第6章翻譯翻譯:

是蛋白質生物合成過程中的第一步。翻譯是根據遺傳密碼的中心法則，將成熟的mRNA分子中堿基的排列順序（核苷酸序列）解碼，并生成對應的特定氨基酸序列的過程。但也有許多轉錄生成的RNA，如tRNA、rRNA和snRNA等并不被翻譯為氨基酸序列。

翻譯分作三個階段：起始、延長、終止。翻譯主要在細胞質內的核糖體中進行，氨基酸分子通過tRNA被帶到核糖體上。生成的多肽鏈（即氨基酸鏈）需要通過正確折疊形成蛋白質，許多蛋白質在翻譯結束后還需要進行翻譯后修飾才能具有真正的生物學活性。mRNA的遺傳信息是來自于DNA，經由核糖體被各種tRNA所識別。tRNA可以識別mRNA上以三個核苷酸為代碼的密碼子，與它們相配的tRNA上的三個核苷酸被稱為反密碼子。帶有特定反密碼子的tRNA攜帶特定的氨基酸。因此通過翻譯機制，mRNA上的密碼子就可以被“翻譯”為對應的氨基酸。氨酰tRNA合成酶是催化將與tRNA相連的氨基酸連到一起組成蛋白質的酶。UCAGUUCAGTCAGATCGAUCAGUATCGAUCAARNADNA5’3’Directionoftranscription3’TCGA5’圖6.1轉錄時DNA可以直接作為生產RNA的模板，因為核糖體核苷酸能與脫氧核糖核苷酸結合6.1遺傳密碼mRNADirectionoftranslationAUCUCAGCGUUCA5’3’UGHistRNAUAlaNH2fMetCysNH2ACGAAUGCAUGAGCU圖6.2翻譯時RNA不能直接作為生產氨基酸模板遺傳密碼是一組規則，將DNA或RNA序列以三個核苷酸為一組的密碼子翻譯為蛋白質的氨基酸序列，以用于蛋白質合成。幾乎所有的生物都使用同樣的遺傳密碼，稱為標準遺傳密碼；即使是非細胞結構的病毒，它們也是使用標準遺傳密碼。但是也有少數生物使用一些稍微不同的遺傳密碼。圖6.3遺傳密碼UUUUUCUUAUUGCUUCUCCUACUGAUUAUCAUAAUG=MetGUUGUCGUAGUGUCUUCCUCAUCGCCUCCCCCACCGACUACCACAACGGCUGCCGCAGCGUAUUACUAA=StopUAG=StopCAUCACCAACAGAAUAACAAAAAGGAUGACGAAGAGUGUUGCUGA=StopUGG=TrpCGUCGCCGACGGAGUAGCAGAAGGGGUGGCGGAGGGUCAGUCAGPheLeuLeulleValAspGluAsnLysAlaGlySerArgArgHisGlnSerProThrTyrCysUCAGUCAGUCAGUCAGFirstposition(5’end)Thirdposition(3’end)Secondposition64種密碼子以及氨基酸的標準配對。第二位堿基UCAG第

一

位

堿

基UUUU(Phe/F)苯丙氨酸

UUC(Phe/F)苯丙氨酸

UUA(Leu/L)亮氨酸

UUG(Leu/L)亮氨酸

UCU(Ser/S)絲氨酸

UCC(Ser/S)絲氨酸

UCA(Ser/S)絲氨酸

UCG(Ser/S)絲氨酸

UAU(Tyr/Y)酪氨酸

UAC(Tyr/Y)酪氨酸

UAA終止

UAG終止

UGU(Cys/C)半胱氨酸

UGC(Cys/C)半胱氨酸

UGA終止

UGG(Trp/W)色氨酸

CCUU(Leu/L)亮氨酸

CUC(Leu/L)亮氨酸

CUA(Leu/L)亮氨酸

CUG(Leu/L)亮氨酸

CCU(Pro/P)脯氨酸

CCC(Pro/P)脯氨酸

CCA(Pro/P)脯氨酸

CCG(Pro/P)脯氨酸

CAU(His/H)組氨酸

CAC(His/H)組氨酸

CAA(Gln/Q)谷氨酰胺

CAG(Gln/Q)谷氨酰胺

CGU(Arg/R)精氨酸

CGC(Arg/R)精氨酸

CGA(Arg/R)精氨酸

CGG(Arg/R)精氨酸

AAUU(Ile/I)異亮氨酸

AUC(Ile/I)異亮氨酸

AUA(Ile/I)異亮氨酸

AUG(Met/M)甲硫氨酸,起始1

ACU(Thr/T)蘇氨酸

ACC(Thr/T)蘇氨酸

ACA(Thr/T)蘇氨酸

ACG(Thr/T)蘇氨酸

AAU(Asn/N)天冬酰胺

AAC(Asn/N)天冬酰胺

AAA(Lys/K)賴氨酸

AAG(Lys/K)賴氨酸

AGU(Ser/S)絲氨酸

AGC(Ser/S)絲氨酸

AGA(Arg/R)精氨酸

AGG(Arg/R)精氨酸

GGUU(Val/V)纈氨酸

GUC(Val/V)纈氨酸

GUA(Val/V)纈氨酸

GUG(Val/V)纈氨酸

GCU(Ala/A)丙氨酸

GCC(Ala/A)丙氨酸

GCA(Ala/A)丙氨酸

GCG(Ala/A)丙氨酸

GAU(Asp/D)天冬氨酸

GAC(Asp/D)天冬氨酸

GAA(Glu/E)谷氨酸

GAG(Glu/E)谷氨酸

GGU(Gly/G)甘氨酸

GGC(Gly/G)甘氨酸

GGA(Gly/G)甘氨酸

GGG(Gly/G)甘氨酸

遺傳密碼在纖毛蟲和線粒體中的改變

遺傳密碼的特點(1)遺傳密碼是三聯體密碼。(2)遺傳密碼無逗號。(3)遺傳密碼是不重迭的。(4)遺傳密碼具有通用性。(5)遺傳密碼具有簡并性(degeneracysynonyms)。(6)密碼子有起始密碼子和終止密碼子。

遺傳密碼的破譯1954年G.Gamov對破譯密碼首先提出了設想若一種堿基對應與一種氨基酸，那么只可能產生4種氨基酸;若2個堿基編碼一種氨基酸的話，4種堿基共有42=16種不同的排列組合;3個堿基編碼一種氨基酸，經排列組合可產生43=64種不同形式若是四聯密碼，就會產生44=256種排列組合。Codons

UCAGAminoAcidsaa1aa2aa3aa4Codons

UUUCUAUGCUCCCACGAUACAAAGGUGCGAGGAminoacidsaa1aa2aa3aa4aa5aa6aa7aa8aa9aa10aa11aa12aa13aa14aa15aa16FirstbaseUCAGSecondbase

UCAGUCAGUCAGUCAGCodonsUUUUUCUUAUUGUCUUCCUCAUCGUAUUACUAAUAGUGUUGCUGAUGGAminoacidsaa1aa2aa3aa4

aa5aa6aa7aa8

aa9aa10aa11aa12

aa13aa14aa15aa16SecondbaseUCAGThirdbase

UCAGUCAGUCAGUCAGFirstbaseU*IfeachcodonhasonebaseIfeachcodonhastwobasesIfeachcodonhasthreebases*CodonsandaminoacidsfromusingC,AorGasthefirstbasearenotlistedinthiscase.6.2原核生物翻譯機理核糖體是細胞內一種核糖核蛋白顆粒(ribonucleoproteinparticle)，主要由rRNA和蛋白質構成，其惟一功能是按照mRNA的指令將氨基酸合成蛋白質多肽鏈，所以核糖體是細胞內蛋白質合成的分子機器。

原核和真核生物核糖體的組成及功能核糖體亞基rRNAs蛋白RNA的特異順序和功能

細菌70S50S23S=2904b32種(L1-L32）含CGAAC和GTψCG互補2.5×106D5S=120b66%RNA30S16S=1542b21種(S1-S21)16SRNA(CCUCCU)和S-D順序(AGGAGG)互補

哺乳動物80S60S28S=4718b50種有GAUC和tRNAfMat的TψCG互補4.2×106D5S=120b60%RNA5.8S=160b

40S18S=1874b33種和Capm7G結合

圖6.4原核生物與真核生物核糖體的組成16SrRNA5SrRNA23SrRNA30Ssubunit50Ssubunit70Sprokaryoticribosome18SrRNA5SrRNA28SrRNA5.8SrRNA40Ssubunit60Ssubunit80SeukaryoticribosomeProkaryoticEukaryoticL2L3L32S1S2S3S21L132proteinsoflargesubunit(L1~L32)21proteinsofsmallsubunit(S1~S21)L2L3L50S1S2S3S33L150proteinsoflargesubunit(L1~L50)33proteinsofsmallsubunit(S1~S33)多聚核糖體：原核生物中帶有很多核糖體的mRNA稱為多聚核糖體。開放閱讀框（OpenReadingFrame）

就是直接翻譯成蛋白質的那段DNA序列。從atg開始到終止密碼子結束，中間沒有內含子。非翻譯區（UnTranslatedRegions)轉錄產物開頭和末尾不翻譯成蛋白質的那段序列。6.2.1起始

ACGAGGCTTTCTCCTCCTCCCTGCTCGGCCTCCATTCGCCGTCCGCGGTTCTCTCCACCG

AACAAGCTCACACATCAAGACAATAAATAGAGCCTCGTCTGTTTGGGGCCAATCAAACCA

AACAACAAGTTCATGTCTGATCTCGACGTCCAGGTTCCAACTGCTTTTGATCCGTTTGCT

M

S

D

L

D

V

Q

V

P

T

A

F

D

P

F

A

GAGGCAAATGCTGAGGACTCCGGCGCTGGTGCTGGATCAAAGAACTATGTGCATGTGCGT

E

A

N

A

E

D

S

G

A

G

A

G

S

K

N

Y

V

H

V

R

GTACAGCAGCGCAACGGAAGAAAGAGTCTGACAACTGTTCAGGGCTTGAAGAAAGATTAC

V

Q

Q

R

N

G

R

K

S

L

T

T

V

Q

G

L

K

K

D

Y

AGCTACAACAAGATTCTCAAGGATCTCAAAAAGGAGTTCTGCTGTAATGGTACTGTAGTC

S

Y

N

K

I

L

K

D

L

K

K

E

F

C

C

N

G

T

V

V

CAGGATCCAGAACTAGGCCAGGTCATTCAACTCCAAGGTGATCAGCGTAAAAATGTTGCT

Q

D

P

E

L

G

Q

V

I

Q

L

Q

G

D

Q

R

K

N

V

A

ACTTTTCTAGTTCAGGCTGGACTTGCAAAGAAAGAGAGCATCAAGATTCACGGATTTTAG

T

F

L

V

Q

A

G

L

A

K

K

E

S

I

K

I

H

G

F

*

GCAACACACAAATGCCCGTGTGCCGTCACCGAAGCCTGGAAGTTGTCATATACTTGGTATTGTCACATCTAAGACATTTGAATTGCTAGTAGTCGTGTGAGGCATCTGTGTTTGATGCACTTCTACACCAAGACATTTGAATTGGCATCGGTGTGTTGATGCAAGTTGTCCTTCACCATGGTTTGTATGCGCCACCAGTATGGCAGTATGGTTTATCCAGGTTAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA

羊草eIF1基因的全長cDNA圖6.5SD序列可以通過與16SrRNA雜交而被識別。SD序列標明了哪一個AUG應該作為起始密碼子。SDsequence5’-CAGUACGUC

UUGACCUAUGGACGAUCUU---mRNA16SrRNAin30SribosomalsubunitA?UG?CG?CA?UG?CG?CU?AUCUCGCUA3’StarttomakeproteinherefMetAspAspLeuSD序列（Shine-Dalgarnosequence）：mRNA中用于結合原核生物核糖體的序列。

SD序列在細菌mRNA起始密碼子AUG上游10個堿基左右處，富含嘌呤的堿基序列，能與細菌16SrRNA3’端識別，幫助從起始AUG處開始翻譯。在原核生物中，核糖體中與mRNA結合位點位于16SrRNA的3`端，mRNA中與核糖體16SrRNA結合的序列稱為SD序列(SDsequence)，它是1974年由J.Shine和L.Dalgarno發現的，故此而命名。SD序列是mRNA中5`端富含嘌呤的短核苷酸序列，一般位于mRNA的起始密碼AUG的上游3至11個核苷酸處，并且同16SrRNA3`端的序列互補。

tRNA的結構三葉草型的二維結構(1)各種tRNA均含有70~80個堿基，其中22個堿基是恒定的。(2)5’端和3’端配對（常為7bp）形成莖區，稱為受體臂（acceptorarm）或稱氨基酸臂。在3’端永遠是4個堿基（XCCA）的單鏈區，在其末端有2’-OH或3’-OH，是被氨基酰化位點。此臂負責攜帶特異的氨基酸。

(3)TψC常由5bp的莖和7Nt和環組成。此臂負責和核糖體上的rRNA識別結合；(4)反密碼子臂(anticodonarm)常由5bp的莖區和7Nt的環區組成，它負責對密碼子的識別與配對。(5)D環(Darm)的莖區長度常為4bp，也稱雙氫尿嘧啶環。負責和氨基酰tRNA聚合酶結合;(6)額外環(extraarm)可變性大，從4Nt到21Nt不等，其功能是在tRNA的L型三維結構中負責連接兩個區域（D環－反密碼子環和TψC-受體臂）。tRNA的三維結構圖6.6原核生物中N-甲酰甲硫氨酸連接的起始tRNA。CH3SCH2CH2CHCONHCHOfMetACCOOHCH2POOOAOOOHCH2POOOOCON-formylmethionine(fMet)ProkaryoticinitiatorfMet-tRNA5’5’3’3’4’2’1’圖6.730S起始復合體AUG5’3’mRNAfMetACCUAC???30SribosomalsubunitInitiationcodon30S起始復合體：30S亞基、mRNA和起始tRNA的集合稱為30S起始復合體。起始因子（initiationfactors,IF)參與蛋白質起始復合物的形成IF-1：

1.結合到30s亞基的A位點上

2.阻止氨酰tRNA與A位結合，

3.阻止30s亞基和50s亞基結合。

IF-2:

1.使fMet-tRNA特異的結合到P位點上

2.與GTP結合為70亞基的形成提供能量

IF-3：

1．使30S亞基與mRNA的特異位點結合

2．能保持30s亞基的穩定性，阻止30s亞基和50s亞基結合核糖體的作用位點⑴A位點（或稱acceptorsite）可以進入氨基酰-tRNA(aminoacyl-tRNA)。⑵P位點(或稱供位，donorsite)是被肽基酰-tRNA(peptidyl-tRNA)所占據。(3)E位點(Exitsite)脫酰tRNA(deacylated-tRNA)短暫地占據。圖6.8(a)70S起始復合體上的三個tRNA結合位點；(b)起始tRNA最初結合在P位。UAC???5’3’mRNAPsiteAsiteEsitefMetAUGCAGGCUACGGAGACUAGG5’3’mRNAAUGCAGGCUACGGAGACUAGG(a)(b)6.2.2延伸在多肽鏈上每增加一個氨基酸都需要經過進位、轉位和移位三個步驟：進位：為密碼子所特定的氨基酸tRNA結合到核蛋白體的A位，稱為進位。轉位：涉及肽鍵的形成。移位：轉位作用發生后，氨基酸都位于A位，P位上無負荷氨基酸的tRNA就此脫落，核蛋白體沿著mRNA向3’端方向移動一組密碼子，使得原來結合二肽酰tRNA的A位轉變成了P位，而A位空出，可以接受下一個新的氨基酰tRNA進入。以后，肽鏈上每增加一個氨基酸殘基，即重復上述進位、轉位、移位的步驟，直至所需的長度，實驗證明mRNA上的信息閱讀是從5’端向3’端進行，而肽鏈的延伸是從氨基端到羧基端。所以多肽鏈合成的方向是N端到C端。圖6.9翻譯延伸的循環機理AUG123aa1AUG123aa1Peptidyltransfer(Round1)MetMetfftRNA1enteringAUG123aa1fMetTranslocationAUG123aa1Metfaa2tRNA2enteringInitiatortRNAleavingAUG123Metfaa2aa1Translocation4AUG123aa145Metfaa2tRNA1leavingaa3tRNA3enteringAUG123aa1Metfaa2Peptidyltransfer(Round2)tRNA2O圖6.10肽鍵形成，由肽基轉移酶催化。AUG123aa1Metfaa2HNCCR1OHNHCCR2O??tRNA1OAUG123Metfaa2aa1tRNA2ONCCR1ONHCCR2OtRNA1OHHHHHHPsiteAsitePsiteAsitePeptidyltransferase肽基轉移酶：在核糖體內催化形成肽鍵的酶稱為肽基轉移酶。過去認為，大亞基的蛋白質具有酶的活性，促使肽鍵形成，故稱為轉肽酶。20世紀90年代初，H.F.Noller等證明大腸桿菌的23SrRNA能夠催化肽鍵的形成，才證明rRNA是一種核酶，從而根本改變了傳統的觀點。核糖體催化肽鍵合成的是rRNA，蛋白質只是維持rRNA構象，起輔助的作用。延伸因子是參與蛋白合成過程中肽鏈延伸的蛋白因子，在原核生物中有三種延伸因子，即EF-Tu、EF-Ts、EF-G。原核生物蛋白質合成的延伸因子

因子基因功能抑制劑EF-TutufA,tufB與氨基酰tRNA黃色霉素及GTP結合EF-Tstsr結合EF-Tu，取代GDPEF-G結合核糖體梭鏈孢酸

和GTP

終止密碼UAA,UGA,UAG；在E.coli中釋放因子（releasefactors（RF））;終止反應是釋放因子識別終止位點并與之結合，激活肽基轉移酶，水解了P位點上多肽與tRNA之間的鍵，然后釋放了多肽和tRNA。在真核系統中只有一種釋放因子——eEF可識別3種終止密碼子。6.2.3終止釋放因子（releasefactors，RF）：又稱終止因子。在GTP存在下能識別終止密碼子的一種因子。其作用是終止肽鏈合成并使肽鏈釋放出核糖體。RF與核糖體A位結合后，活性肽基轉移酶水解P位上的tRNA與肽鏈之間的鏈，把P位上的肽基轉移至水分子。隨后，新生肽鏈與最后一個去酰化的tRNA釋放出核糖體。在原核生物中發現三個釋放因子RF-1，RF-2，RF-3。

圖6.11翻譯終止機理StopcodonGlySerUAAReleasefactorPheAlaLeuValLys6.3真核生物翻譯真核生物的翻譯和原核生物的最大區別：

原核生物起始tRNA攜帶N-甲酰甲硫氨酸起始階段

真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸

但只能跟起始密碼子結合。

掃描：為尋找起始密碼子的位置，48S復合體會從mRNA的5`帽結構開始沿mRNA滑行，這一過程稱為掃描。在大部分mRNA中，遇到的第一個AUG會被作為起始密碼子。AUGAUG40SScanningTranslationinitiationmRNAIRESAUGTranslationinitiationAUG40SsubunitentersIRESsitedirectly80S80S(a)TranslationinitiationatAUGchosenbyscanning(b)TranslationinitiationatIRESsite40SAUGAUGmRNA圖6.12通過掃描尋找AUG(a)和通過直接進入IRES位點(b)啟動的翻譯。IRES:內部核糖體進入序列IRES為內核糖體進入序列（internalribosomeentrysite），它可翻譯一條mRNA上的兩個開放讀框，由其連接的兩個基因的表達率相同。真核起始因子(eukaryoticinitiationfactor，eIF)，又稱為真核翻譯起始因子，是指參與真核翻譯起始這一過程的蛋白質。與原核起始因子只有三種（IF1、IF2、IF3）相比，真核起始因子種類多且復雜，目前已鑒定的真核起始因子共有12種。通過這些真核起始因子之間以及不同的真核起始因子與核糖體、mRNA和起始tRNA之間的相互作用，來完成真核生物的翻譯起始。因此相比于原核生物，真核生物的翻譯起始過程更多得依賴于蛋白質與蛋白質以及蛋白質與RNA之間的相互作用，而非RNA與RNA間的相互作用。eIF1是一種參與真核翻譯起始的重要的蛋白質。eIF1在起始密碼子AUG的識別中發揮重要的作用，它能使起始密碼子的識別具有很高的保真度。在酵母中，eIF1是維持其生存不可或缺的蛋白質。eIF1A是一種在真核翻譯起始進程中發揮重要作用的蛋白質，也是一種RNA結合蛋白。其主要的功能是穩定Met-tRNAi與40S核糖體亞基間的結合，參與激活