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第十一章 蛋白质的生物合成（翻译） Protein Biosynthesis( Translation). 主要内容. 第一节 蛋白质生物合成体系 第二节 蛋白质的合成过程 第三节 蛋白质合成后的运送. 本章教学目的和要求： 掌握蛋白质的生物合成过程以及合成体系中的重要组分，了解蛋白质合成后的加工和运送特点。 重点、难点： 蛋白质的生物合成过程。. 部位 ： 核糖体 合成体系 ： mRNA 、 rRNA 、 tRNA ， 有关的酶和几十种蛋白质因子 原料 ： 20 种 L - 氨基酸 能量 ： ATP ， GTP 金属离子 ： Mg 2 ＋ 、 K ＋ 等.
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第十一章 蛋白质的生物合成（翻译） Protein Biosynthesis(Translation)
主要内容 • 第一节蛋白质生物合成体系 • 第二节蛋白质的合成过程 • 第三节蛋白质合成后的运送
本章教学目的和要求： 掌握蛋白质的生物合成过程以及合成体系中的重要组分，了解蛋白质合成后的加工和运送特点。 重点、难点： 蛋白质的生物合成过程。
部位：核糖体 合成体系：mRNA、rRNA、tRNA，有关的酶和几十种蛋白质因子 原料：20种L-氨基酸 能量：ATP，GTP 金属离子：Mg2＋、K＋等
第一节蛋白质生物合成体系 一、mRNA （一）原核生物和真核生物的mRNA的区别 原核生物：1、不稳定，半衰期2秒到几分钟； 2、胞液中合成，不需转移（因只有核区）； 3、其中SD序列（富含嘌呤的序列）与蛋白质合成起 始有关。 真核生物：1、较稳定，半衰期几个小时到24小时； 2、核质中合成，需转移到细胞质中的核糖体上； 3、其中“帽子结构” 与PRO合成起始有关；
相同点： UAA、UAG、UGA三种终止密码子与PRO合成终止、释放有关。
（二）遗传密码（密码子、三联体密码） mRNA链上的起编码一种AA作用的相邻的三个碱基，称为遗传密码。 1961年，Nirenberg等人提出，1966年，完全查清，20种AA对应64个密码子，其中有三个终止密码子。 阅读方向：5′ 3′
遗传密码字典 第一位（5ˊ） 第二位 第三位（3ˊ） U C A G UCAG U C UCAG A UCAG G UCAG
1、特点： （1）密码的无标点性、无重叠性 无标点性是指两个密码子之间没有任何核苷酸隔开； 无重叠性是指每三个碱基编码一个AA，碱基不重复使用。要连续不断的一个接一个往下读。
（2）密码子的简并性(degeneracy) 同一种氨基酸有两个或更多个密码子的现象。 同义密码子：编码同一个AA的一组密码子。 生物学意义： A：基因突变不一定引起基因表达产物PRO的变化，可减少有害突变。 B：简并性在生物物种的稳定性上有重要意义。
（3）密码子的摆动性（变偶性） (wobble) mRNA的第三位碱基具有较大的灵活性。 反密码子的第一位碱基与密码子的第三位碱基的配对可以在一定范围内变动。 反映出密码子和反密码子的配对具有摆动性，当第三位碱基发生突变时，仍能翻译出正确的AA，使合成的多肽仍具有生物学活性。
（4）密码子的通用性(universal)和例外 病毒、原核生物、真核生物都共同使用同一套密码词典。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 但在1979年发现线粒体的遗传密码与通用密码表有区别，1980年又发现不同生物的线粒体密码也不尽相同。植物细胞的叶绿体密码也不尽相同可见遗传密码并非绝对通用。
2、起始密码子和终止密码子 起始密码子：AUG，常用，又编码Met； GUG，少数，又编码Val。 终止密码子：无义密码子，UAA、UAG、UGA，但是是稀有AA进入肽链的正常途径。
3、密码的防错系统 密码子的碱基顺序与其相应AA物理化学性质之间存在巧妙的关系。 （1）中间是U，AA是非极性、疏水性的； （2）中间是C，AA是非极性的或具有不带电荷的极性侧链； （3）中间是A或G，AA是亲水性的； （4）第一位是A或G，第二位是A或G，AA具有可解离的亲水侧链并具碱性； （5）前二位是AG，AA具酸性亲水侧链。
遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。 • 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为多顺反子(polycistron)。 • 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron)。
二、tRNA 同功受体tRNA：把携带相同AA而反密码子不同的一组tRNA称为同功受体tRNA。功能： （一）3′—端接收AA 3′—端的碱基顺序是—CCA，活化的AA的羧基连接到3′末端腺苷的核糖3′—OH上，形成氨酰tRNA。 酶：氨酰tRNA合成酶 需三种底物：AA、tRNA、ATP。
（二）识别mRNA链上的密码子 tRNA链上的反密码子与mRNA链上的密码子的方向相反并可按照碱基互补配对原则识别，使不同AA按照密码子决定的次序进入多肽链中。 由于配对具摆动性，因此一种tRNA分子可识别一种以上的同义密码子。
A U C tRNA反密码子与mRNA上的密码子配对
（三）连接多肽链和核糖体 多肽链通过tRNA暂时结合在核糖体的正确位置，直至合成终止后多肽链才从核糖体上脱下。
tRNA对AUG的识别： 即AUG到底是作为起始密码子还是作为编码Met的密码子： 1、对原核生物，起始AUG的5′上游区有SD序列； 2、由两种tRNA来识别 tRNAi（真核）和tRNAf（原核）识别起始AUG。 tRNAm识别编码Met的AUG，使肽链延长。
S-D序列 mRNA起始密码AUG上游约8~13个核苷酸处，有4~9个核苷酸组成的富含嘌呤的一致序列，以…AGGA…为核心
（四）tRNA具有校正功能 通过DNA上的校正基因转录出校正tRNA，来校正DNA上的变异基因转录的变异mRNA，从而翻译出正常蛋白质。
校正基因 变异基因 转录 转录 校正tRNA 变异mRNA 翻译 （正常蛋白质） 校正tRNA的校正功能
三、rRNA及核糖体 1、核糖体的功能：是PRO的合成场所。 2、核糖体的组成： PRO：RNA=1：2 由大、小两个亚基组成： 原核生物：70S（30S和50S），包括16S、5S、23S。 真核生物：80S（40S和60S），包括18S、5S、28S、5.8S。
3、核糖体具三种状态 单核糖体：呈游离状态，无活性； 多核糖体：与mRNA结合，一条mRNA上结合多个核糖体，大约每隔40个核苷酸结合一个核糖体； 核糖体亚基：新肽链合成释放后，从mRNA上脱离下的核糖体亚其，具有活性，可直接参与另一轮蛋白质的合成，也可以聚合成稳定的单核糖体。
4、核糖体上有三个重要的结合RNA的部位（三位点）4、核糖体上有三个重要的结合RNA的部位（三位点） A位：氨酰基位点，位于大亚基上，结合氨酰tRNA； P位：肽酰基位点，位于小亚基上，结合起始氨酰tRNA和肽基tRNA； E位：专供tRNA离开。 R位：氨酰tRNA准备进入A位的位点。
原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式 P位：肽酰位 (peptidyl site) A位：氨基酰位 (aminoacyl site) E位：排出位 (exit site)
第二节蛋白质的合成过程 一、AA的活化 是获得能量的过程。 部位：胞液 AA＋ATP＋氨酰tRNA合成酶AA—AMP—E＋PPi （活化） Mg2＋或Mn2＋ AA—RNA＋AMP＋PPi＋E（转移） tRNA
Mg2+ ATP PPi tRNA-OH －O~AMP·酶 AMP＋酶 tRNA-O-C-CH-NH2 O = R 氨基酰-tRNA 氨酰tRNA合成酶只作用于L—AA。 此步消耗2个高能磷酸键。 氨基酰-tRNA合成酶 NH2 R-CH-CO NH2 R-CH-COOH
二、起始 翻译起始于mRNA与核糖体的结合，需在mRNA上选择合适位置的起始密码AUG： 1、真核mRNA中，最靠近5′端的AUG序列通常是起始密码； 2、原核mRNA中，起始AUG可在mRNA上的任何位置，并且一个mRNA上可以有多个起始位点，为多个蛋白质编码，识别靠SD序列，在起始AUG附近有10个碱基左右位置能与细菌16s核糖体RNA互补配对。 起始AA都是甲酰甲硫氨酸fMet，由tRNAf转运。 部位：mRNA的5′ 3′第25个核苷酸以后。
（一）fMet—tRNAf的合成 甲酰化酶 Met—tRNAf＋N10 —甲酰四氢叶酸 fMet—tRNAf＋四氢叶酸 Met—tRNAf的Met的—NH2甲酰化。 该酶特异性强，不能催化Met或Met—tRNAm。
（二）肽链合成的起始 需要核糖体30S和50S亚基；带有起始密码子AUG的mRNA；fMet—tRNAf；起始因子IF1、IF2、IF3。 1、核蛋白体大小亚基分离（IF1、IF3） 在IF1、IF3 参与下，70S核糖体解离为50S大亚基和30S小亚基，IF3与30S小亚基结合。IF1占据A位；
核蛋白体大小亚基分离 IF-1 IF-3
2、mRNA在小亚基上定位结合 形成mRNA—30S—IF1—IF3复合物，并使30S小亚基上的P位正好对准mRNA上的AUG位，便于fMet—tRNAf进入；
mRNA 5' 3' A U G mRNA在小亚基定位结合 IF-1 IF-3 • mRNA与小亚基的结合依赖于： • SD序列与16S rRNA 3’端部分序列的互补 • rps-1与mRNA上SD序列后的一段序列识别结合
S-D序列(Shine-Dalgarno sequence ) mRNA起始密码AUG上游约8~13个核苷酸处，有4~9个核苷酸组成的富含嘌呤的一致序列，以…AGGA…为核心。
3、fMet—tRNAf的结合（ IF2，GTP） 促使fMet—tRNAf进入部分P位，形成GTP—IF2—fMet—tRNAf复合物；
IF-2 GTP 5' 3' A U G fMet-tRNAf结合到小亚基 IF-1 IF-3
4、mRNA—30S—IF1—IF3和GTP—IF2—fMet—tRNAf结合，释放IF3，形成mRNA—30S—fMet—tRNAf—GTP—IF1，2起始复合物（前起始复合物）；4、mRNA—30S—IF1—IF3和GTP—IF2—fMet—tRNAf结合，释放IF3，形成mRNA—30S—fMet—tRNAf—GTP—IF1，2起始复合物（前起始复合物）； 5、形成70S起始复合物（mRNA—70S—fMet—tRNAf ）。前起始复合物与50S大亚基结合，同时GTP GDP＋Pi，释放IF1和IF2 。此时核糖体有活性。 P位和A位处于正确状态： P位：被fMet—tRNAf占据； A位：准备接受另一个氨酰tRNA。
50S IF-2 GDP＋Pi 50S mRNA 5' 5' 3' 3' A A U U G G IF-1 IF-3 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成 IF-2 GTP IF-1 IF-3
