生物信息的傳遞（下）

從mRNA到蛋白質

在真核生物中，mRNA是在細胞核中合成的，而蛋白質合成發生在細胞質中，是通過細胞質中游離的核糖體，或是通過與內質網相連的核糖體合成的在細菌中，轉錄和翻譯是耦聯在一起的。細菌真核生物內容第一節蛋白質合成體系第二節蛋白質合成過程第三節蛋白質合成后的輸送蛋白質合成體系第一節20種氨基酸(AA)作為原料酶及眾多蛋白因子，如IF、eIF

ATP、GTP、無機離子參與蛋白質生物合成的物質包括：三種RNAmRNA（是蛋白質合成的直接模板）tRNA（專一運送氨基酸至mRNA并與密碼子配對）rRNA（與蛋白質構成核糖核蛋白體，是蛋白質合成的場所）一、蛋白質合成場所的確定

20世紀五十年代，PaulZamecnik

等給小白鼠注射帶放射性標記的氨基酸，然后在不同時間取小白鼠的肝臟，經勻漿、離心、檢測發現注射的氨基酸幾分鐘后出現在核糖核蛋白體顆粒上，幾小時或幾天后所有的亞細胞成分都含有放射性標記。這證明蛋白質的合成是在核糖體上進行的。二、蛋白質合成所需mRNA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)。真核生物mRNA的特點

（單順反子）

（一）遺傳密碼是三聯體密碼

mRNA上每3個核苷酸翻譯成蛋白質多肽鏈上的一個氨基酸，這3個核苷酸就稱為三聯體密碼(tripletcoden)。翻譯時從起始密碼子AUG開始，沿mRNA5’→3’的方向連續閱讀直到終止密碼子，生成一條具有特定序列的多肽鏈。證明三聯體密碼的三個著名實驗的示意圖（b）結合核糖體的研究（a）核苷酸同聚物的翻譯（c）重復核苷酸聚合物的翻譯第一個實驗是1961年由美國的M.Nirenberg完成。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一條由相同核苷酸組成的多核苷酸鏈，用它作模板，利用大腸桿菌蛋白提取液和GTP在體外合成蛋白質。多聚（U）編碼多聚Phe；多聚（A）編碼多聚Lys；多聚（C）編碼多聚Pro。第二個實驗是1964年也是由美國的M.Nirenberg完成的。他首先合成一個已知序列的核苷酸三聚體，然后與大腸桿菌核糖體和氨酰tRNA一起溫育。由此確定與已知核苷酸三聚體結合的tRNA上連接的是那一種氨基酸。該實驗對于幾種密碼編碼同一個氨基酸提供了直接的、最好的證據第三個實驗是由JonesKhorana等人完成的。他們利用有機化學和酶法制備了已知的核苷酸重復序列，以此多聚核苷酸作模板，在體外進行蛋白質合成，發現可生成三種重復的多肽鏈。

若從A翻譯，則合成出多聚Ile，即AUC對應Ile；若從U翻譯，則合成出多聚Ser，即UCA對應Ser；若從C翻譯，則合成出多聚His，即CAU對應His。這是因為體外合成是無調控的合成，可以隨機地從A、或U、或C翻譯，所以有三種重復的多肽鏈生成。通過Nirenberg和Khorana兩位科學家的辛勤工作，于1966年全部密碼都被破譯。共有64個密碼，其中61個密碼是編碼氨基酸的，其余3種是終止密碼。遺傳密碼表丙氨酸AlanineA或Ala亮氨酸LeucineL或Leu精氨酸ArginineR或Arg賴氨酸LysineK或Lys天冬酰胺AsparagineN或Asn蛋氨酸MethionineM或Met天冬氨酸AsparticacidD或Asp苯丙氨酸PhenylalanineF或Phe半胱氨酸CysteineC或Cys脯氨酸ProlineP或Pro谷氨酰胺GlutamineQ或Gln絲氨酸SerineS或Ser谷氨酸GlutamicacidE或Glu蘇氨酸ThreonineT或Thr甘氨酸GlycineG或Gly色氨酸TryptophanW或Trp組氨酸HistidineH或His酪氨酸TyrosineY或Tyr異亮氨酸IsoleucineI或Ile纈氨酸ValineV或Val氨基酸中英文對照及縮寫酪[lào]；纈[xié]（二）遺傳密碼的特點：

1.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。

意義：密碼的簡并性可以減少堿基突變造成的有害效應。2.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。3.擺動性(wobble)

密碼和反密碼之間堿基配對規則一般為A與U配對，G與C配對，并且配對區內的鏈是反平行的，但實際上存在某些變通性。Crick將這種變通性稱之“擺動”。因此反密碼的5ˊ位有時也稱為擺動位置。下表給出了反密碼的5ˊ（擺動）位和mRNA的3ˊ位之間的堿基配對原則。結果：一種tRNA能與多個一二位相同的三聯體密碼配對（簡并密碼子）tRNA反密碼子5’位堿基IUGACmRNA密碼子3’堿基U,C,AA,GU,CUG次黃嘌呤核苷酸（I）常常出現在tRNA的5ˊ（擺動）位，I可以與U，C和A形成氫鍵帶有反密碼子IGC的tRNAAla分子可以與特異編碼Ala的三個密碼（GCU，GCC，GCA）中的任一個結合

64個密碼中有61個密碼編碼氨基酸，余下的3個密碼（UAA，UGA，和UAG）為終止密碼。

終止密碼一般不能被任何tRNA分子識別，但能被特殊的蛋白質識別，引起新合成的肽鏈從翻譯機器上脫落。終止密碼起始密碼甲硫氨酸密碼AUG也常常充當蛋白質合成的起始密碼，所以常稱AUG為起始密碼。

Thiscodonhastwoimportantfunctions.First,itspecifiesthefirstaminoacidtobeincorporatedintothegrowingpolypeptidechain.Second,itdefinesthereadingframeforallsubsequentcodons.ThreepossiblereadingframesoftheE.coli

trpleadersequence.Startcodonsareshadedingreenandstopcodonsareshadedinred.Theaminoacidsequenceoftheencodedsequenceisindicatedinthesinglelettercodebeloweachcodon.readingframe開放閱讀框架openreadingframe,ORF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)。三、蛋白質合成所需tRNA

tRNA分子在蛋白質合成中充當的是遺傳密碼的翻譯，是mRNA的核苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之間的橋梁。每一個細胞內至少含有20種tRNA（一種氨基酸對應一種tRNA），就是說每種tRNA應當能夠至少識別一個mRNA密碼，才能滿足它作為適配器的作用。（一）

tRNA的三葉草型二級結構所有的tRNA都具有類似的結構。最早確定的tRNA結構是丙氨酸-tRNA，是由Holley確定的。（二）tRNA的L形三級結構

tRNA的L形高級結構反映了其生物學功能，因為它上所運載的氨基酸必須靠近位于核糖體大亞基上的多肽合成位點，而它的反密碼子必須與小亞基上的mRNA相配對，所以兩個不同的功能基團最大限度分離。Conversionbetweenthecloverleafandtheactualthree-dimensionalstructureofatRNA.(a)Cloverleafrepresentation,(b)L-shapedrepresentationshowingthelocationofthebase-pairedregionsofthefinalfoldedtRNA.(c)RibbonrepresentationoftheactualfoldedstructureofatRNA.（三）氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸結合在tRNA分子上

一個特定的氨基酸經酶催化可以連接到相應的tRNA分子的3ˊ端上，該酶稱為氨酰-tRNA合成酶，產物稱為氨酰-tRNA。AA-tRNA合成酶既要能識別tRNA，又要能識別氨基酸，氨酰-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)，將錯配的進行校正。蛋白質合成的精確度依賴于氨酰-tRNA合成酶催化正確的氨基酸連接到相應的tRNA分子上。氨酰-tRNA合成酶會引入兩種錯誤：一種是將錯誤的氨基酸加在正確的tRNA上；另一種是將正確的氨基酸加在錯誤的tRNA上。前者現錯的可能性更大。tRNAmoleculestowhichanaminoacidisattachedaresaidtobecharged,andtRNAsthatlackanaminoacidaresaidtobeuncharged.tRNAsarechargedbytheattachmentofanaminoacidtothe3'terminaladenosinenucleotideviaahigh-energyacyllinkage.一個成熟的tRNA分子的3ˊ端的核苷酸序列總是5’-CCA-3’，一個特異的氨基酸通過它的羧基與tRNA的核苷酸殘基3’端的2’或3’羥基形成的共價鍵連接在tRNA分子上。tRNA的氨?；峭ㄟ^兩步反應完成的。Thetwostepsofaminoacyl-tRNAcharging(a)Adenylylationofaminoacid.Thetwostepsofaminoacyl-tRNAcharging(b)TransferoftheadenylylatedaminoacidtotRNA.四、rRNA構成的核糖體的結構與功能核糖體像一個能沿mRNA模板移動的工廠，執行著蛋白質合成的功能。它是由幾十種蛋白質和rRNA組成的亞細胞結構。核糖體由一個大亞基和一個小亞基組成的。E.coli中的小亞基是30S亞基；而大亞基是50S亞基。在蛋白質合成期間，兩個亞基結合形成一個70S核糖體。Sedimentationbyultracentrifugationtoseparateindividualribosomesubunitsandthefullribosome.

原核與真核細胞核糖體的結構31Compositionoftheprokaryoticandeukaryoticribosomes.TherRNAandproteincompositionofthedifferentsubmitsareindicated.ThesizesoftherRNAandthenumberofproteinsareindicated.小亞基的作用---與mRNA結合Fortranslationtooccur,theribosomemustberecruitedtothemRNA.Tofacilitatebindingbyaribosome,manyprokaryoticopen-readingframescontainashortsequenceupstream(onthe5'side)ofthestartcodoncalledtheribosomebindingsite(RBS).ThiselementisalsoreferredtoasaShine-DalgarnosequenceafterthescientistwhodiscovereditonthebasisofcomparingthesequencesofmultiplemRNAs.StructureofmessengerRNA.(a)Apolycistronicprokaryoticmessage.TheribosomebindingsiteisindicatedbyRBS.(b)Amonocistroniceukaryoticmessage.The5'capisindicatedbya"ball"attheendofthemRNA.大亞基的作用—提供A位P位；具有催化肽鍵合成的功能TheribosomehasthreetRNAbindingsites.Theschematicillustrationoftheribosomeshowsthethreebindingsites(E,P,andA)thatspanthetwosubunits.核糖體的A位與P位：P位和A位，二者緊密連接，各占一個密碼子的距離。

P：結合起始的氨酰-tRNA和肽酰-tRNA，

A：結合新摻入的氨酰-tRNA。

P位上肽酰-tRNA上的羧基與進入A位的氨酰-tRNA上的氨基形成新的肽鍵P位上tRNA卸下肽鏈成為無負載的tRNA核糖體移動一個密碼子的距離，A位上的肽酰-tRNA又回到P位，A位又空，再進行下一次循環。原核生物翻譯過程中核蛋白體結構模式:蛋白質生物合成過程第二節蛋白質的合成機制是最復雜的生物合成機制:

真核細胞中，蛋白質的合成需要：

70種以上的核糖體蛋白參與；多于二十種的酶來激活氨基酸；

12種或更多的輔酶和其它專一性的蛋白因子來進行肽鏈合成的起始、延伸、和終止；

一百多種酶參與各類蛋白的最后修飾；還需要多于四十種的tRNA和核糖體RNA。共有300多種不同的生物大分子參與且協同地工作來合成多肽。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，直至終止密碼出現。Overviewoftheeventsoftranslation一、原核生物的翻譯過程：

（一）起始階段1.核蛋白體大小亞基分離；2.mRNA與小亞基結合；3.起始氨基酰-tRNA與小亞基結合；4.核蛋白體大亞基結合；AnoverviewoftheeventsoftranslationinitiationThe16SrRNAinteractswiththeribosomebindingsitetopositiontheAUGinthePsite.起始因子在翻譯的起始階段，需要3種起始因子(IF)的參與，即IF1、IF2、IF3。IF1促進大小亞基分離IF-3促進mRNA與小亞基的定位結合IF-2水解GTP，提供能量，使起始tRNA進入P位，并促進大亞基與核蛋白體結合。IF-11.核蛋白體大小亞基分離--IF1促進大小亞基分離AUG5'3'IF-3IF-12.mRNA與小亞基結合--IF-3促進mRNA與小亞基的定位結合IF-3IF-1IF-2GTP3.起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet)與小亞基結合AUG5'3'IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4.核蛋白體大亞基結合，起始復合物形成，釋放起始因子AUG5'3'Asummaryoftranslationinitiationinprokaryotes.Asummaryoftranslationinitiationinprokaryotes.（二）延長階段

肽鏈延長包括以下三步：1.進位(entrance)2.成肽(peptidebondformation)3.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-βγEFG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進入核蛋白體A位。

EF-Tuescortsaminoacyl-tRNAtotheAsiteoftheribosome.ChargedtRNAsareboundtoEF-Tu-GTPastheyfirstinteractwiththeAsiteoftheribosome.Whenthecorrectcodon-anticodoninteractionoccurs,EF-Tuinteractswiththefactorbindingcenter,hydrolyzesitsboundGTPandisreleasedfromthetRNAandtheribosome.TuTsGTPGDPAUG5'3'TuTsThreemechanismstoensurecorrectpairingbetweenthetRNAandthemRNA.(a)Additionalhydrogenbondsareformedbetweentwoadenineresiduesofthe16SrRNAandtheminorgrooveoftheanticodon-codonpaironlywhentheyarecorrectlybase-paired.ThreemechanismstoensurecorrectpairingbetweenthetRNAandthemRNA.(b)Correctbase-pairingallowsEF-Tuboundtotheaminoacyl-tRNAtointeractwiththefactorbindingcenterinducingGTPhydrolysisandEF-Turelease2.成肽是由轉肽酶(transpeptidase)催化的肽鍵形成過程。具有轉肽酶活性的是大亞基中的23sRNA(核酶)The

peptidyltransferasereaction

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，促進核蛋白體向mRNA的3'側移動。fMetAUG5'3'fMetTuGTP目錄進位轉位成肽Summaryofthestepsoftranslocation（三）終止階段終止相關的蛋白因子稱為釋放因子(releasefactor,RF)。原核生物釋放因子包括：