18 蛋白质合成

1. 18 蛋白质合成

2. 18.1 遗传密码是三联体密码 18.2 蛋白质合成需要tRNA分子 18.3 氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸结合在tRNA分子上 18.4 核糖体是蛋白质合成的场所 18.5 tRNA是蛋白质合成中的分子适配器 18.6 氨基酸是通过特异的氨酰-tRNA合成酶的催化结 合在tRNA上的 18.7 多肽合成主要包括起始、延伸和终止三个过程 18.8 信号肽序列指导蛋白质定位 18.9 蛋白质的合成受到许多抗生素和毒素的抑制

3. 核酸中的核苷酸残基序列是按照遗传密码确定蛋白质中氨基酸序列的，密码在几乎所有的生物中都是通用的。核酸中的核苷酸残基序列是按照遗传密码确定蛋白质中氨基酸序列的，密码在几乎所有的生物中都是通用的。 • 遗传密码翻译成氨基酸序列是借助于一类称为tRNA进行的。它将贮存在mRNA中的遗传信息与多肽的一级序列联系起来。 • tRNA与mRNA的联系是通过碱基配对。mRNA上的序列称为密码子，而与密码配对的tRNA上的序列称为反密码子。 • 对于mRNA上的每一个密码，与该密码互补的tRNA就将携带一个相应于该密码的氨基酸到生长的肽链处。 • 遗传密码指的就是mRNA编码的指定序列。

4. 翻译需要一个联系mRNA和蛋白质的 双功能适配器分子

5. 在细菌中，转录和翻译是耦联在一起的。 细菌 在真核生物中，mRNA是在细胞核中合成的，而蛋白质合成发生在细胞质中，是通过细胞质中游离的核糖体，或是通过与内质网相连的核糖体合成的 真核生物

6. 18.1 遗传密码是三联体密码 蛋白质是由20种氨基酸组成的，而DNA只是由A，T，C和G四种核苷酸构成的，但核苷酸残基序列决定了氨基酸的顺序，这是一种密码（codons）的关系。 简单计算表明，如果1个密码就是一个核苷酸残基，则只能编码四种氨基酸；如果1个密码是由2个核苷酸残基构成的，也只能编码16种氨基酸（42）；如果以3个核苷酸残基作编码单元就可编码64种氨基酸（43＝64）。 后来三个不同的实验证明遗传密码是mRNA上3个连续的核苷酸残基构成的，所以密码称为三联体密码，下图给出了三个证明遗传密码是三联体密码的著名实验的示意图。

7. 证明三联体密码的三个著名实验的示意图 （b）结合核糖体的研究 （c）重复核苷酸聚合物的翻译 （a）核苷酸同聚物的翻译

8. 第一个实验是1961年由美国的M. Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。 多聚（U）编码多聚 Phe； 多聚（A）编码多聚 Lys； 多聚（C）编码多聚 Pro。

9. 第二个实验是1964年也是由美国的M. Nirenberg等人完成的。他们首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸。 该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据

10. 第三个实验是由Jones,Khorana等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可生成三种重复的多肽链。 若从A翻译，则合成出多聚 Ile，即AUC对应 Ile；若从U翻译，则合成出多聚 Ser，即UCA对应 Ser；若从C翻译，则合成出多聚 His，即CAU对应 His。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成。

11. 通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作，于1966年全部密码都被破译。共有64个密码，其中61个密码是编码氨基酸的，其余3种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作，于1966年全部密码都被破译。共有64个密码，其中61个密码是编码氨基酸的，其余3种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。

12. 第二位 第一位 5端 第三位 3端 遗传密码表

13. 遗传密码按5ˊ→ 3ˊ方向书写。术语密码通常指的是mRNA中的核苷酸三联体，也可应用于编码蛋白质的基因的DNA序列中的核苷酸三联体。例如TAC是用于编码Tyr 的DNA密码。 密码具有以下一些显著特点： 1. 大多数氨基酸都存在几个密码。例如 Ser 就有6个密码。因为大多数氨基酸都存在几个密码，所以遗传密码具有简并性。确定同一个氨基酸的不同密码被称为同义密码。密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基酸是Trp和Met。 2. 一个密码的头两个核苷酸残基足可以确定一个给定的氨基酸。例如编码 Gly 的密码有4个，都开始于GG：GGU，GGC，GGA，和GGG。所以，即使3ˊ位的核苷酸残基突变，通常仍会导致同一个氨基酸整合到蛋白质中。

14. 3. 具有类似序列的密码往往指定化学性质类似的氨基酸 例如苏氨酸密码与4个丝氨酸密码的差别只是处于5ˊ位的核苷酸不同；天冬氨酸和谷氨酸的密码都开始于GA只是3ˊ位的核苷酸不同。 4. 64个密码中有61个密码编码氨基酸，余下的3个密码（UAA，UGA，和UAG）为终止密码。 终止密码一般不能被任何tRNA分子识别，但能被特殊的蛋白质识别，引起新合成的肽链从翻译机器上脱落。蛋氨酸密码AUG也常常充当蛋白质合成的起始密码，所以常称AUG为起始密码。在蛋白质合成一章中将看到其它的密码也可以充当起始密码。

15. 如果按不重叠读码，在没有给定读码框时，可有三种读码方式。如果按不重叠读码，在没有给定读码框时，可有三种读码方式。

16. 如果按重叠读码（a），则变成了： 与非重叠读码比较

17. 18.2 蛋白质合成需要tRNA分子 tRNA分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译，是mRNA的核苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之间的桥梁。每一个细胞内至少含有20种tRNA（一种氨基酸对应一种tRNA），就是说每种tRNA应当能够至少识别一个mRNA密码，才能满足它作为适配器的作用。 18.2.1 所有的tRNA都具有类似的三维结构 不同来源的tRNA一级结构不同，但它们几乎具有类似于三叶草形的二级结构。最早确定的tRNA结构是丙氨酸-tRNA，是由Holley确定的。

18. 结合氨基酸部位 Ala-tRNA三叶草式的二级结构 反密码子

19. tRNA分子的5ˊ端和3ˊ端附近的碱基配对形成tRNA分子的一个臂，该臂称为氨基酸臂。一个成熟的tRNA分子的3ˊ端的核苷酸序列总是CCA（3ˊ），一个特异的氨基酸通过它的羧基与tRNA的核苷酸残基3ˊ端的2ˊ或3ˊ羟基形成的共价键连接在tRNA分子上。5ˊ端的核苷酸都是磷酸化的，大多数tRNA分子5ˊ端的核苷酸残基为鸟苷酸残基（pG）。tRNA分子的5ˊ端和3ˊ端附近的碱基配对形成tRNA分子的一个臂，该臂称为氨基酸臂。一个成熟的tRNA分子的3ˊ端的核苷酸序列总是CCA（3ˊ），一个特异的氨基酸通过它的羧基与tRNA的核苷酸残基3ˊ端的2ˊ或3ˊ羟基形成的共价键连接在tRNA分子上。5ˊ端的核苷酸都是磷酸化的，大多数tRNA分子5ˊ端的核苷酸残基为鸟苷酸残基（pG）。 在氨基酸臂对面的单链环称为反密码环，该环含有由三个核苷酸残基组成的反密码子，反密码子与mRNA中的互补密码结合。含有反密码子的臂称为反密码臂。

20. tRNA分子的另外两个臂是根据臂中含有修饰的核苷酸而命名的，含有胸腺嘧啶核苷酸（T）（在RNA中很少见到）、假尿嘧啶核苷酸（ψ）和胞嘧啶核苷酸（C）残基的臂称之TψC臂。 含有二氢尿嘧啶核苷酸残基的臂称为D臂，不同tRNA的D臂也稍有不同。 在反密码臂和TψC臂之间，tRNA分子中还含有另一个可变臂（也称为额外环），可变臂大约由3到21个核苷酸组成。大多数tRNA中核苷酸残基数在73和95之间。

21. 在三维空间，tRNA分子折叠成倒L型：氨基酸臂位于L型分子的一端，反密码环则处于相反的一端。在三维空间，tRNA分子折叠成倒L型：氨基酸臂位于L型分子的一端，反密码环则处于相反的一端。 tRNA分子中的大多数核苷酸都处于两个成直角的、堆积的螺旋中。碱基之间堆积的相互作用对tRNA的稳定性具有重要的贡献。 tRNA的倒L型三级结构

22. 18.2.2 “ 摆动 ”容许某些 RNA 识别几个密码 密码和反密码之间碱基配对规则一般为A与U配对，G与C配对，并且配对区内的链是反平行的，但实际上存在某些变通性。Crick将这种变通性称之“ 摆动” 。因此反密码的5ˊ位有时也称为摆动位置。下表给出了反密码的5ˊ（摆动）位和mRNA的3ˊ位之间的碱基配对原则。

23. 次黄嘌呤核苷酸（I）常常出现在tRNA的5ˊ（摆动）位，I可以与U，C和A形成氢键次黄嘌呤核苷酸（I）常常出现在tRNA的5ˊ（摆动）位，I可以与U，C和A形成氢键 带有反密码子IGC的tRNAAla分子可以与特异编码Ala的三个密码（GCU，GCC，GCA）中的任一个结合

24. 18.3 氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸结合在tRNA分子上 一个特定的氨基酸经酶催化可以连接到相应的tRNA分子的3ˊ端上，该酶称为氨酰-tRNA合成酶，产物称为氨酰-tRNA。氨基酸与tRNA之间形成的键是高能键，称为氨酰-tRNA键。常用tRNAAA表示可结合某种氨基酸的tRNA种类，Ala-tRNAAla表示携带了丙氨酸的tRNAAla。 由于整合到蛋白质中的氨基酸有20种，从理论上讲，在每一个细胞中至少应当存在着20种氨酰tRNA合成酶。然而也不会多于20种，因为一种氨酰tRNA合成酶能够识别几个同工tRNA分子。例如虽然存在着6个编码Ser的密码和几个同工tRNA Ser分子，但这些tRNA Ser都可被单一的丝氨酰-tRNA合成酶所识别。蛋白质合成的精确度依赖于氨酰-tRNA合成酶催化正确的氨基酸连接到相应的tRNA分子上。

25. 氨酰-tRNA合成酶催化tRNA的氨酰化是通过两步反应完成的。氨基酸被氨酰-tRNA合成酶激活在原理上类似于脂肪酸的激活，总反应为：氨酰-tRNA合成酶催化tRNA的氨酰化是通过两步反应完成的。氨基酸被氨酰-tRNA合成酶激活在原理上类似于脂肪酸的激活，总反应为： 氨基酸＋tRNA ＋ATP = 氨酰-tRNA＋AMP＋PPi

26. 18.4 核糖体是蛋白质合成的场所 蛋白质合成是在 mRNA 模板指导下进行的，合成过程分为肽链起始、延伸和终止阶段。蛋白质的合成是通过一个复杂的复合体完成的。这个复合体是由核糖体和附属的蛋白质因子以及mRNA和负载的tRNA分子组成的，常将该复合体称之翻译复合体。 蛋白质合成发生在核糖体中，核糖体是由一个大亚基和一个小亚基组成的。E.coli中的小亚基是30S亚基；而大亚基是50S亚基。在蛋白质合成期间，两个亚基结合形成一个70S核糖体。核糖体含有三个部位：A（aminoacyl：氨酰）位、 P（peptidyl：肽酰）位 和E（exit：退出）位。

27. E.Coli.核糖体组成示意图

28. 核糖体中结合两个tRNA的部位

29. 18.5 翻译开始于一个起始复合体的形成 18.5.1 起始复合体只可在起始密码处组装 翻译的第一个密码一般都是AUG。由于AUG也是蛋氨酸的密码，因此翻译机器需要区别起始和内部蛋氨酸的密码。 在原核生物中，起始密码的选择不仅取决于tRNA的反密码子和mRNA密码子的相互作用，也取决于核糖体的小亚基与mRNA模板的相互作用。 30S亚基是在紧靠起始密码的上游的一个富含嘌呤碱基的区域与mRNA结合。这个被称之SD的区域与16S rRNA的3ˊ端的一个富含嘧啶片段互补。在形成起始复合体时，互补的核苷酸对形成一个双链结构，使得mRNA结合到核糖体上。mRNA与16S rRNA的这一非翻译片段之间的配对将起始密码定位在P部位，确立了正确的阅读框架。

30. E.coli mRNA中的SD序列

31. 18.5.2 起始需要一个特殊的tRNA分子 在每个细胞内至少存在着两个不同的识别AUG密码的蛋氨酰-tRNAMet分子，一个只在起始密码处用，称之起始tRNA，另一个只识别内部的蛋氨酸密码。 在细菌中结合了蛋氨酸的起始tRNA称蛋氨酰-tRNAfMet，它是一个甲酰基转移酶的底物，该酶将来自N10-甲酰四氢叶酸的甲酰基连接到蛋氨酰-tRNAfMet中的蛋氨酰的氨基上，生成N-甲酰蛋氨酰-tRNAfMet（fMet-tRNAfMet）。 fMet-tRNAfMet的结构

32. 18.5.3 起始复合体的形成涉及三个步骤 （1）IF－1结合在30S核糖体亚基上。 （2）结合了GTP的IF-2-GTP复合体可以特异识别起始tRNA。 （3）一旦形成前起始复合体，50S 亚基就与30S 亚基结合，最后形成由30S与 50S组成的起始复合体，fMet-tRNAfMet被定位在P位。

33. 18.6 肽链延伸涉及三个反应的循环 （1）将正确的氨酰-tRNA定位在A位； （2）形成肽键； （3）使mRNA相对于核糖体移动一个密码（移位）。 （4）释放卸载的tRNA。

34. 通过氨酰基－转移反应形成肽键

35. 18.7 特殊信号终止了肽链的合成 mRNA移位使一个终止密码（UAA、UAG或UGA）处于A位，氨酰-tRNA通常不能结合到核糖体上。 在E.Coli中，RF－1、RF－2和RF－3三个释放因子能够识别终止密码。释放因子RF－1可以与UAA和UAG结合，而RF－2能与UAA和UGA结合，RF－3与RF－1或RF－2结合形成异二聚体。RF－3也结合GTP。 当异二聚体在A位与mRNA结合后，改变了肽酰转移酶的活性，使得该酶能够水解肽酰-tRNA酯。伴随着GTP的水解和释放因子从核糖体的解离，最后的多肽产物从核糖体释放出来。

36. 18.8 信号肽序列指导蛋白质定位 在真核生物中，许多加工修饰过程都是发生在特定的细胞器中。例如蛋白质的糖基化就需要存在于内质网和高尔基体中的酶。而真核生物中蛋白质合成发生在细胞质中。新合成的蛋白质通过细胞质向不同细胞器的转移，这种转移称为蛋白质运输或寻靶。 定向于一个特定亚细胞区的每一种蛋白质都带有确定其最终位置的信号，这个信号就象信封上的地址。用于蛋白质寻靶的分子信号是一段氨基酸序列。术语信号肽常用来特指指导蛋白质跨过内质网的信号，从更广泛的意义上讲，信号肽指的是指导蛋白质寻靶的任何一段连续的氨基酸序列。

37. 下图给出了几种真核生物蛋白质的信号肽序列和这些蛋白质在细胞内的最终去向。使蛋白质定向于内质网的信号序列研究的最清楚。内质网信号肽的长度通常为10个氨基酸左右，大多数都是由疏水氨基酸残基组成，例如Leu, Val, Ile, Tyr,或Trp。典型的信号肽的N末端一侧含有一个带正电荷的氨基酸，例如Arg或Lys，而C末端一侧含有极性氨基酸或Ala。

38. 几种真核生物蛋白质的信号肽序列

39. 两种主要的蛋白质寻靶途径

40. 18.9 蛋白质的合成受到许多抗生素和毒素的抑制 许多微生物可以生产抗生素，它们利用这些抗生素作为化学防御武器抵御竞争者和来犯之敌。某些抗生素通过抑制肽键的形成防止细菌的生长。例如抗生素嘌呤霉素的结构非常类似于氨酰-tRNA的3’末端的结构。因为结构上的相似，嘌呤霉素可以进入核糖体的A位。肽酰转移酶催化新生成的多肽转移至嘌呤霉素的游离的氨基上。由于肽酰－嘌呤霉素在A位处的结合弱，很快就从核糖体上解离，因此就可终止蛋白质的合成。

41. 尽管嘌呤霉素可以有效地阻止原核生物的蛋白质合成，但它不能用于临床，因为嘌呤霉素同样也阻止真核生物中的蛋白质合成，所以嘌呤霉素对人是有毒的。临床上可用的抗生素应当是对细菌的蛋白质合成是特异的，而对人是没有作用的抑制剂。尽管嘌呤霉素可以有效地阻止原核生物的蛋白质合成，但它不能用于临床，因为嘌呤霉素同样也阻止真核生物中的蛋白质合成，所以嘌呤霉素对人是有毒的。临床上可用的抗生素应当是对细菌的蛋白质合成是特异的，而对人是没有作用的抑制剂。

42. 嘌呤霉素的作用机制

43. 四环素和氯霉素是两个能特异抑制细菌翻译的抗生素。四环素可以和原核生物核糖体的30S亚基结合，就是说，封住了A位点，阻止氨酰-tRNA进入A位。在体外，四环素也可以作用于真核生物的核糖体，但由于它不能跨细胞质膜转运，所以它不能抑制真核生物蛋白质的合成。氯霉素可以与50S的核糖体亚基相互作用，抑制肽酰转移酶，所以可以广泛用作治疗细菌感染的药物。四环素和氯霉素是两个能特异抑制细菌翻译的抗生素。四环素可以和原核生物核糖体的30S亚基结合，就是说，封住了A位点，阻止氨酰-tRNA进入A位。在体外，四环素也可以作用于真核生物的核糖体，但由于它不能跨细胞质膜转运，所以它不能抑制真核生物蛋白质的合成。氯霉素可以与50S的核糖体亚基相互作用，抑制肽酰转移酶，所以可以广泛用作治疗细菌感染的药物。

44. 链霉素抑制蛋白质合成的起始，也能引起肽链延伸阶段的mRNA的错读，改变细菌中翻译的忠实性。链霉素抑制蛋白质合成的起始，也能引起肽链延伸阶段的mRNA的错读，改变细菌中翻译的忠实性。 白喉毒素是已知的毒性最大的毒素，只要一分子的白喉毒素就足可以使真核细胞内的延伸因子eEF-2失活，导致死亡。 蓖麻毒蛋白是从蓖麻中分离出来的，其作用模式是通过切断N苷键除去腺嘌呤碱基使真核生物的28S rRNA失活，导致翻译终止。

46. 要点归纳 1. 蛋白质合成也称之为翻译，因为以核酸序列存在的遗传信息被翻译成不同的“语言”，即蛋白质中的氨基酸序列。蛋白质合成是个非常复杂的过程，涉及到包括mRNA、rRNA、tRNA、氨酰-tRNA合成酶和许多蛋白质因子在内的100多种大分子协同配合、相互作用。 2. 在核酸的碱基序列中含有遗传信息，指定多肽链中氨基酸序列的碱基序列称之为遗传密码。mRNA是由DNA中的模板链转录来的，mRNA中三个连续核苷酸序列构成了编码氨基酸的密码子（三联体密码）。遗传密码由64个密码子组成，其中61个密码子是编码氨基酸的，其余UAA，UAG和UGA 3个密码子是终止密码子。遗传密码是通用的，但线粒体密码不同于所谓的通用密码。

47. 3. 密码子具有简并性，即大多数氨基酸都有几个同义密码子，即许多密码子编码同一个氨基酸，而且处于密码子头两个位置的核苷酸足以指定一个氨基酸，所以处于第三个位置的核苷酸即使发生突变也不会改变密码子的意义。另外，具有类似核苷酸序列的密码子编码的氨基酸的化学性质往往相近。 4. 读码的起点确定了一个基因的读码框。读码起点的漂移有时会改变整个遗传信息。密码子中碱基突变有时会改变密码子的意义，一个核苷酸的取代可能会使一个错误的氨基酸整合到合成的蛋白质中。

48. 5. 三种类型RNA（mRNA,rRNA 和tRNA）参与蛋白质合成。mRNA是由DNA中的模板链转录来的，mRNA与模板链互补、而且与该链反平行。在真核生物中，mRNA在细胞核中合成，然后进入细胞质，与合成蛋白质部位－核糖体结合。tRNA分子是将核酸和氨基酸联系起来的适配器，它可携带激活的氨基酸，并且在核糖体处通过互补碱基配对与mRNA相互作用，将氨基酸转移到生长着的肽链上。 6. 所有tRNA分子都含有一些确定的结构特征，tRNA分子中往往都含有许多保守和共价修饰的核苷酸，其中一些核苷酸对tRNA分子的二级和三级结构有稳定作用。tRNA分子的二级结构为三叶草型，含有4个臂（碱基配对区）和3个环。氨基酸臂可共价结合氨基酸，反密码子环上的反密码子通过碱基配对与mRNA中的密码子相互作用。tRNA分子的三级结构为倒L型。

49. 7. 反密码子与mRNA中的密码子相互作用，在5′位有一定的柔性（摆动性），即在该位置允许非标准碱基配对。结合同一个氨基酸但具有不同反密码子的tRNA（同工tRNA）可以与同一个密码子通过碱基配对相互作用。 8. 每一种氨基酸都是通过氨酰-tRNA合成酶被激活，并且与特殊的tRNA相连，该合成酶催化一个氨基酸的羧基通过酯键与处于tRNA 3′末端CCA序列的腺苷酸（A）残基的2′或3′羟基连接，该过程称为氨基酸活化，反应需要ATP，PPi水解为无机磷酸释放的能量驱动氨基酸的活化。对于每一种氨基酸来说至少存在着一个特异的氨酰-tRNA合成酶和至少一个特异的tRNA分子。

50. 9. 氨酰-tRNA合成酶利用功能基团和他的关联氨基酸的形状可以防止不正确的氨基酸结合在tRNA上。某些氨酰-tRNA合成酶还具有校正活性，通过水解可以除去已经连接的不正确氨基酸。 10. 蛋白质合成发生在核糖体中，核糖体是由一个大亚基和一个小亚基组成的。在E.coli中，小亚基是30S亚基，含有21种蛋白质和一分子的16S rRNA；而大亚基是50S亚基，含有31种蛋白质和5S与23S两种rRNA分子。在蛋白质合成期间，两个亚基结合形成一个70S核糖体。真核生物的核糖体比原核生物的大（由40S和60S亚基组成的80S核糖体）和含有更多的蛋白质。真核生物核糖体的大亚基含有3分子rRNA（28S，5S和5.8S）。