id=”hi-170821″>第二节 蛋白质生物合成过程

自然界由mRNA编码的氨基酸共有20种,只有这些氨基酸能够作为蛋白质生物合成的直接原料。某些蛋白质分子还含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等,这些特殊氨基酸是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的。

蛋白质生的合成亦称为翻译,即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋折质或多肽链中的氨基酸排列顺序过程。这也是基因表达的第二步,产生基因产物蛋白质的最后节段。不同的组织细胞具有不同的生理功能,是因为它们表达不同的基因,产生具有特殊功能的蛋白质,参与蛋白质生物合成的成份至少有200种,其主要体第主要由mRNA、tRNA、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子共同组成。

DNA是遗传信息的载体,遗传信息的作用通常由蛋白质的功能来实现,但DNA并非蛋白质合成的直接模板,合成蛋白质的模板是RNA。正常细胞遗传信息的流向是:

mRNA是合成蛋白质的直接模板

原核生物与真核生物的蛋白质合成过程中有很多的区别,真核生物此过程更复杂,下面着重介绍原核生物蛋白质合成的过程,并指出真核生物与其不同这处。

与DNA相比,RNA种类繁多,分子量相对较小,一般以单股链存在,但可以有局部二级结构,其碱基组成特点是含有尿嘧啶(uridin,U)而不含胸腺嘧啶,碱基配对发生于C和G与U和A之间,RNA碱基组成之间无一定的比例关系,且稀有碱基较多。此外,tRNA还具有明确的三级结构。

原核细胞中每种mRNA分子常带有多个功能相关蛋白质的编码信息,以一种多顺反子的形式排列,在翻译过程中可同时合成几种蛋白质,而真核细胞中,每种mRNA一般只带有一种蛋白质编码信息,是单顺反子的形式。mRNA以它分子中的核苷酸排列顺序携带从DNA传递来的遗传信息,作为蛋白质生物合成的直接模板,决定蛋白质分子中的氨基酸排列顺序。不同的蛋白质有各自不同的mRNA,mRNA除含有编码区外,两端还有非编码区。非编码区对于mRNA的模板活性是必需的,特别是5’端非编码区在蛋白质合成中被认为是与核糖体结合的部位。见图18-2。

蛋白质生物合成可分为五个阶段,氨基酸的活化、多肽链合成的起始、肽链的延长、肽链的终止和释放、蛋白质合成后的加工修饰。

表15-7 RNA的分类

图18-2 (a)原核生物mRNA)为多顺反子(b)真核生物mRNA为单顺反子

氨基酰-tRNA的生成

细胞核和胞液线粒体功能核蛋白体RNArRNAmt
tRNA核蛋白体组成成分信使RNAmRNAmt mRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNAmt
tRNA转运氨基酸不均一核RNAhnRNA成熟mRNA的前体小核RNAsnRNA参与hnRNA的剪接、转运小胞浆RNAscRNA/7SL-RNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分

澳门新葡新京888882 ,mRNA分子上以5’→3’方向,从AUG开始每三个连续的核苷酸组成一个密码子,mRNA中的四种碱基可以组成64种密码子。这些密码不仅代表了20种氨基酸,还决定了翻译过程的起始与终止位置。每种氨基酸至少有一种密码子,最多的有6种密码子。从对遗传密码性质的推论到决定各个密码子的含义,进而全部阐明遗传密码,是科学上最杰出的成就之一,科学家们设计了十分出色的遗传学和生物化学实验,于1966年编排出了遗传密码字典。见表18-1。

氨基酸在进行合成多肽链之前,必须先经过活化,然后再与其特异的tRNA结合,带到mRNA相应的位置上,这个过程靠氨基酰tRNA合成酶催化,此酶催化特定的氨基酸与特异的tRNA相结合,生成各种氨基酰tRNA.每种氨基酸都靠其特有合成酶催化,使之和相对应的tRNA结合,在氨基酰tRNA合成酶催化下,利用ATP供能,在氨基酸羧基上进行活化,形成氨基酰-AMP,再与氨基酰tRNA合成酶结合形成三联复合物,此复合物再与特异的tRNA作用,将氨基酰转移到tRNA的氨基酸臂(即3′-末端CCA-OH)上(图18-5和图18-6)。

注:原核细胞不含后3种RNA

表18-1 氨基酸的密码

图18-6 氨基酰-tRNA的生成

(一)信使RNA(mRNA)与不均一核RNA(hnRNA)

5’末端中间碱基3’末端UCAGU苯丙F丝(Ser)S酪(Tyr)Y半胱(Cys)CU苯内(Pne)丝(Ser)酪(Tyr)半胱(Cys)C亮(Leu)L丝(Ser)终止信号终止信号A亮(Leu)丝(Ser)终止信号色(Trp)GC亮(Leu)脯P组H精RU亮(Leu)脯组精C亮(Leu)脯谷胺Q精A亮(Leu)脯精GA异亮I苏T天胺N丝(Ser)SU异亮苏天胺丝(Ser)C异亮苏赖K精RA*蛋M(起动信号)苏赖精GG缬V丙A天D甘GU缬丙天甘C缬丙谷E甘A缬丙谷甘G

原核细胞中起始氨基酸活化后,还要甲酰化,形成甲酰蛋氨酸tRNA,由N10甲酰四氢叶酸提供甲酰基。而真核细胞没有此过程。

遗传信息从DNA分子抄录到RNA分子中的过程称为转录(transcription)。在真核生物中,最初转录生成的RNA称为不均一核RNA(heterogeneous
nuclearRNA,hnRNA),然而在细胞浆中起作用,作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的是mRNA(messengerRNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前体。两者之间的差别主要有两点:一是hnRNA核苷酸链中的一些片段将不出现于相应的mRNA中,这些片段称为内含子(intron),而那些保留于mRNA中的片段称为外显子(exon)。也就是说,hnRNA在转变为mRNA的过程中经过剪接,被去掉了一些片段,余下的片段被重新连接在一起;二是mRNA的5′末端被加上一个m7pGppp帽子,在mRNA3′末端多了一个多聚腺苷酸(polyA)尾巴。mRNA从5′末端到3′末端的结构依次是5′帽子结构,5′末端非编码区,决定多肽氨基酸序列的编码区,3′末端非编码区,和多聚腺苷酸尾巴。多聚腺苷酸尾一般由数十个至一百几十个腺苷酸连接而成。随着mRNA存在时间的延续,这段聚A尾巴慢慢变短。因此,目前认为这种3′末端结构可能与增加转录活性以及使mRNA趋于相对稳定有关。原核生物的mRNA没有这种首、尾结构。

*位于mRNA起动部位AUG为氨基酸合成肽链的起动信号。以哺乳动物为代表的真核生物,此密码子代表蛋氨酸;以微生物为代表的原核生物则代表甲酰蛋氨酸。

前面讲过运载同一种氨基酸的一组不同tRNA称为同功tRNA。一组同功tRNA由同一种氨酰基tRNA合成酶催化。氨基酰tRNA合成酶对tRNA和氨基酸两者具有专一性,它对氨基酸的识别特异性很高,而对tRNA识别的特异性较低。

图15-13 hnRNA与mRNA的结构比较

遗传密码具有以下几种特点:

氨基酰tRNA合成酶是如何选择正确的氨基酸和tRNA呢?按照一般原理,酶和底物的正确结合是由二者相嵌的几何形状所决定的,只有适合的氨基酸和适合的tRNA进入合成酶的相应位点,才能合成正确的氨酰基tRNA。现在已经知道合成酶与L形tRNA的内侧面结合,结合点包括接近臂,DHU臂和反密码子臂。

(涂斜线者为外显子,空白者为内含子)

起始码与终止码:

图18-7 氨基酰-tRNA合成酶与tRNA的相互作用,可见氨酸接受柄、

1961年,Jacob和Monod首先提出了mRNA的概念。在真核细胞中,由于蛋白质是在胞浆中而不是在核内合成,因此显然要求有一个中间物将DNA上的遗传信息传递至胞浆中。后来的研究证实,这种中间物即信使RNA。?mRNA的核苷酸序列与DNA序列相应,决定着合成蛋白质的氨基酸序列。它如何指导氨基酸以正确的顺序连接起来呢?不同的mRNA碱基组成和排列顺序都不同,但都只有A,G,C,U4种碱基。如果一个碱基就可以决定一个氨基酸,则只有四种变化方式,如果两个碱基决定一个氨基酸,则只有16种变化方式,都不能满足20种氨基酸的需要。1961年Crick和Brenner的实验得出了三个核苷酸编码一个氨基酸的结论,并将这种三位一体的核苷酸编码称做遗传密码(genetic
code)或三联体密码,这样就可以有64种不同的密码,但此情况下必须假定有一些氨基酸使用两个以上的密码。这一假定很快就被证明是对的。遗传密码具有下列特征:

密码子AUG是起始密码,代表合成肽链的第一个氨基酸的位置,它们位于mRNA5′末端,同时它也是蛋氨酸的密码子,因此原核生物和真核生物多肽链合成的第一个氨基酸都是蛋氨酸,当然少数细菌中也用GUG做为起始码。在真核生物CUG偶尔也用作起始蛋氨酸的密码。密码子UAA,UAG,UGA是肽链成的终止密码,不代表任何氨基酸,它们单独或共同存在于mRNA3’末端。因此翻译是沿着mRNA分子5′→3′方向进行的。

D柄、反密码子和可变环与酶反应

(1)三个核苷酸组成一个密码子,每个密码子由三个前后相联的核苷酸组成,一个密码子只为一种氨基酸编码。共有64个密码子;

密码无标点符号:两个密码子之间没有任何核苷酸隔天,因此从起始码AUG开始,三个碱基代有一个氨基酸,这就构成了一个连续不断的读框,直至终止码。如果在读框中间插入或缺失一个碱基就会造成移码突变,引起突变位点下游氨基排列的错误。

乍看起来,反密码子似乎应该与氨基酸的正确负载有关,对于某些tRNA也确实如此,然而对于大多数tRNA来说,情况并非如此,人们早就知道,当某些tRNA上的反密码子突变后,但它们所携带的氨工酸却没有改变。1988年,候稚明和Schimmel的实验证明丙氨酸tRNA酸分子的氨基酸臂上G3:U70这两个碱基发生突变时则影响到丙氨酰tRNA合成酶的正确识别,说明G3:U70是丙氨酸tRNA分子决定其本质的主要因素。tRNA分子上决定其携带氨基酸的区域叫做副密码子。一种氨基酰tRNA合成酶可以识别以一组同功tRNA,这说明它们具有共同特征。例如三种丙氨酸tRNA但没有充分的证据说明其它氨基酰tRNA合成酶也识别同功tRNA组中相同的副密码子。另外副密码子也没有固定的位置,也可能并不止一个碱基对。

(2)密码子之间不重叠使用核苷酸,也无核苷酸间隔;

密码的简并性:

多肽链合成的起始

(3)一种氨基酸可有多个密码子,这个特点称为密码子的简并性;

一种氨基酸有几组密码子,或者几组密码子代表一种氨基酸的现象称为密码子的简并性,这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的,也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定,即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸,这对于保证物种的稳定性有一定意义。如:GCU,GCC,GCA,GCG都代表丙氨酸。

核蛋白体大小亚基,mRNA起始tRNA和起始因子共同参与肽链合成的起始。

(4)密码子的通用性,所有生物从最低等的病毒直至人类,蛋白质合成都使用同一套密码子表(表15-8),仅有极少的例外,如特殊细胞器线粒体,叶绿体所用的密码稍有不同。(表15-9)。

密码的通用性:

1、大肠杆菌细胞翻译起始复合物形成的过程:

表15-8 通用遗传密码及相应的氨基酸

大量的事实证明生命世界从低等到高等,都使用一套密码,也就是说遗传密码在很长的进化时期中保持不变。因此这张密码表是生物界通用的。然而,出乎人们预料的是,真核生物线粒体的密码子有许多不同于通用密码,例如人线粒体中,UGA不是终止码,而是色氨酸的密码子,AGA,AGG不是精氨酸的密码子,而是终止密码子,加上通用密码中的UAA和UAG,线粒体中共有四组终止码。内部甲硫氨酸密码子有两个,即AUG和AUA;而起始甲硫氨酸密码子有四组,即AUN。

核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位:原核生物中每一个mRNA都具有其核糖体结合位点,它是位于AUG上游8-13个核苷酸处的一个短片段叫做SD序列。这段序列正好与30S小亚基中的16s
rRNA3’端一部分序列互补,因此SD序列也叫做核糖体结合序列,这种互补就意味着核糖体能选择mRNA上AUG的正确位置来起始肽链的合成,该结合反应由起始因子3介导,另外IF-1促进IF-3与小亚基的结合,故先形成IF3-30S亚基-mRNA三元复合物。

第一个核苷酸5′第二个核苷酸第三个核苷酸3′UCAGU苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸U苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸C亮氨酸丝氨酸终止码终止码A亮氨酸丝氨酸终止码色氨酸GC亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸U亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸C亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸A亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸GA异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸U异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸C异亮氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸A蛋氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸GG缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸U缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸C缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸A缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸G

密码子结构与氨基酸侧链析性之间也有一定关系。①氨基酸侧链极性性质在多数情况下由断面子的第二个碱基决定。第二个碱基为嘧啶时,氨基酸侧链为非极性,第二个碱基为嘌呤时,氨基酸侧链则有极性。②当第一个碱基为U或A,第二个碱基为C,第三个碱基无特异性时,所决定的氨基酸侧链为极性不带电。③当第一个碱基不是U,第二个碱基是P时,氨基酸侧链则带电。在此前提下,若是一个是C或A时,表示带正电的氨基酸,第一、二个碱基分别是G、A时,此种氨革酸带负电,但上述关系也有个别例外。

30S前起始复合物的形成:在起始因子2作用下,甲酰蛋氨酰起始tRNA与mRNA分子中的AUG相结合,即密码子与反密码子配对,同时IF3从三元复合物中脱落,形成30S前起始复合物,即IF2-3S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物,此步需要GTP和Mg2+参与。

表15-9 通用遗传密码与线粒体遗传密码之间的一些差异

一种氨基酸由多种密码子所编码的事实使人想到:同一种氨基酸的一组密码子的使用频率是否相同?许多实验证实,在原核生物和高等真核生物中同一组密码子的使用频率是不相同的。高频密码子多出现在那些表达量高的蛋白质基因中,例如,核糖体蛋白质基因,RecA蛋白质基因等。表18-2。这种使用频率与细胞内一组tRNA中的不同tRNA含量有关。

70S起始复合物的形成:50S亚基上述的30S前起始复合物结合,同时IF2脱落,形成70S起始复合物,即30S亚基-mRNA-50S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着50S亚基的肽酰位。而A位则空着有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入,从而进入延长阶段,以上过程见图18-8和图18-9。

密码子通用编码线粒体编码哺乳动物果蝇酵母菌植物UGA终止码色氨酸色氨酸色氨酸终止码AUA异亮氨酸蛋氨酸蛋氨酸蛋氨酸异亮氨酸CUA亮氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸亮氨酸AGA精氨酸终止码丝氨酸精氨酸精氨酸AGA

tRNA是氨基酸的运载工具:

图18-8 大肠杆菌起始复合物的形成

注:下标横线者为与通用编码不同的编码

tRNA在蛋白质生物合成过程中起关键作用。mRNA推带的遗传信息被翻译成蛋白质一级结构,但是mRNA分子与氨基酸分子之间并无直接的对应关系。这就需要经过第三者“介绍”,而tRNA分子就充当这个角色。tRNA是类小分子RNA,长度为73-94个核苷酸,tRNA分子中富含稀有碱基和修饰碱基,tRNA分子3’端均为CCA序列,氨基酸分子通过共价键与A结合,此处的结构也叫氨基酸臂。每种氨基酸都有2-6种各自特异的tRNA,它们之间的特异性是靠氨基酰tRNA合成酶来识别的。这样,携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功tRNA,它们在细胞内合成量上有多和少的差别,分别称为主要tRNA和次要tRNA。主要tRNA中反密码子识别tRNA中的高频密码子,而次要tRNA中反密码子识别mRNA中的低频密码子。每种氨基酸都只有一种氨基酰tRNA合成酶。因此细胞内有20种氨基酰tRNA合成酶。

2、真核细胞蛋白质合成的起始

究竟哪一个密码子为哪一种氨基酸编码,即密码子与氨基酸之间的对应关系已在60年代研究解决了。1964年Nirenberg用一种RNA聚合酶体外合成了多聚尿苷酸、多聚腺苷酸等多聚核苷酸,将这些多聚核苷酸分别用于蛋白质的体外合成。发现,当所用的多聚核苷酸为多聚尿苷酸时,只有多聚苯丙氨酸合成,这意味着UUU为苯丙氨酸编码;用其它多聚核苷酸进行相应的实验后发现,CCC为脯氨酸编码,而AAA为赖氨酸编码;其后,有人又用核苷酸比例为已知,但是核苷酸序列随机的多聚核苷酸,以及用已知序列的含两种或两种以上核苷酸的多聚核苷酸进行相应的实验,将结果加以数理统计处理,又解读了一批密码子,其中包括三个终止码,最后,还有一些密码子是通过合成已知序列的三聚核苷酸与核蛋白体和载有放射性同位素标记的氨基酸的tRNA共沉淀原理予以解读的。在所有密码子中,AUG不仅为蛋氨酸编码,而且又是翻译(translation,以mRNA上的遗传信息指导核蛋白体上多肽链合成的过程)的起始信号,UAA、UAG和UGA不为任何氨基酸编码,而是作为翻译的终止信号,统称为终止码(stop
codon),又常被叫作无意义码(nonsense codon)。

图18-3 密码子和反密码子的相互作用

真核细胞蛋白质合成起始复合物的形成中需要更多的起始因子参与,因此起始过程也更复杂。

大多数氨基酸是由一个以上的密码子所编码。这个事实提出了一个问题:编码同一种氨基酸的一组密码子的使用频率是否都相同?细致的分析表明,无论是原核生物,还是高等真核生物,密码子的使用频率并不是平均的,有些密码子的使用率很高,有些则几乎不使用,其使用频率主要与细胞内tRNA含量呈正相关。

tRNA分子中还有一个反密码环,此环上的三个反密码子的作用是与mRNA分子中的密码子靠碱基配对原则而形成氢键,达到相互识别的目的。但在密码子与反密码子结合时具有一定摆动性,即密码子的第3位碱基与反密码子的第1位碱基酸对时并不严格,见图18-3。配对摆动性完全是由tRNA反密码子的空间结构所决定的。反密码的第1位碱基常出现次黄嘌呤I,与A、C、U之间皆可形成氢键而结合,这是最常见的摆动现象。这种摆动现象使得一个tRNA所携带的氨基酸可排列在2-3个不同的密码子上,因此当密码子的第3位碱基发生一定程度的突变时,并不影响tRNA带入正确的氨基酸。

需要特异的起始tRNA即,-tRNAfmet,并且不需要N端甲酰化。已发现的真核起始因子有近10种

(二)转运RNA(tRNA)

表18-3 反密码与密码碱基配对时的摇摆现象

起始复合物形成在mRNA5’端AUG上游的帽子结构,

tRNA(transfer
RNA)是蛋白质合成中的接合器分子。tRNA分子有100多种,各可携带一种氨基酸,将其转运到核蛋白体上,供蛋白质合成使用。tRNA是细胞内分子量最小的一类核酸,由70~120核苷酸构成,各种tRNA无论在一级结构上,还是在二、三级结构上均有一些共同特点。tRNA中含有10%~20%的稀有碱基(rare
bases),如:甲基化的嘌呤mG、mA,双氢尿嘧啶(DHU)、次黄嘌呤等等。此外,tRNA内还含有一些稀有核苷,如:胸腺嘧啶核糖核苷,假尿嘧啶核苷(Ψ,pseudouridine)等。胸腺嘧啶一般存在于DNA中;在假尿嘧啶核苷中,不是通常嘧啶环中1位氮原子,而是嘧啶环中的5位碳原子与戊糖的1′位碳原子之间形成糖苷键。

反密码第1位碱基ACGU1密码第3位碱基UGC,UA,GA,C,U

ATP水解为ADP供给mRNA结合所需要的能量。真核细胞起始复合物的形成过程是:翻译起始也是由eIF-3结合在40S小亚基上而促进80S核糖体解离出60S大亚基开始,同时eIF-2在辅eIF-2作用下,与Met-tRNAfmet及GTP结合,再通过eIF-3及eIF-4C的作用,先结合到40S小亚基,然后再与mRNA结合。

tRNA分子内的核苷酸通过碱基互补配对形成多处局部双螺旋结构,未成双螺旋的区带构成所谓的环和襻。现发现的所有tRNA均可呈现图15-14所示的这种所谓的三叶草样(clover
leafpattern)二级结构。在此结构中,从5′末端起的第一个环是DHU环,以含二氢尿嘧啶为特征;第二个环为反密码子环,其环中部的三个碱基可以与mRNA中的三联体密码子形成碱基互补配对,构成所谓的反密码子(anticodon),在蛋白质合成中起解读密码子,把正确的氨基酸引入合成位点的作用;第三个环为TΨ环,以含胸腺核苷和假尿苷为特征;在反密码子环与TΨ环之间,往往存在一个襻,由数个乃至二十余个核苷酸组成,所有tRNA3′末端均有相同的CCA-OH结构,tRNA所转运的氨基酸就连接在此末端上。(图15-14A)

在蛋白质生物合成过程中,特异识别mRNA上起始密码子的tRNA被称为起始tRNA,它们参加多肽链合成的起始,其它在多肽链延伸中运载氨基酸的tRNA,统称为延伸tRNA。

mRNA结合到40S小亚基时,除了eIF-3参加外,还需要eIF-1、eIF-4A及eIF-4B并由ATP小解为ADP及Pi来供能,通过帽结合因子与mRNA的帽结合而转移到小亚基上。但是在mRNA5’端并未发现能与小亚基18SRNA配对的S-D序列。目前认为通过帽结合后,mRNA在小亚基上向下游移动而进行扫描,可使mRNA上的起始密码AUG在Met-tRNAfmet的反密码位置固定下来,进行翻译起始。

图15-14 tRNA的二级与三级结构

核糖核蛋白体

图18-9 Initiationof translation im E.cole.The initiating
tRNA,tRNAMetf,is represented by theblue line,the anticodon being the
horizontal short line.The fMet-tRNAMetf isdelivered to the 30s subunit
by IF2.NNN represents any codon (N for anynucleotie).Note.The ribosome
also has an exit site not shown in thediagram.This site will be
discussed later.

A.二级结构(a示反密码环及反密码)

核蛋白体是由rRNA和几十种蛋白质组成的亚细胞颗粒,位于胞浆内,可分为两类,一类附着于粗面内质网,主要参与白蛋白、胰岛素等分泌性蛋白质的合成,另一类游离于胞浆,主要参与细胞固有蛋白质的合成。核糖体是细胞中的主要成分之一,在一个生长旺盛的细菌中大约不20000个核糖体,其中蛋白质占细胞总蛋白质的10%,RNA占细胞总RNA的80%。

通过eIF-5的作用,可使结合Met-tRNAfmet·GTP及mRNAR40S小亚基与60S大亚基结合,形成80S复合物。eIF-5具有GTP酶活性,催化GTP水解为GDP及Pi,并有利于其它起始因子从40S小亚基表面脱落,从而有利于40S与60S两个亚基结合起来,最后经eIF-4D激活而成为具有活性的80SMet-tRNAfmet·mRNA起始复合物。

B.三级结构(数字示可能的非常见核苷酸对相互作用)

任何生物的核糖体都是由大、小两个亚基组成,现将大肠杆菌核糖体和大鼠肝细胞核糖体的蛋白质组分和RNA组成列表于18-4。1968年已在体外对大肠杆菌小亚基进行了自我装配研究,加入16s
rRNA和21种蛋白质,即可形成有天然活性的30s小亚基。通过这些研究使人们能够进一步认识小亚基和大亚基中rRNA与蛋白质的特异功能。核糖体是高度复杂的体系,它的任何个别组分或局部组分都不能起整体的作用,因此必须研究核糖体中蛋白质和RNA的空间结构和位置,才能更完全地了解蛋白质合成的具体过程。过去一直认为rRNA主要起着结构上的作用,蛋白质发挥催化功能,但现在认为rRNA与蛋白质共同的构成的核糖体功能区是核蛋白体表现功能的重要部位,如GTP酶功能区,转肽酶功能区以及mRNA功能区等等。

真核细胞翻译起始复合物的生成见图18-10和图18-11。

通过X-射线衍射等结构分析方法,发现tRNA的共同三级结构均呈倒L形(图15-14B),其中3′末端含CCA?OH的氨基酸臂位于一端,反密码子环位于另一端,DHU环和TΨ环虽在二级结构上各处一方,但在三级结构上却相互邻近。tRNA三级结构的维系主要是依赖核苷酸之间形成的各种氢键。各种tRNA分子的核苷酸序列和长度相差较大,但其三级结构均相似,提示这种空间结构与tRNA的功能有密切关系。

表18-4 核蛋白体的组成及特性

图18-10 真核细胞翻译起始复合物的形成

(三)核蛋白体RNA(rRNA)

来源直径(毫微米)重量(道尔顿)含rRNA含蛋白质沉降系数亚基含rRNA含蛋白质种数每个细胞内含有的个数种类分子量真核细胞胞液20~223.6×106554577S~80s40S18S-70万~34106~10760S5s

图18-11 Simplified diagram of initiation in eukaryotes.Note that
severaleukaryote initiation factors besides elF2 are involved
.tRNAMeti,initiatingRNA.e1F2 is the eukaryotic initiation factor
corresponding to IF2 inprokaryotes.

核蛋白体RNA(ribosomalRNA)是细胞内含量最多的RNA,约占RNA总量的80%以上,是蛋白质合成机器枣核蛋白体(核糖体)(ribosome)的组成成分。核糖体蛋白(ribosmal
protein,rp)有数十种,大多是分子量不大的多肽类,分布在核蛋白体大亚基的蛋白称为rpl,在小亚基的称rps。

5.8S

多肽链的延长:

原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小亚基组成。对大肠杆菌核蛋白体的研究发现其质量中三分之二是rNRA,三分之一是蛋白质。rRNA分为5S、16S、23S三种。S是大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位,可反映分子量的大小。小亚基由16SrRNA和21种rps构成,大亚基由5S、23s
rRNA和31种 rpl构成。真核生物核蛋白体小业基含18S
rRNA和30多种rps,大亚基含28S、5.8S、5S三种rRNA,近50种rpl。各种生物核蛋白体小亚基中的rRNA具有相似的二级结构(图15-15)。

28S~29S3万

在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位,转肽和移位三个步骤。

图15-15 原核生物与真核生物核蛋白体的结构比较

4万

为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的A位,称为进位。氨基酰tRNA在进位前需要有三种延长因子的作用,即,热不稳定的EFEF-Tu,热稳定的EF(stable
temperature
EF,EF-Ts)以及依赖GTP的转位因子。EF-Tu首先与GTP结合,然后再与氨基酰tRNA结合成三元复合物,这样的三元复合物才能进入A位。此时GTP水解成GDP,EF-Tu和GDP与结合在A位上的氨基酰tRNA分离。

(线粒体核蛋白体的结构与原核相似)

140~180万~40原核细胞胞液182.6×10660~6530~3570S30S16S55万~341.5×10450S5s

图18-12 原核生物肽链延长因子EFTu与EFTs的作用原理

无论在试管内或细胞内,大、小亚基都易于组成核蛋白体整体或分离成两部分。几十种多肽是如何互相联结,又怎样与几种rRNA相连的呢?用提纯了的亚基所有的肽和rRNA在试管内混合,发现不需加入酶或ATP就可以自动组装成为有活性的亚基,但rRNA之间却不能互相替代,也即说这种自我组装过程是以rRNA为主导的。虽然所有多肽在组装中也是缺一不可的,但不同的肽可能有酶的作用或起别构效应。现已证明某些核糖体蛋白具有酶的功能,但基中大多数还未弄清其具体作用。

23S4万

图18-13 肽键的形成

(四)其它RNA分子

110万

①核蛋白体“给位”上携甲酰蛋氨酰 基的tRNA

小核RNA(snRNA,smallnuclear
RNA)存在于真核细胞的细胞核内,是一类称为小核核蛋白体复合体(snRNP)的组成成分,有U1,U2,U4,U5,U6snRNA等,均为小分子核糖核酸,长约106?89个核苷酸,其功能是在hnRNA成熟转变为mRNA的过程中,参与RNA的剪接,并且在将mRNA从细胞核运到细胞浆的过程中起着十分重要的作用(表15-10)。

注:真核细胞线粒体的核蛋白体组成及特性与原核细胞胞液的相同

②核蛋白体“受体”上新进入的氨基酰tRNA;

表15-10 snRNA的种类与功能

核蛋白体作为蛋白质的合成场所具有以下几种作用:

③失去甲酰蛋氨酰基后,即将从核蛋白体脱落的tRNA;

snRNA分子大小功能U1165结合5′-剪接点U2185结合于分支点U5116结合于3′-剪接点U4145

mRNA结合位点:位于30s小亚基头部,此处有几种蛋白质构成一个上的结构域,负丙与mRNA的结合,特别是16srRNA3’端与mRNa
AUG之前的一段序列互补是这种结合必不可少的,见表18-5。

④接受甲酰蛋氨酰基后已增长一个氨基酸残基的肽键

106装配剪接颗粒U6

表18-5 大肠杆菌mRNA起始密码上游区域SD序列和16srRNA的互补

转肽–肽键的形成

小胞浆RNA(scRNA,smallcytosol
RNA)又称为7SL?RNA,长约300个核苷酸,主要存在于细胞浆中,是蛋白质定位合成于粗面内质网上所需的信号识别体(signal
recognization particle)的组成成分。

MS2外壳蛋白

在70S起始复合物形成过程中,核糖核蛋白体的P位上已结合了起始型甲酰蛋氨酸tRNA,当进位后,P位和A位上各结合了一个氨基酰tRNA,两个氨基酸之间在核糖体转肽酶作用下,P位上的氨基酸提供α-COOH基,与A位上的氨基酸的α-NH2形成肽键,从而使P位上的氨基酸连接到A位氨基酸的氨基上,这就是转肽。转肽后,在A位上形成了一个二肽酰tRNA。

MS2复制酶

MS2A蛋白

以后,肽链上每增加一个氨基酸残基,即重复上述进位,转肽,移位的步骤,直至所需的长度,实验证明mRNA上的信息阅读是从5’端向3’端进行,而肽链的延伸是从氮基端到羧基端。所以多肽链合成的方向是N端到C端。

λCro

图18-16 The final phase of protein synthesis .The binding of release
factor to a stop codon terminates translation.The completed polypeptide
is released,and the ribosome dissociates into two separte
subunits.图18-15 The elongation phase of protein synthesis on a
ribosome.The three-step cycle shown is repeated over and over during the
synthesos of a protein chain.An aminoacyl-tRNA moleculie binds to the
A-site on the rebosome is step l,a new peptide bond is formed in sted
2,and the ribosome moves a distance of three nucleotides along the mRNA
chain in step 3,ejecting an old tRNA molecule and resetting the ribosome
so that the next aminoacyl-tRNA molecule can bind.As indicated in Figure
6-21,the p-site is drawn on the left side of the ribosome,with the
A-site on the right.

galE

翻译的终止及多肽链的释放:

β-内酰氨酶

无论原核生物还是真核生物都有三种终止密码子UAG,UAA和UGA。没有一个tRNA能够与终止密码子作用,而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。这类蛋白质因子叫做释放因子,原核生物有三种释放因子:RF1,RF2t
RF3。RF1识别UAA和UAG,RF2识别UAA和UGA。RF3的作用还不明确。真核生物中只有一种释放因子eRF,它可以识别三种终止密码子。

脂蛋白

不管原核生物还是真核生物,释放因子都作用于A位点,使转肽酶活性变为水介酶活性,将肽链从结合在核糖体上的tRNA的CCA末凋上水介下来,然后mRNA与核糖体分离,最后一个tRNA脱落,核糖体在IF-3作用下,解离出大、小亚基。解离后的大小亚基又重新参加新的肽链的合成,循环往复,所以多肽链在核糖体上的合成过程又称核糖体循环。

核糖体蛋白S12

多核糖体循环:

RNA聚合酶β

上述只是单个核糖体的翻译过程,事实上在细胞内一条mRNA链上结合着多个核糖体,甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时,第一个核糖体在mRNA的起始部位结合,引入第一个蛋氨酸,然后核糖体向mRNA的3’端移动一定距离后,第二个核糖体又在mRNA的起始部位结合,现向前移动一定的距离后,在起始部位又结合第三个核糖体,依次下去,直至终止。两个核糖体之间有一定的长度间隔,每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成,所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链,这就大大提高了翻译的效率。

trpE3’HOAU UCCUCCACUAG……5’

图18-17 A polyribosome.Schematicdrawing showing how a series of
ribosomes can simultaneously translate the samemRNA molecule.

5’……UCAACC GGAGUUUGAAUCAUG…3’

多聚核糖体的核糖体个数,与模板mRNA的长度有关,例如血红蛋白的多肽链mNRA编码区有450个核苷酸组成,长约150nm。上面串连有5-6个核糖核蛋白体形成多核糖体。而肌凝蛋白的重链mRNA由5400个核苷酸组成,它由60多个核糖体构成多核糖体完成多肽链的合成。

5’……CAAACAU GAGGAUUACCCAUG …3’

5’…… UCCU AGGAGGUUUGACCUGUG…3’

5’…… AUGUAC UAAGGAGGUUGUAUG…3’

5’…… AGCCUAAU GGAGCGAAUUAUG…3’

5’…… UAUUGAAA AAGGAAGAGUAUG…3’

5’…… AUCUA GAGGGUAUUAAUAAUG…3’

5’…… AAAACCAGGAGCUAUUUAAUG…3’

5’…… AGCGAGCU GAGGAACCCUAUG…3’

5’…… CAAAAUUAGAGAAUAACAAUG…3’

P位点:

又叫做肽酰基tRNA位或给位。它大部分位于小亚基,小部分位于大亚基,它是结合起始tRNA
并向A位给出氨基酸的位置。

图18-4 翻译过程中的核糖体图解

A位点:

叫做氨基酰 tRNa
位或受位。它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基,它是结合一个新进入的氨基酰tRNA
的位置。

转肽酶活性部位:

位于P位和A位的连接处。

结合参与蛋白质合成的起始因了、延长因子(ElengationFactor,EF)和终止因子或释放因子(Release
Factor,RF)。