分子生物學基礎第五章遺傳信息的翻譯—從mRNA到蛋白質

第二節蛋白質生物合成的過程蛋白質生物合成亦稱為翻譯，即把mRNA分子中堿基排列順序轉變為蛋白質或多肽鏈中的氨基酸排列順序的過程。蛋白質生物合成主要包括下列步驟：翻譯的起始―—核糖體與mRNA結合并與氨酰-tRNA生成起始復合體；肽鏈的延伸──核糖體沿mRNA5’端向3’端移動，使多肽鏈的合成從N端向C端的方向進行；肽鏈的終止以及新合成多肽鏈的折疊和加工——核糖體從mRNA上解離，準備新一輪合成反應。各階段必須的成分見表5-10。第二節蛋白質生物合成的過程

第二節蛋白質生物合成的過程一、氨基酸的活化原核生物的起始tRNA是fMet-tRNAfMet，真核生物的起始tRNA是Met-tRNAMet。原核生物中30S小亞基首先與mRNA模板相結合，再與fMet-tRNAfMet結合，最后與50S大亞基結合。在真核生物中，40S小亞基首先與Met-tRNAMet相結合，再與模板mRNA結合，最后與60S大亞基結合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始復合體。起始復合體的生成除了需要GTP提供能量外，還需要Mg2+、NH4+及3個起始因子（IF-1、IF-2和IF-3）。起始因子與30S小亞基的結合較為松散，用1mol/LNH4Cl處理即可使之游離。第二節蛋白質生物合成的過程二、翻譯的起始1．原核生物蛋白質合成的起始

起始階段的主要任務是在mRNA分子的正確起始點即起始密碼子處完成完整核糖體的組裝。蛋白質翻譯的起始復合體包括：30S核糖體小亞基、mRNA、fMet-tRNAfMet、三個起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）、GTP、50S核糖體大亞基、Mg2+。翻譯的起始又可被分成三步，如圖5-7所示。

第二節蛋白質生物合成的過程

圖5-7蛋白質翻譯起始過程

第二節蛋白質生物合成的過程

①IF-1和IF-3與游離的30S核糖體小亞基相結合，以阻止在與mRNA結合前30S亞基與大亞基的結合，從而防止無活性核糖體的形成。②由30S小亞基、起始因子IF-1和IF-3及mRNA所組成的復合體立即與GTP-IF-2及fMet-tRNAfMet相結合。起始tRNA通過其反密碼子與mRNA分子上AUG密碼子配對，與上述復合體結合，同時釋放IF-3。IF-3的作用在于保持大小亞基彼此分離狀態，以及有助于mRNA結合。此時的復合體稱為30S起始復合體。

③30S起始復合體再與50S大亞基結合，替換出IF-1和IF-2，而GTP在此耗能過程中被水解。起始后期形成的該復合體被稱為70S起始復合體。第二節蛋白質生物合成的過程如圖5-8所示。其中IF-3的功能是使核糖體的30S和50S亞基保持分開，其它兩個起始因子IF-1及IF-2的功能則是促進fMet-tRNAifMet及mRNA與30S小亞基的結合。如前所述，mRNA的SD序列可與小亞基上16SrRNA的3′進行堿基配對，起始密碼子AUG可與起始tRNA上的反密碼子進行配對。當30S小亞基結合上fMet-tRNAifMet以及與mRNA形成復合體后，IF-3就解離下來，以便50S大亞基與復合體的結合，后一結合使IF-2離開核糖體，同時使結合在IF-2上的GTP水解，原核生物的起始過程需要1分子GTP水解成GDP及磷酸提供能量。

第二節蛋白質生物合成的過程

圖5-8原核生物蛋白質合成起始復合體的形成

第二節蛋白質生物合成的過程

2．真核生物蛋白質合成的起始真核生物蛋白質合成的起始需要更多的蛋白質因子eIF參與，目前至少發現有9種，其中有些因子含有多達11種不同的亞基。但對它們的功能了解甚少，主要過程如圖5-9所示。與原核系統類似，eIF-3使40S的小亞基與大亞基分開，但其間的反應不同。Met-tRNAiMet首先與小亞基結合，同時與eIF-2及GTP形成起始四元復合體，該復合體再在多個因子的幫助下開始與mRNA的5′端結合。其中eIF-4因子含有1個特殊的亞基，能特異性地結合在mRNA的5′端帽子結構上。結合在mRNA上后，核糖體小亞基就開始向3′端移動至第一個AUG，這種移動由ATP水解為ADP及磷酸來提供能量。第二節蛋白質生物合成的過程

圖5-9真核生物蛋白質合成起始復合體的形成

第二節蛋白質生物合成的過程三、肽鏈的延伸肽鏈延伸也可被分為三步：1．第一步，進位氨酰-tRNA首先必須與GTP-EF-Tu復合體相結合，形成氨酰-tRNA-GTP-EF-Tu復合體并與70S中的A位點相結合。此時，GTP水解并釋放GDP-EF-Tu復合體。如圖5-11所示。

2．第二步，轉肽轉肽是形成肽鍵的反應，轉肽如圖5-12所示。該過程是在延伸因子從核糖體上解離下來的同時進行的。催化這一過程的酶是存在于核糖體大亞基上的23StRNA與酶蛋白稱為肽酰轉移酶，催化的本質是使一個酯鍵轉變成一個肽鍵，由新加入的氨酰-tRNA上氨基酸的氨基對肽酰-tRNA上酯鍵的羰基進行親核反應而成。第二節蛋白質生物合成的過程

3．第三步，移位移位是延伸過程的最后一步，如圖5-13所示。該過程由移位因子EF-2催化（原核中為EF-G，真核中為EF-2）。核糖體的移位需要EF-G和另一分子GTP水解提供能量。移位的目的是使核糖體沿mRNA向下游移動，使下一個密碼子暴露于核糖體的合適位點以供繼續翻譯。此過程除需EF-2外，還需GTP、Mg2+。按進位→轉肽→移位，每進行一次核糖體循環，就在肽鏈上增加1個氨基酸殘基。以嘌呤霉素作為抑制劑通過實驗表明，核糖體端mRNA移動與肽基-tRNA的移位這兩個過程是偶聯的。肽鏈延伸是由許多這樣的反應組成的，原核生物中每次反應共需3個延伸因子，EF-Tu、EF-Ts、EF-G，真核生物細胞需EF-1、及EF-2，消耗2個GTP，向生長中的肽鏈加上一個氨基酸。第二節蛋白質生物合成的過程

圖5-11細菌中肽鏈延伸的第一步反應：進位

第二節蛋白質生物合成的過程

圖5-12轉肽

第二節蛋白質生物合成的過程

圖5-13細菌中肽鏈延伸的第三步反應：移位

第二節蛋白質生物合成的過程四、翻譯的終止翻譯的最后一步涉及到肽酰-tRNA中連接tRNA和C端氨基酸酯鍵的切斷，這一過程需要終止和釋放因子（RFs）。核糖體與mRNA的解離還需要核糖體釋放因子（RRF）的參與。細胞中通常不含能識別3個終止密碼子的tRNA。在大腸桿菌中，當終止密碼子進入核糖體上的A位點后，即被釋放因子識別。RF-1可識別UAA和UAG，RF-2識別UAA和UGA，RF-3有助于RF-1和RF-2的活性。釋放因子使肽酰轉移酶將多肽鏈轉至H2O分子而不是通常的氨酰-tRNA，釋放出mRNA并與核糖體亞基完全解離。當釋放因子識別在A位點上的終止密碼子后，存在于大亞基上的肽酰轉移酶專一活性轉變成了酯酶活性，以水解新生合成的肽鏈。原核生物蛋白質合成中新生肽鏈的釋放如圖5-14所示。第二節蛋白質生物合成的過程

圖5-14原核生物蛋白質合成中新生肽鏈的釋放

第二節蛋白質生物合成