、植物細胞的葉綠體。密碼的通用性進一步證明各種生物進化自同一祖先。

5.擺動性(wobble)轉運氨基酸的tRNA的反密碼子需要通過堿基互補與mRNA上的遺傳密碼反向配對結合，但反密碼子與密碼子間不嚴格遵守常見的堿基配對規律，稱為擺動配對。二、核糖體是多肽鏈合成的裝置原核生物真核生物核糖體小亞基大亞基核糖體小亞基大亞基S70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA5S-rRNA23S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5S-rRNA5.8S-rRNA蛋白質rpS21種rpL34種rpS33種rpL49種

不同細胞核糖體的組成核糖體的組成目錄原核生物翻譯過程中核糖體結構模式:A位：氨基酰位(aminoacylsite)P位：肽酰位(peptidylsite)E位：排出位(exitsite)目錄

三、tRNA與氨基酸的活化反密碼環氨基酸臂tRNA的三級結構示意圖氨基酸+tRNA氨基酰-tRNAATP

AMP＋PPi氨基酰-tRNA合成酶（一）氨基酰-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNAsynthetase)

氨基酸的活化第一步反應氨基酸＋ATP-E—→氨基酰-AMP-E

＋PPi

目錄第二步反應氨基酰-AMP-E＋

tRNA↓

氨基酰-tRNA＋AMP

＋

E目錄tRNA與酶結合的模型tRNA氨基酰-tRNA合成酶ATP氨基酰-tRNA合成酶對底物氨基酸和tRNA都有高度特異性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreadingactivity)。氨基酰-tRNA的表示方法：Ala-tRNAAla

Ser-tRNASerMet-tRNAMet

真核生物：Met-tRNAiMet原核生物：fMet-tRNAifMet（二）起始肽鏈合成的氨基酰-tRNA翻譯的起始(initiation)翻譯的延長(elongation)翻譯的終止(termination)整個翻譯過程可分為：翻譯過程從閱讀框架的5′-AUG開始，按mRNA模板三聯體密碼的順序延長肽鏈，直至終止密碼子出現。四、蛋白質生物合成過程(一）肽鏈合成起始指mRNA和起始氨基酰-tRNA分別與核糖體結合而形成翻譯起始復合物(translationalinitiationcomplex)。原核生物翻譯起始復合物形成核糖體大小亞基分離；mRNA在小亞基定位結合；起始氨基酰-tRNA的結合；核糖體大亞基結合。S-D序列

因澳大利亞學者夏因(Shine)和達爾加諾(Dalgarno)兩人發現該序列的功能而得名。信使核糖核酸(mRNA)翻譯起點上游與原核16SrRNA3′端富含嘧啶的7核苷酸序列互補的富含嘌呤的3～7個核苷酸序列(AGGAGG)，是核糖體小亞基與mRNA結合并形成正確的前起始復合體的一段序列。

IF-3IF-11.核糖體大小亞基分離目錄AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA在小亞基定位結合目錄IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)結合到小亞基AUG5'3'目錄IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核糖體大亞基結合，起始復合物形成AUG5'3'目錄IF-3IF-1AUG5'3'IF-2GTPIF-2-GTPGDPPi目錄真核生物翻譯起始復合物形成核糖體大小亞基分離；起始氨基酰-tRNA結合；mRNA在核糖體小亞基就位；核糖體大亞基結合。met40S60SMetMet40S60SmRNAeIF-2B、eIF-3、

eIF-6①elF-3②GDP+Pi各種elF釋放elF-5④ATPADP+PielF4E,elF4G,elF4A,elF4B,PAB③MetMet-tRNAiMet-elF-2

-GTP真核生物翻譯起始復合物形成過程（二）肽鏈合成延長指根據mRNA密碼序列的指導，次序添加氨基酸從N端向C端延伸肽鏈，直到合成終止的過程。肽鏈延長在核糖體上連續性循環式進行，又稱為核糖體循環(ribosomalcycle)，每次循環增加一個氨基酸，包括以下三步：進位(entrance)成肽(peptidebondformation)轉位(translocation)延伸過程所需蛋白因子稱為延長因子(elongationfactor,EF)原核生物：EF-T(EF-Tu,EF-Ts)EF-G真核生物：EF-1、EF-2原核延長因子生物功能對應真核延長因子EF-Tu促進氨基酰-tRNA進入A位，結合分解GTPEF-1-αEF-Ts調節亞基EF-1-βγEF-G有轉位酶活性，促進mRNA-肽酰-tRNA由A位前移到P位，促進卸載tRNA釋放EF-2肽鏈合成的延長因子1進位指根據mRNA下一組遺傳密碼指導，使相應氨基酰-tRNA進入核糖體A位。

目錄延長因子EF-T催化進位（原核生物）

目錄TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsGTP目錄2成肽是由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。

3轉位

延長因子EF-G有轉位酶(translocase)活性，可結合并水解1分子GTP，促進核糖體向mRNA的3'側移動。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目錄進位轉位成肽真核生物肽鏈合成的延長過程與原核基本相似，但有不同的反應體系和延長因子。另外，真核細胞核糖體沒有E位，轉位時卸載的tRNA直接從P位脫落。真核生物延長過程（三）肽鏈合成的終止當mRNA上終止密碼出現后，多肽鏈合成停止，肽鏈從肽酰-tRNA中釋出，mRNA、核糖體等分離，這些過程稱為肽鏈合成終止。

終止相關的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)識別終止密碼，如RF-1特異識別UAA、UAG；而RF-2可識別UAA、UGA。釋放因子的功能原核生物釋放因子：RF-1，RF-2，RF-3

真核生物釋放因子：eRF原核肽鏈合成終止過程

UAG5'3'RFCOO-目錄多聚核糖體(polysome)——使蛋白質合成高速、高效進行。目錄電鏡下的多聚核糖體現象目錄（四）蛋白質的加工1蛋白質折疊新生肽鏈的折疊在肽鏈合成中、合成后完成，新生肽鏈N端在核糖體上一出現，肽鏈的折疊即開始。可能隨著序列的不斷延伸肽鏈逐步折疊，產生正確的二級結構、結構域到形成完整空間構象。一般認為，多肽鏈自身氨基酸順序儲存著蛋白質折疊的信息，即一級結構是空間構象的基礎。細胞中大多數天然蛋白質折疊都不是自動完成，而需要其他酶、蛋白輔助。幾種有促進蛋白折疊功能的大分子1.分子伴侶(molecularchaperon)

熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族伴侶素(chaperonins)GroEL和GroES家族2.酶類蛋白二硫鍵