蛋白质的生物合成
翻 译
蛋白质的生物合成
一,RNA在蛋白质的生物合成中的作用
二、蛋白质生物合成的过程
三、肽链的加工与修饰
一,RNA在蛋白质生物合成的作用
1.mRNA在蛋白质的合成中的作用
2.tRNA在蛋白质的合成中的作用
3.rRNA在蛋白质的合成中的作用
1.mRNA在蛋白质的合成中的
作用
mRNA上的密码顺
序决定多肽链的氨
基酸顺序
（ 1）真核细胞 mRNA的结构,
? 帽子（ 7-甲基鸟嘌呤）
? 5`侧不翻译区
? 开放阅读框（ open reading frame)
? 3`侧不翻译区
? 多聚 A的尾巴。
mRNA在蛋白质生物合成中的作用
? 在真核生物中,mRNA前体 hnRNA在细胞核内
合成、加工，成熟。然后通过核孔运输到胞液
内，与核糖体一起参与蛋白质的合成。
? mRNA中的开放阅读框的硷基，每 3个构成一
个密码，每个密码将指导核糖体将某个氨基酸
渗入一条多肽链。整个开放阅读框将确定新合
成的肽链的氨基酸顺序。
? mRNA的阅读方向是从 5`-3`，与它合成的方向
一致，蛋白质合成是从氨基末端到羧基末端。
密码的性质
? mRNA开放阅读框中的每个硷基都是密码构成
部分。
A,密码的连续性
? 密码没有硷基的重叠
? 密码之间没有间隔
? 密码之间没有标点符号
密码的破译
? Nirenberg & Matthaei 在无细胞蛋白质合成
系统中翻译人工合成的 poly(U)s,他们得到了
多聚苯丙氨酸。
? 这个结果告诉他们苯丙氨酸的密码只含尿嘧啶
硷基。
? 这发现的重要性在于：一个人可以合成确定顺
序的 mRNA,分析它的蛋白质产物，获得遗传
密码的性质。
实验证明密码是由奇数个硷基组成
? 如果密码是偶数硷基组成，那么 poly(UC)就只
有一个密码反复重复例如 UCUC,如果翻译从第
二个硷基开始，则密码为 CUCU。 这种情况下，
合成的蛋白质是同一种氨基酸组成的多肽链。
? Khorana发现 poly(UC)s翻译的结果是重复的二
肽 poly(丝 -亮 )，证明密码由奇数硷基组成
密码是由 3的倍数个硷基组成
? 如果密码的硷基数目是三个或三的倍数，
mRNA poly(UUC)将被翻译成均一的多肽链。
例如 poly(UUC) 被翻译成了多聚苯丙氨酸或多
聚丝氨酸或多聚亮氨酸。
? 重复的四核苷酸将被翻译成重复的四肽，例如
poly(UAUC)合成了多聚酪 -亮 -丝 -异亮。
? 这样密码可能含有三的倍数个硷基。由于 6是
偶数，而不在奇数之列。
2、密码的数目
? 而且三个硷基代表一个氨基酸是给予足够的密
码代表 20种氨基酸的最小的数目。
? 所以，每三个硷基组成一个遗传密码，共有 64
种密码，其中三种为终止密码，即 UAA、
UGA,UAG
3、密码的简并性
64种密码代表 20种氨基酸, 除了甲硫氨酸,
色氨酸只有一个密码而外, 其余氨基酸都有
2,3,4,5或 6 个遗传密码 。
同一氨基酸的多个密码的第三位硷基常常
是不同, 但并不影响氨基酸的翻译 。 因此密
码的前两个硷基在决定氨基酸时是起主要作
用的 。
3,密码和反密码的摆动配对
（ Wobble pair）
? 密码和反密码的配对，有时不遵从 硷基配
对规律，这主要在 tRNA反密码的第一硷
基和 mRNA密码的第三硷基之间；
? mRNA A,C,U A,U C,G,U
? tRNA I U C
4,密码的通用性
? 从最简单的生物，例如病毒一直到人类都使用
同一套密码合成蛋白质。
? 但遗传密码并不是严格地通用的，动物细胞的
线粒体、植物细胞的绿叶体、至少一种细菌中
使用的密码和上述密码有一定的差别
? 在标准的密码中为终止密码，线粒体、绿叶体
中可以编码色氨酸和谷氨酰胺
2,tRNA在蛋白质生物合成的
作用
tRNA在蛋白质生物
合成中转运氨基酸到
核糖体
tRNA的发现,
? 1957年 Zamecnik及其同事用来自大白鼠
的无细胞系统合成蛋白质。
系统中的一个组分是所谓的 pH5酶，含有
和核糖体一起指导加入的 mRNA翻译的可溶性
因子
pH5酶主要是蛋白质。 Zamecnik发现其
中也有小分子的 RNA。 而且发现氨基酸可与这
些小分子 RNA共价相联。
实验：
? 混合 pH5酶,RNA,ATP和 14C-亮氨酸，
结果显示加入的亮氨酸愈多，与 tRNA连接的
也越多。
没有 ATP,没有反应发生。
? 现在我们已经知道，这个实验发生的反应
就是氨基酸连接于 tRNA的反应。
tRNA可以携带氨基酸到核糖体
? 实验：
混合 14C-亮氨酸标记的 pH5RNA和微粒体，
经过一定时间，在 pH5RNA上 失去 的亮氨酸的放
射活性，而 微粒体上蛋白质上 得到 的放射活性，
呈现良好的相关性。
可以推论亮氨酸从亮氨酰 -tRNA渗入进了核糖
体上新合成的蛋白质
2,tRNA的结构
? 1965年 Robert Holley和其同事确定了来自酵母
的、携带丙氨酸的 tRNA的硷基顺序。其一级结
构提示，其 二级结构是三叶草形 。
? 1969年，已有 14个 tRNA的结构已被确定，尽管
他们在一级结构上存在很大的差异，但但它们
都呈现三叶草形。
tRNA的二级结构
? 氨基酸臂
? 反密码环
? 双氢尿嘧啶环
（ D-loop）
? 假尿嘧啶环
（ T?C-loop）
? 稀有硷基。
二级结构折叠成三级结构
tRNA的三维结构
? 1970S Alexander
Rich利用 X-射线衍射
技术揭示了 tRNA的
三维结构。
? tRNA的三维结构成
倒 L形。
tRNA三级结构的稳定因素,
? 除了稳定二级结构的因素而外、三级结构局部
之间也有相互作用；包括：
? 硷基配对之间的相互作用
? 硷基与磷酸 -糖骨架之间的相互作用、
? 磷酸糖 -骨架与磷酸糖 -骨架之间的相互作用。
氨基酸 tRNA反应生成氨基酰 tRNA
? 氨基酸以酯键的形式连接于 tRNA的 3`羟基上。
? 催化这个反应的酶是氨基酰 -tRNA合成酶
核糖体识别氨基酰 -tRNA中的 tRNA
? 1962年 Fritz Lipmann证实了核糖体可以识别
氨基酰 -tRNA中的 tRNA,而不是氨基酸。
? 实验：
? 半胱氨酰 -tRNA ??? 丙氨酰 - tRNA。
在体外的蛋白质合成体系中，加入 mRNA（ 随
机的 U和 G的多聚体，其中 U/G为 5/1，其含有
许多编码半胱氨酸的密码 UGU,但不含丙氨酸
的密码 GCN）
? 结果：
丙氨酸实际上渗入了新合成的肽链。
? 推论：
核糖体不能区别连接在 tRNA上的氨基酸，只识
别氨基酰 - tRNA上的 tRNA部分。
这个实验也指出氨基酰 -tRNA合成酶忠实性
（ fidelity） 的重要性
氨基酰 -tRNA合成酶的专一性
? 如果氨基酰 -tRNA合成酶犯了错误、将一个错
的氨基酸加在 tRNA上，那么，这些氨基酸将
在错误的位置渗入蛋白质。这可能引起非常严
重的后果，该蛋白质甚至没有功能。
? 氨基酰 -tRNA合成酶对 tRNA和氨基酸都有非
常高的专一性。
氨基酰 -tRNA合成酶识别作用
? 由于所有 tRNA的二级和三级结构基本是相同
的，那么合成酶应该识别 tRNA哪些顺序，才
能从 20多种 tRNA选择出一种合适的 tRNA。
氨基酸臂和反密码环的作用
? 生物化学的和遗传学的实验证实,tRNA的氨
基酸臂在氨基酰 -tRNA合成酶识别 tRNA时起
重要作用。
? 在某些情况下，改变氨基酸臂的的一个硷基对，
可以改变连接氨基酸的特异性。
? 生物化学和遗传学的实验也证实：反密码和氨
基酸臂一样也在氨基酰 -tRNA合成酶识别
tRNA时起重要作用。
有时反密码环可能是专一性的绝对决定因素。
? 合成酶与 tRNA X-ray射线晶相学分析说明有两
类氨基酰 -tRNA合成酶。两类的作用机制是不同
的。 I 类合成酶有一个口袋，能容纳氨基酸臂和
相应 tRNA的反密码，从 D-loop和氨基酸臂的小
沟接触 tRNA。
? II类合成酶也有一个口袋容纳氨基酸臂和反密码，
rRNA 在蛋白质生物合成的作用场所 。
rRNA与 蛋白质组成
的核糖体是蛋白质生
物合成场所 。
核糖体的结构：
? 真核生物 80S核糖体
60S大亚基,28SrRNA
5.8srRNA + 45种蛋白质
5SrRNA
40S小亚基 18SrRNA + 30种蛋白质
原核生物核糖体的结构
大肠杆菌：
核糖体 70S
大亚基 50S 23SrRNA
5SrRNA + 31种蛋白质
小亚基 30S 16SrRNA + 21种蛋白质
核糖体的结构
核糖体的结构图
核糖体上的一些功能区
mRNA结合部位
肽酰 -tRNA结合部位（ P位）
氨基酰 -tRNA结合部位 （ A位）
转肽酶活性：催化氨基酸之间生成肽键
翻译的过程
? 翻译的启始：
在大肠杆菌的每轮翻译的末尾,核糖体解离
成大、小亚基。启始因子 1（ IF1） 促进这种解
离。
启始因子 3结合于游离的小亚基，组织了它与
大亚基的重新结合。
30S的启始复合物
? 30S的启始复合物由 30S的小亚基,fMet-
tRNA,mRNA组成。
? 30S小亚基与 mRNA的结合取决于 mRNA上的、
恰好在启始密码上游的、一段短的硷基顺序
AGGAGGU,即 Shine-Dalgarno (SD) 顺序与
16SrRNA 3`端一段互补硷基顺序配对。
? IF-3调节这一结合,IF-1,IF-2帮助调节这一
结合。这时 IF-1,IF-2,IF-3都结合在 30S的小
亚基上
在原核生物：
? 启始密码通常都是 AUG,但有时也可以是 GUG，
偶尔也可以是 UUG。
? 启始的氨基酰 -tRNA是甲酰 -蛋氨酸 -tRNA,记
为,fMet-tRNA。 它是第一个渗入肽链的氨基酸，
在肽链合成完毕后的加工过程中，常常被移出。
? IF2是促进 fMet-tRNA结合到 30S小亚基的主要
促进因子。其他的两个因子也起着主要的促进
作用。
? 在生理水平的 IF-2浓度下,IF-2的结合需要 GTP。
但此时它并不水解。
? 完整的 30S启始复合物含一分子 30S小亚基、一
分子 mRNA,一分子 fMet-tRNA和 IF-1,IF-2、
IF-3各一分子。
GTP的作用
? 50S的大亚基与 30S的启始复合物结合后,GTP
被水解。
? GTP的水解由 IF-2和 50S的大亚基一起催化。
GTP水解促使 IF-2和 GDP从启始复合物上释放。
? 这时肽链的延长开始
真核细胞蛋白质合成的启始
? 真核核糖体、启始的氨基酰 -tRNA结合于
mRNA的 5`帽子，然后向 3`方向扫描，直到发
现第一个位于适当的启始密码 AUG,而定位于
此。最适顺序是 ACCATGG。
? 大约 5~10%的情况是核糖体绕过第一个 ATG，
继续扫描更有利的 ATG。
? 有时，它们在一个上游的 AUG启动，翻译一个
短的阅读框。然后继续扫描在下游的 AUG再次
启动。
? mRNA5`端的二级结构对翻译的启动有促进或
抑制效应；恰在启始密码后的发夹结构可以迫
使核糖体停留在 AUG处，然后刺激启动。
? 在帽子和启始部位之间的、非常稳定的干环结
构能封闭核糖体的扫描，因而抑制翻译的启动。
? 某些病毒和细胞的 mRNA含有 IRES序列，该
序列能吸引核糖体直接进入 mRNA的内部。
真核启始因子的功能
? eIF-2促进启始的蛋氨酰 -tRNA与核糖体的结合。
? 通过用 ATP代替 ADP,eIF-2A激活 eIF-2。
? eIF-3结合于 40S的核糖体小亚基，
? eIF-4促进 60S大亚基与 40S小亚基复合物
（ 40S小亚基、启始的蛋氨酰 -tRNA和 Mrna）
的结合
? eIF-6结合于 60S的大亚基，阻止它与 40S亚基
的解离。
eIF-4F
? eIF-4F是一个 mRNA的帽子结合蛋白；它含有
三个部分,eIF-4E,eIF-4A,eIF-4G
? eIF-4E具有帽子结合的活性
? eIF-4E结合帽子后的复合物被其它两个亚基 eIF-
4A,eIF-4G稳定。
eIF-4A
? eIF-4A是 DEAD蛋白家族的成员、具有 RNA螺
旋酶的活性，此活性能解旋真核 mRNA5`端先
导顺序中的发夹结构，
? 另一个启始因子 eIF-4B有助于这一活性
? 这一活性需要 ATP分解供能。
? eIF-4G是一个衔接蛋白，能够与许多其它的蛋
白质结合，包括 eIF-4E,eIF-3,和 Pab1p（ 一
个多聚 A结合蛋白）。通过和这些蛋白相互作用
eIF-4G 。
? eIF-4G再循环 40S核糖体粒子到 mRNA和刺激翻
译的启动。
? 原核生物 mRNA的半受期很短。控制翻译在原
核生物中不普遍。然而，确实有翻译的调控存
在。 mRNA的二级结构可以控制翻译的启动。
? 核糖体可以反馈抑制它们自己的 mRNA的翻译。
? L1是通过结合于编码 L1和 L11的 mRNA上的干
环结构抑制该 mRNA的翻译。
? 真核生物的 mRNA的寿命相对较长，因此比原
核生物有更多的机会控制 mRNA的翻译。 eIF-2
的 ?-亚基就是翻译调控的靶。在缺乏血红素的
网质红细胞,HCR一种蛋白激酶是激活的。它
可以磷酸化 eIF-2的 ?-亚基，抑制它的启动作用。
再病毒感染的细胞，另一种蛋白激酶 DAI被激活，
它也可以磷酸化 eIF-2的 ?-亚基和抑制翻译的启
动
胰岛素和许多生长因子可以激活蛋白激酶
mTOR途径。 mTOR激酶的靶之一是蛋白质
PHAS-1（ 大白鼠）或者 是 4E-BP1（ 人类）。
一旦被磷酸化，这个蛋白质从 eIF-4E解离，释
放它参加功能活跃的翻译启动。
? 铁蛋白 mRNA的翻译是受铁诱导的。诱导的机
理如下：阻遏蛋白或蛋白质结合于铁蛋白
mRNA的 5`侧 UTR上的一个铁响应元件的干环
结构。铁有时可移出阻遏蛋白，允许 mRNA翻
译进行。
肽链的延长
肽链的延长发生于下列三个步骤：
1,EF-Tu,和 GTP将一个氨基酰 -tRNA结合于 A位。
（进位）
2,在 P位的肽和新结合于 A位的氨基酰 -tRNA之间
形成一个肽键，由转肽酶催化。
延长了一个氨基酸的肽链移位到 A位（转肽）
3,EF-G,和 GTP转移生长的肽酰 -tRNA以及
mRNA上的密码一起到 P位。（移位）
进位
? EF-Tu,氨基酰 -tRNA和 GTP形成的复合物递
交氨酰 -tRNA到核糖体的 A位，这一步不需要
GTP的水解，
? 在下一步,EF-Tu的核糖体依赖的 GTPase活
性水解 GTP,EF-Tu-GDP从核糖体解离，
? EF-Ts再生 EF-Tu-GTP,通过 GTP交换附着于
EF-Tu 上的 GDP,然后氨基酰 -tRNA的加入重
新形成三者的复合物为下一论的延长。
嘌呤霉素的作用
? 嘌呤霉素相似于氨基酰 -tRNA,这样它可以结合
于 A位，然后于结合于 P位的肽链相连，以肽酰
嘌呤霉素释放。另一方面，如果肽酰 -tRNA在 A
位，嘌呤霉素不能结合于核糖体，肽链不会被
释放。
? 这确定了核糖体上的两个部位,P位：嘌呤霉素
反应部位； A位嘌呤霉素不反应部位。
? 在 70S的核糖体上 P位的 fMet-tRNA是嘌呤霉素
反应的。结合试验鉴定了第三个部位,E位，是
结合脱氨基酸的 tRNA的。这样，当 tRNA存在
于核糖体时，假定 tRNA是结合于 E位的。
蛋白质合成的精确性
? 第一，在延长过程,GTP水解之前，去掉携带
桌错误的氨基酰 -tRNA的三者的复合物。第二，
如果这一步失败，在错误的氨基酸渗入延长的
肽链以前的矫正步骤中仍能出去错误的氨基酸。
? 这两步都依赖于不正确的密码与反密码微弱的
硷基配对，以保证去掉错误的氨基酸发生在
GTP和肽键生成之前。
? 这是翻译速度和精确性之间的平衡。
? 如果肽键的形成更快，不正确的氨基酰 -tRNA没
有足够的时间离开核糖体，这样这些氨基酸就
渗入进蛋白质，
? 但如果翻译进行的太慢，蛋白质的合成就不能
满足生物的生长。
肽键的形成（转肽）
? 肽键由一个核糖体上的酶，转肽酶催化合成。
在原核生物，这个酶在 50S的亚基上。 rRNA
在酶的活性上起主要作用，可构成了酶的催化
中心。
移位
? 每次移位移动 mRNA的一个密码（三个核苷酸
长）通过核糖体
? 移位需要 EF-G和 GTP,在移位发生之前 GTP都
不会水解。
? GTP的水解从核糖体释放 EF-G,这样新的一论
延长可以发生。
肽链合成的终止
? 终止密码 UAG,UAA,UGA在 mRNA编码区
的末端，是天然的肽链合成终止信号。如果阅
读框中的硷基发生突变，分别生成 UAG
（ amber突变）,UAA（ ochre突变）和 UGA
（ opal突变）那么就会引起肽链合成在中途终
止，形成早熟的肽链。
阻遏 tRNA
? 大多数的阻遏 tRNA有变化了的反密码，这种反
密码可以识别终止密码，在终止密码处插入氨
基酸，阻止了肽链合成的终止。允许核糖体继
续移位，肽链继续合成，一直到下一个终止密
码为止。
原核细胞翻译的终止
? 原核细胞翻译的终止被三个因子调节，即 RF-1、
RF-2,RF-3。
? RF-1识别终止密码 UAA和 UAG，
? RF-2识别终止密码 UAA和 UGA，
? RF-3是一个 GTP结合蛋白，有助于 RF-1,RF-
2结合于核糖体上。
真核细胞翻译的终止
? 真核细胞只有一个终子因子，它能识别所有
的三种终止密码。
? 真核细胞翻译的终止，也需要 GTP的水解，
假定是由另外一个蛋白 GTPase催化。
翻 译
蛋白质的生物合成
一,RNA在蛋白质的生物合成中的作用
二、蛋白质生物合成的过程
三、肽链的加工与修饰
一,RNA在蛋白质生物合成的作用
1.mRNA在蛋白质的合成中的作用
2.tRNA在蛋白质的合成中的作用
3.rRNA在蛋白质的合成中的作用
1.mRNA在蛋白质的合成中的
作用
mRNA上的密码顺
序决定多肽链的氨
基酸顺序
（ 1）真核细胞 mRNA的结构,
? 帽子（ 7-甲基鸟嘌呤）
? 5`侧不翻译区
? 开放阅读框（ open reading frame)
? 3`侧不翻译区
? 多聚 A的尾巴。
mRNA在蛋白质生物合成中的作用
? 在真核生物中,mRNA前体 hnRNA在细胞核内
合成、加工，成熟。然后通过核孔运输到胞液
内，与核糖体一起参与蛋白质的合成。
? mRNA中的开放阅读框的硷基，每 3个构成一
个密码，每个密码将指导核糖体将某个氨基酸
渗入一条多肽链。整个开放阅读框将确定新合
成的肽链的氨基酸顺序。
? mRNA的阅读方向是从 5`-3`，与它合成的方向
一致，蛋白质合成是从氨基末端到羧基末端。
密码的性质
? mRNA开放阅读框中的每个硷基都是密码构成
部分。
A,密码的连续性
? 密码没有硷基的重叠
? 密码之间没有间隔
? 密码之间没有标点符号
密码的破译
? Nirenberg & Matthaei 在无细胞蛋白质合成
系统中翻译人工合成的 poly(U)s,他们得到了
多聚苯丙氨酸。
? 这个结果告诉他们苯丙氨酸的密码只含尿嘧啶
硷基。
? 这发现的重要性在于：一个人可以合成确定顺
序的 mRNA,分析它的蛋白质产物，获得遗传
密码的性质。
实验证明密码是由奇数个硷基组成
? 如果密码是偶数硷基组成，那么 poly(UC)就只
有一个密码反复重复例如 UCUC,如果翻译从第
二个硷基开始，则密码为 CUCU。 这种情况下，
合成的蛋白质是同一种氨基酸组成的多肽链。
? Khorana发现 poly(UC)s翻译的结果是重复的二
肽 poly(丝 -亮 )，证明密码由奇数硷基组成
密码是由 3的倍数个硷基组成
? 如果密码的硷基数目是三个或三的倍数，
mRNA poly(UUC)将被翻译成均一的多肽链。
例如 poly(UUC) 被翻译成了多聚苯丙氨酸或多
聚丝氨酸或多聚亮氨酸。
? 重复的四核苷酸将被翻译成重复的四肽，例如
poly(UAUC)合成了多聚酪 -亮 -丝 -异亮。
? 这样密码可能含有三的倍数个硷基。由于 6是
偶数，而不在奇数之列。
2、密码的数目
? 而且三个硷基代表一个氨基酸是给予足够的密
码代表 20种氨基酸的最小的数目。
? 所以，每三个硷基组成一个遗传密码，共有 64
种密码，其中三种为终止密码，即 UAA、
UGA,UAG
3、密码的简并性
64种密码代表 20种氨基酸, 除了甲硫氨酸,
色氨酸只有一个密码而外, 其余氨基酸都有
2,3,4,5或 6 个遗传密码 。
同一氨基酸的多个密码的第三位硷基常常
是不同, 但并不影响氨基酸的翻译 。 因此密
码的前两个硷基在决定氨基酸时是起主要作
用的 。
3,密码和反密码的摆动配对
（ Wobble pair）
? 密码和反密码的配对，有时不遵从 硷基配
对规律，这主要在 tRNA反密码的第一硷
基和 mRNA密码的第三硷基之间；
? mRNA A,C,U A,U C,G,U
? tRNA I U C
4,密码的通用性
? 从最简单的生物，例如病毒一直到人类都使用
同一套密码合成蛋白质。
? 但遗传密码并不是严格地通用的，动物细胞的
线粒体、植物细胞的绿叶体、至少一种细菌中
使用的密码和上述密码有一定的差别
? 在标准的密码中为终止密码，线粒体、绿叶体
中可以编码色氨酸和谷氨酰胺
2,tRNA在蛋白质生物合成的
作用
tRNA在蛋白质生物
合成中转运氨基酸到
核糖体
tRNA的发现,
? 1957年 Zamecnik及其同事用来自大白鼠
的无细胞系统合成蛋白质。
系统中的一个组分是所谓的 pH5酶，含有
和核糖体一起指导加入的 mRNA翻译的可溶性
因子
pH5酶主要是蛋白质。 Zamecnik发现其
中也有小分子的 RNA。 而且发现氨基酸可与这
些小分子 RNA共价相联。
实验：
? 混合 pH5酶,RNA,ATP和 14C-亮氨酸，
结果显示加入的亮氨酸愈多，与 tRNA连接的
也越多。
没有 ATP,没有反应发生。
? 现在我们已经知道，这个实验发生的反应
就是氨基酸连接于 tRNA的反应。
tRNA可以携带氨基酸到核糖体
? 实验：
混合 14C-亮氨酸标记的 pH5RNA和微粒体，
经过一定时间，在 pH5RNA上 失去 的亮氨酸的放
射活性，而 微粒体上蛋白质上 得到 的放射活性，
呈现良好的相关性。
可以推论亮氨酸从亮氨酰 -tRNA渗入进了核糖
体上新合成的蛋白质
2,tRNA的结构
? 1965年 Robert Holley和其同事确定了来自酵母
的、携带丙氨酸的 tRNA的硷基顺序。其一级结
构提示，其 二级结构是三叶草形 。
? 1969年，已有 14个 tRNA的结构已被确定，尽管
他们在一级结构上存在很大的差异，但但它们
都呈现三叶草形。
tRNA的二级结构
? 氨基酸臂
? 反密码环
? 双氢尿嘧啶环
（ D-loop）
? 假尿嘧啶环
（ T?C-loop）
? 稀有硷基。
二级结构折叠成三级结构
tRNA的三维结构
? 1970S Alexander
Rich利用 X-射线衍射
技术揭示了 tRNA的
三维结构。
? tRNA的三维结构成
倒 L形。
tRNA三级结构的稳定因素,
? 除了稳定二级结构的因素而外、三级结构局部
之间也有相互作用；包括：
? 硷基配对之间的相互作用
? 硷基与磷酸 -糖骨架之间的相互作用、
? 磷酸糖 -骨架与磷酸糖 -骨架之间的相互作用。
氨基酸 tRNA反应生成氨基酰 tRNA
? 氨基酸以酯键的形式连接于 tRNA的 3`羟基上。
? 催化这个反应的酶是氨基酰 -tRNA合成酶
核糖体识别氨基酰 -tRNA中的 tRNA
? 1962年 Fritz Lipmann证实了核糖体可以识别
氨基酰 -tRNA中的 tRNA,而不是氨基酸。
? 实验：
? 半胱氨酰 -tRNA ??? 丙氨酰 - tRNA。
在体外的蛋白质合成体系中，加入 mRNA（ 随
机的 U和 G的多聚体，其中 U/G为 5/1，其含有
许多编码半胱氨酸的密码 UGU,但不含丙氨酸
的密码 GCN）
? 结果：
丙氨酸实际上渗入了新合成的肽链。
? 推论：
核糖体不能区别连接在 tRNA上的氨基酸，只识
别氨基酰 - tRNA上的 tRNA部分。
这个实验也指出氨基酰 -tRNA合成酶忠实性
（ fidelity） 的重要性
氨基酰 -tRNA合成酶的专一性
? 如果氨基酰 -tRNA合成酶犯了错误、将一个错
的氨基酸加在 tRNA上，那么，这些氨基酸将
在错误的位置渗入蛋白质。这可能引起非常严
重的后果，该蛋白质甚至没有功能。
? 氨基酰 -tRNA合成酶对 tRNA和氨基酸都有非
常高的专一性。
氨基酰 -tRNA合成酶识别作用
? 由于所有 tRNA的二级和三级结构基本是相同
的，那么合成酶应该识别 tRNA哪些顺序，才
能从 20多种 tRNA选择出一种合适的 tRNA。
氨基酸臂和反密码环的作用
? 生物化学的和遗传学的实验证实,tRNA的氨
基酸臂在氨基酰 -tRNA合成酶识别 tRNA时起
重要作用。
? 在某些情况下，改变氨基酸臂的的一个硷基对，
可以改变连接氨基酸的特异性。
? 生物化学和遗传学的实验也证实：反密码和氨
基酸臂一样也在氨基酰 -tRNA合成酶识别
tRNA时起重要作用。
有时反密码环可能是专一性的绝对决定因素。
? 合成酶与 tRNA X-ray射线晶相学分析说明有两
类氨基酰 -tRNA合成酶。两类的作用机制是不同
的。 I 类合成酶有一个口袋，能容纳氨基酸臂和
相应 tRNA的反密码，从 D-loop和氨基酸臂的小
沟接触 tRNA。
? II类合成酶也有一个口袋容纳氨基酸臂和反密码，
rRNA 在蛋白质生物合成的作用场所 。
rRNA与 蛋白质组成
的核糖体是蛋白质生
物合成场所 。
核糖体的结构：
? 真核生物 80S核糖体
60S大亚基,28SrRNA
5.8srRNA + 45种蛋白质
5SrRNA
40S小亚基 18SrRNA + 30种蛋白质
原核生物核糖体的结构
大肠杆菌：
核糖体 70S
大亚基 50S 23SrRNA
5SrRNA + 31种蛋白质
小亚基 30S 16SrRNA + 21种蛋白质
核糖体的结构
核糖体的结构图
核糖体上的一些功能区
mRNA结合部位
肽酰 -tRNA结合部位（ P位）
氨基酰 -tRNA结合部位 （ A位）
转肽酶活性：催化氨基酸之间生成肽键
翻译的过程
? 翻译的启始：
在大肠杆菌的每轮翻译的末尾,核糖体解离
成大、小亚基。启始因子 1（ IF1） 促进这种解
离。
启始因子 3结合于游离的小亚基，组织了它与
大亚基的重新结合。
30S的启始复合物
? 30S的启始复合物由 30S的小亚基,fMet-
tRNA,mRNA组成。
? 30S小亚基与 mRNA的结合取决于 mRNA上的、
恰好在启始密码上游的、一段短的硷基顺序
AGGAGGU,即 Shine-Dalgarno (SD) 顺序与
16SrRNA 3`端一段互补硷基顺序配对。
? IF-3调节这一结合,IF-1,IF-2帮助调节这一
结合。这时 IF-1,IF-2,IF-3都结合在 30S的小
亚基上
在原核生物：
? 启始密码通常都是 AUG,但有时也可以是 GUG，
偶尔也可以是 UUG。
? 启始的氨基酰 -tRNA是甲酰 -蛋氨酸 -tRNA,记
为,fMet-tRNA。 它是第一个渗入肽链的氨基酸，
在肽链合成完毕后的加工过程中，常常被移出。
? IF2是促进 fMet-tRNA结合到 30S小亚基的主要
促进因子。其他的两个因子也起着主要的促进
作用。
? 在生理水平的 IF-2浓度下,IF-2的结合需要 GTP。
但此时它并不水解。
? 完整的 30S启始复合物含一分子 30S小亚基、一
分子 mRNA,一分子 fMet-tRNA和 IF-1,IF-2、
IF-3各一分子。
GTP的作用
? 50S的大亚基与 30S的启始复合物结合后,GTP
被水解。
? GTP的水解由 IF-2和 50S的大亚基一起催化。
GTP水解促使 IF-2和 GDP从启始复合物上释放。
? 这时肽链的延长开始
真核细胞蛋白质合成的启始
? 真核核糖体、启始的氨基酰 -tRNA结合于
mRNA的 5`帽子，然后向 3`方向扫描，直到发
现第一个位于适当的启始密码 AUG,而定位于
此。最适顺序是 ACCATGG。
? 大约 5~10%的情况是核糖体绕过第一个 ATG，
继续扫描更有利的 ATG。
? 有时，它们在一个上游的 AUG启动，翻译一个
短的阅读框。然后继续扫描在下游的 AUG再次
启动。
? mRNA5`端的二级结构对翻译的启动有促进或
抑制效应；恰在启始密码后的发夹结构可以迫
使核糖体停留在 AUG处，然后刺激启动。
? 在帽子和启始部位之间的、非常稳定的干环结
构能封闭核糖体的扫描，因而抑制翻译的启动。
? 某些病毒和细胞的 mRNA含有 IRES序列，该
序列能吸引核糖体直接进入 mRNA的内部。
真核启始因子的功能
? eIF-2促进启始的蛋氨酰 -tRNA与核糖体的结合。
? 通过用 ATP代替 ADP,eIF-2A激活 eIF-2。
? eIF-3结合于 40S的核糖体小亚基，
? eIF-4促进 60S大亚基与 40S小亚基复合物
（ 40S小亚基、启始的蛋氨酰 -tRNA和 Mrna）
的结合
? eIF-6结合于 60S的大亚基，阻止它与 40S亚基
的解离。
eIF-4F
? eIF-4F是一个 mRNA的帽子结合蛋白；它含有
三个部分,eIF-4E,eIF-4A,eIF-4G
? eIF-4E具有帽子结合的活性
? eIF-4E结合帽子后的复合物被其它两个亚基 eIF-
4A,eIF-4G稳定。
eIF-4A
? eIF-4A是 DEAD蛋白家族的成员、具有 RNA螺
旋酶的活性，此活性能解旋真核 mRNA5`端先
导顺序中的发夹结构，
? 另一个启始因子 eIF-4B有助于这一活性
? 这一活性需要 ATP分解供能。
? eIF-4G是一个衔接蛋白，能够与许多其它的蛋
白质结合，包括 eIF-4E,eIF-3,和 Pab1p（ 一
个多聚 A结合蛋白）。通过和这些蛋白相互作用
eIF-4G 。
? eIF-4G再循环 40S核糖体粒子到 mRNA和刺激翻
译的启动。
? 原核生物 mRNA的半受期很短。控制翻译在原
核生物中不普遍。然而，确实有翻译的调控存
在。 mRNA的二级结构可以控制翻译的启动。
? 核糖体可以反馈抑制它们自己的 mRNA的翻译。
? L1是通过结合于编码 L1和 L11的 mRNA上的干
环结构抑制该 mRNA的翻译。
? 真核生物的 mRNA的寿命相对较长，因此比原
核生物有更多的机会控制 mRNA的翻译。 eIF-2
的 ?-亚基就是翻译调控的靶。在缺乏血红素的
网质红细胞,HCR一种蛋白激酶是激活的。它
可以磷酸化 eIF-2的 ?-亚基，抑制它的启动作用。
再病毒感染的细胞，另一种蛋白激酶 DAI被激活，
它也可以磷酸化 eIF-2的 ?-亚基和抑制翻译的启
动
胰岛素和许多生长因子可以激活蛋白激酶
mTOR途径。 mTOR激酶的靶之一是蛋白质
PHAS-1（ 大白鼠）或者 是 4E-BP1（ 人类）。
一旦被磷酸化，这个蛋白质从 eIF-4E解离，释
放它参加功能活跃的翻译启动。
? 铁蛋白 mRNA的翻译是受铁诱导的。诱导的机
理如下：阻遏蛋白或蛋白质结合于铁蛋白
mRNA的 5`侧 UTR上的一个铁响应元件的干环
结构。铁有时可移出阻遏蛋白，允许 mRNA翻
译进行。
肽链的延长
肽链的延长发生于下列三个步骤：
1,EF-Tu,和 GTP将一个氨基酰 -tRNA结合于 A位。
（进位）
2,在 P位的肽和新结合于 A位的氨基酰 -tRNA之间
形成一个肽键，由转肽酶催化。
延长了一个氨基酸的肽链移位到 A位（转肽）
3,EF-G,和 GTP转移生长的肽酰 -tRNA以及
mRNA上的密码一起到 P位。（移位）
进位
? EF-Tu,氨基酰 -tRNA和 GTP形成的复合物递
交氨酰 -tRNA到核糖体的 A位，这一步不需要
GTP的水解，
? 在下一步,EF-Tu的核糖体依赖的 GTPase活
性水解 GTP,EF-Tu-GDP从核糖体解离，
? EF-Ts再生 EF-Tu-GTP,通过 GTP交换附着于
EF-Tu 上的 GDP,然后氨基酰 -tRNA的加入重
新形成三者的复合物为下一论的延长。
嘌呤霉素的作用
? 嘌呤霉素相似于氨基酰 -tRNA,这样它可以结合
于 A位，然后于结合于 P位的肽链相连，以肽酰
嘌呤霉素释放。另一方面，如果肽酰 -tRNA在 A
位，嘌呤霉素不能结合于核糖体，肽链不会被
释放。
? 这确定了核糖体上的两个部位,P位：嘌呤霉素
反应部位； A位嘌呤霉素不反应部位。
? 在 70S的核糖体上 P位的 fMet-tRNA是嘌呤霉素
反应的。结合试验鉴定了第三个部位,E位，是
结合脱氨基酸的 tRNA的。这样，当 tRNA存在
于核糖体时，假定 tRNA是结合于 E位的。
蛋白质合成的精确性
? 第一，在延长过程,GTP水解之前，去掉携带
桌错误的氨基酰 -tRNA的三者的复合物。第二，
如果这一步失败，在错误的氨基酸渗入延长的
肽链以前的矫正步骤中仍能出去错误的氨基酸。
? 这两步都依赖于不正确的密码与反密码微弱的
硷基配对，以保证去掉错误的氨基酸发生在
GTP和肽键生成之前。
? 这是翻译速度和精确性之间的平衡。
? 如果肽键的形成更快，不正确的氨基酰 -tRNA没
有足够的时间离开核糖体，这样这些氨基酸就
渗入进蛋白质，
? 但如果翻译进行的太慢，蛋白质的合成就不能
满足生物的生长。
肽键的形成（转肽）
? 肽键由一个核糖体上的酶，转肽酶催化合成。
在原核生物，这个酶在 50S的亚基上。 rRNA
在酶的活性上起主要作用，可构成了酶的催化
中心。
移位
? 每次移位移动 mRNA的一个密码（三个核苷酸
长）通过核糖体
? 移位需要 EF-G和 GTP,在移位发生之前 GTP都
不会水解。
? GTP的水解从核糖体释放 EF-G,这样新的一论
延长可以发生。
肽链合成的终止
? 终止密码 UAG,UAA,UGA在 mRNA编码区
的末端，是天然的肽链合成终止信号。如果阅
读框中的硷基发生突变，分别生成 UAG
（ amber突变）,UAA（ ochre突变）和 UGA
（ opal突变）那么就会引起肽链合成在中途终
止，形成早熟的肽链。
阻遏 tRNA
? 大多数的阻遏 tRNA有变化了的反密码，这种反
密码可以识别终止密码，在终止密码处插入氨
基酸，阻止了肽链合成的终止。允许核糖体继
续移位，肽链继续合成，一直到下一个终止密
码为止。
原核细胞翻译的终止
? 原核细胞翻译的终止被三个因子调节，即 RF-1、
RF-2,RF-3。
? RF-1识别终止密码 UAA和 UAG，
? RF-2识别终止密码 UAA和 UGA，
? RF-3是一个 GTP结合蛋白，有助于 RF-1,RF-
2结合于核糖体上。
真核细胞翻译的终止
? 真核细胞只有一个终子因子，它能识别所有
的三种终止密码。
? 真核细胞翻译的终止，也需要 GTP的水解，
假定是由另外一个蛋白 GTPase催化。
