基因、分子生物學課件

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生物信息的傳遞（下）

─從mRNA到蛋白質

遺傳密碼——三聯(lián)子tRNA核糖體蛋白質合成的生物學機制蛋白質轉運機制

蛋白質的生物合成步驟(1)翻譯的起始核糖體與mRNA結合并與氨酰-tRNA生成起始復合物。(2)肽鏈的延伸由于核糖體沿mRNA5’端向3’端移動，開始了從N端向C端的多肽合成，這是蛋白質合成過程中速度最快的階段。(3)肽鏈的終止及釋放核糖體從mRNA上解離，準備新一輪合成反應。核糖體是蛋白質合成的場所。mRNA是蛋白質合成的模板。轉移RNA(transferRNA，tRNA)是模板與氨基酸之間的接合體。在合成的各個階段有許多蛋白質、酶和其他生物大分子參與。參與蛋白質合成的各種組分約占細胞干重的35%。在真核生物中有將近300種生物大分子與蛋白質的生物合成有關。蛋白質合成是一個需能反應，要有各種高能化合物的參與。細胞用來進行合成代謝的總能量的90%消耗在蛋白質合成過程中。4.1遺傳密碼——三聯(lián)子貯存在DNA上的遺傳信息通過mRNA傳遞為蛋白質。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個核苷酸稱為密碼，也叫三聯(lián)子密碼。翻譯時從起始密碼子AUG開始，沿著mRNA5’→3’的方向連續(xù)閱讀密碼子，直至終止密碼子為止，生成一條具有特定序列的多肽鏈――蛋白質。

從起始密碼子開始，至終止密碼子結束的核苷酸序列——可譯框架或可讀框?？勺g框架圖4-1Crick關于tRNA分子破譯mRNA遺傳密碼三聯(lián)子的原始構想

4.1.1三聯(lián)子密碼及其破譯因為mRNA中只有4種核苷酸，而蛋白質中有20種氨基酸，以一種核苷酸代表一種氨基酸是不可能的。若以兩種核苷酸作為一個氨基酸的密碼（二聯(lián)子），它們能代表的氨基酸也只有42=16種。若以3個核苷酸代表一個氨基酸，有43=64種密碼子，滿足了編碼20種氨基酸的需要。

若在模板mRNA中插入或刪除一個堿基，會改變該密碼子以后的全部氨基酸序列。若同時對模板進行插入和刪除試驗，保證后續(xù)密碼子序列不變，翻譯得到的蛋白質序列就保持不變（除了發(fā)生突變的那個密碼子所代表的氨基酸之外）。

如果同時刪去3個核苷酸，翻譯產生少了一個氨基酸的蛋白質，但序列不發(fā)生變化。圖4-2用核苷酸的插入或刪除實驗證明mRNA模板上每三個核苷酸組成一個密碼子

以均聚物、隨機共聚物和特定序列的共聚物為模板指導多肽的合成。

Nirenberg把多聚（U）作為模板加入到無細胞體系時發(fā)現(xiàn)，新合成的多肽鏈是多聚苯丙氨酸，確定UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以多聚（C）及多聚（A）做模板得到的分別是多聚脯氨酸和多聚賴氨酸。

以多聚UG為模板合成的是多聚Cys和Val，因為多聚（UG）中含Cys和Val的密碼：5'……UGUGUGUGUGUGUGUGUG……3'

無論讀碼從U開始還是從G開始，都只能有UGU（Cys）及GUG（Val）兩種密碼子。Nirenberg及Ochoa等又用各種特定序列如只含A、C的共聚核苷酸作模板，任意排列時可出現(xiàn)8種三聯(lián)子，即CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，獲得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等6種氨基酸組成的多肽。

以多聚（UUC）為模板，可能有3種起讀方式：

5'……UUCUUCUUCUUCUUC……3'

或5'……UCUUCUUCUUCUUCU……3'

或5'……CUUCUUCUUCUUCUU……3'

產生UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu），得到多聚苯丙氨酸、多聚絲氨酸或多聚亮氨酸。因此，UUC、UCU、CUU分別是苯丙氨、絲氨酸及亮氨酸的密碼子。

當然，也可能只合成2種均聚多肽，如：

5'……GUAGUAGUAGUAGUA……3'或5'……UAGUAGUAGUAGUAG……3'或5'……AGUAGUAGUAGUAGU……3'

由第二種讀碼方式產生的密碼子UAG是終止密碼，不編碼任何氨基酸，因此，只產生2種密碼子GUA（Val）或AGU（Ser），合成多聚纈氨酸或多聚絲氨酸。2.核糖體結合技術以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等為模板，在含核糖體、AA-tRNA的適當離子強度的反應液中保溫后通過硝酸纖維素濾膜。游離的AA-tRNA因相對分子質量小能自由過膜，與模板對應的AA-tRNA能與核糖體結合，體積超過膜上的微孔而被滯留。

若用20種AA-tRNA做20組同樣的實驗，每組都含20種AA-tRNA和各種三核苷酸，但只有一種氨基酸用14C標記，看哪一種AA-tRNA被留在濾膜上，進一步分析這一組的模板是哪個三核苷酸，從模板三核苷酸與氨基酸的關系可測知該氨基酸的密碼子。

表4-1三核苷酸密碼子能使特定的

氨基酰-tRNA結合到核糖體上

*數(shù)字代表特定氨基酰tRNA與帶有模板三核苷酸的核糖體相結合的效率。密碼子與核糖體相結合的14C標記的氨基酰-tRNAPhe-tRNAPheLys-tRNALysPro-tRNAProUUU4.6*00AAA07.70CCC003.14.1.2遺傳密碼的性質1.密碼的連續(xù)性密碼間無間隔，無重疊，起始密碼決定了后續(xù)密碼的位置。4.1.2遺傳密碼的性質2.密碼的簡并性

4種核苷酸可組成64個密碼子，現(xiàn)在已經(jīng)知道其中61個是編碼氨基酸的密碼子，另外3個即UAA、UGA和UAG并不代表任何氨基酸，它們是終止密碼子，不能與tRNA的反密碼子配對，但能被終止因子或釋放因子識別，終止肽鏈的合成。

除色氨酸（UGG）只有一個密碼子外，其他氨基酸都有一個以上的密碼子。9種氨基酸有2個密碼子，1種氨基酸有3個密碼子，5種氨基酸有4個密碼子，3種氨基酸有6個密碼子（表4-3）。

由一種以上密碼子編碼同一個氨基酸的現(xiàn)象稱為簡并（degeneracy），對應于同一氨基酸的密碼子稱為同義密碼子（synonymouscodon）。

AUG和GUG既是甲硫氨酸及纈氨酸的密碼子又是起始密碼子。3.密碼的普遍性與特殊性以上介紹的密碼子表是具有普遍性的，適用于一切生物。有一些特例，不編碼普遍性狀況應該編碼的氨基酸而編碼別的氨基酸，下表列舉了一些特例。4.密碼子與反密碼子的相互作用

tRNA的反密碼子在核糖體內是通過堿基的反向配對與mRNA上的密碼子相互作用的。1966年，Crick提出擺動假說（wobblehypothesis），解釋了反密碼子中某些稀有成分（如I）的配對，以及許多氨基酸有2個以上密碼子的問題。圖4-4mRNA上的密碼子與tRNA上的反密碼子配對示意圖。a.密碼子與tRNA反密碼子臂上相應序列配對；b.當反密碼子第一位是I時，密碼子第三位可以是A、U或C。

擺動性

在密碼子與反密碼子的配對中，前兩對嚴格遵守堿基配對原則，第三對堿基有一定的自由度，可以“擺動”，因而使某些tRNA可以識別1個以上的密碼子。

一個tRNA究竟能識別多少個密碼子是由反密碼子的第一位堿基的性質決定的，反密碼子第一位為A或C時只能識別1種密碼子，為G或U時可以識別2種密碼子，為I時可識別3種密碼子。

多個密碼子同時編碼一個氨基酸，凡是第一、二位堿基不同的密碼子都對應于各自獨立的tRNA。原核生物中大約有30-45種tRNA，真核細胞中可能存在50種tRNA。4.2tRNAtRNA不但為每個三聯(lián)密碼子翻譯成氨基酸提供了接合體，還為準確無誤地將所需氨基酸運送到核糖體上提供了運送載體，所以，它又被稱為第二遺傳密碼。不同tRNA在結構上存在大量的共性，由小片段堿基互補配對形成三葉草形分子結構，有4條根據(jù)結構或已知功能命名的手臂。

最常見tRNA分子有76個堿基，相對分子質量約為2.5×104，不同的tRNA分子可有74～95個核苷酸不等。D臂中存在多至3個可變核苷酸位點，17：1及20：1、20：2。最常見的D臂缺失這3個核苷酸，而最小的D臂中第17位核苷酸也缺失了。受體臂（acceptorarm）由鏈兩端序列配對形成的桿狀結構和3’端未配對的3～4個堿基所組成，其3’端的最后3個堿基序列永遠是CCA，最后一個堿基的3’或2’自由羥基（—OH）可以被氨酰化。TψC臂是根據(jù)3個核苷酸命名的，其中ψ表示擬尿嘧啶（假尿嘧啶）；反密碼子臂是根據(jù)位于套索（環(huán)）中央的三聯(lián)反密碼子命名的；

D臂是根據(jù)它含有二氫尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。tRNA的稀有堿基含量非常豐富，約有70余種。每個tRNA分子至少含有2個稀有堿基，最多有19個，多數(shù)分布在非配對區(qū)，特別是在反密碼子3'端鄰近部位出現(xiàn)的頻率最高。4.2.1tRNA的L-形三級結構研究酵母tRNAPhe、tRNAfMet和大腸桿菌tRNAfMet、tRNAArg等的三級結構，發(fā)現(xiàn)都呈L形折疊式（圖4-6）。

在L形三級結構中，在原來局部雙螺旋的基礎上，通過分子重排又創(chuàng)造了另一對雙螺旋。受體臂和TψC臂的桿狀區(qū)域構成了第一個雙螺旋，D臂和反密碼子臂的桿狀區(qū)域形成了第二個雙螺旋。

TψC臂和D臂的套索狀結構位于“L”的轉折點，受體臂頂端的堿基位于“L”的一個端點，反密碼子臂的套索狀結構生成了“L”的另一個端點（圖4-7）。tRNA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tRNA上的反密碼子必須與小亞基上的mRNA相配對，所以分子中兩個不同的功能基團是最大限度分離的。4.2.2tRNA的功能轉錄過程是信息從一種核酸分子（DNA）轉移到另一種結構上極為相似的核酸分子（RNA）的過程，信息轉移靠的是堿基配對。

翻譯階段遺傳信息從mRNA分子轉移到結構極不相同的蛋白質分子，信息是以能被翻譯成單個氨基酸的三聯(lián)密碼子形式存在的，在這里起作用的是tRNA的解碼機制。4.2.3tRNA的種類1.起始tRNA和延伸tRNA

能特異性識別mRNA模板上起始密碼子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA統(tǒng)稱為延伸tRNA。真核生物起始tRNA攜帶甲硫氨酸（Met），原核生物起始tRNA攜帶甲酰甲硫氨酸（fMet），Met-tRNAfMet必須首先甲?；蒮Met-tRNAfMet才能參與蛋白質的生物合成。2.同工tRNA

將攜帶相同氨基酸的不同tRNA稱為同工tRNA。在一個同工tRNA組內，所有tRNA均專一于相同的氨基酰-tRNA合成酶。同工tRNA具備：（1）不同的反密碼子以識別該氨基酸的各種同義密碼；（2）有某種結構上的共同性，能被AA-tRNA合成酶識別。3.校正tRNA

結構基因中某個核苷酸的改變可能產生終止密碼子（UAG、UGA、UAA），使蛋白質合成提前終止，合成無功能的或無意義的多肽，這種突變稱為無義突變，而校正tRNA通過改變反密碼子區(qū)校正無義突變（表4-7）。

錯義突變是由于結構基因中某個核苷酸的變化使一種氨基酸的密碼變成另一種氨基酸的密碼。錯義突變的校正tRNA通過反密碼子區(qū)的改變把正確的氨基酸加到肽鏈上，合成正常的蛋白質。無義突變的校正tRNA會與釋放因子競爭識別密碼子；錯義突變的校正tRNA則與該密碼的正常tRNA競爭。這些都會影響校正的效率。無義突變的校正基因tRNA不僅能校正無義突變，也會抑制該基因3’末端正常的終止密碼子，導致翻譯過程的通讀，合成更長的蛋白質，這對細胞會造成傷害。一個基因錯義突變的校正也可能使另一個基因錯誤翻譯。因為如果一個校正tRNA在突變位點通過取代一種氨基酸的方式校正了一個突變，它也可以在另一位點這樣做，從而在正常位點上引入與前述突變位點對應的氨基酸，造成錯誤。4.2.4AA-tRNA合成酶

AA-tRNA合成酶是一類催化氨基酸與tRNA結合的特異性酶，其反應式如下：AA+tRNA+ATP→AA-tRNA+AMP+PPi它實際上包括兩步反應：第一步是氨基酸活化生成酶-氨基酰腺苷酸復合物。AA+ATP+酶（E）→E-AA-AMP+PPi

第二步是氨?；D移到tRNA3'末端腺苷殘基的2'或3'-羥基上。E-AA-AMP+tRNA→AA-tRNA+E+AMP異亮氨酸-tRNA合成酶對異亮氨酸的親和力比對纈氨酸大225倍，體內纈氨酸的濃度比異亮氨酸高5倍，纈氨酸被錯誤滲入到異亮氨酸位點上去的機率應是1/40，但實際誤差率只有約1/10000。研究發(fā)現(xiàn)，被錯誤活化的纈氨酸不會被結合到tRNAIle上，而是被異亮氨酰-tRNA合成酶本身水解，即活化階段產生的誤差在后一階段被再次校正了。4.3核糖體核糖體是由幾十種蛋白質和多種核糖體RNA（ribosomalRNA，rRNA）所組成的亞細胞顆粒。一個細菌細胞內約有20000個核糖體，而真核細胞內可達106個。這些顆粒既可以游離狀態(tài)存在于細胞內，也可與內質網(wǎng)結合，形成微粒體。

真核生物中，所有正在進行蛋白質合成的核糖體都不是在細胞質內自由漂浮，而是直接或間接與細胞骨架結構有關聯(lián)或者與內質網(wǎng)膜結構相連的（圖4-8）。細菌核糖體大都通過與mRNA相互作用，被固定在核基因組上。

圖4-8結合在內質網(wǎng)上的核糖體。左，電鏡下看到的胰腺細胞粗糙內質網(wǎng)；右，局部放大后的草圖。表4-10大腸桿菌核糖體基本成分

核糖體小亞基大亞基沉降系數(shù)70S30S50S總體相對分子質量2.52×1069.30×1051.59×106主要rRNA（堿基數(shù)）

16S（1541）23S（2004）主要rRNA（堿基數(shù)）

5S（120）RNA相對分子質量1.66×1065.60×1051.10×106RNA所占比例66%60%70%蛋白質數(shù)量

2136蛋白質相對分子質量8.57×1053.70×1054.87×105蛋白質所占比例34%40%30%4.3.1核糖體的結構1.核糖體由大小兩個亞基組成

核糖體是一個致密的核糖核蛋白顆粒，可解離為兩個亞基，每個亞基都含有一個相對分子質量較大的rRNA和許多不同的蛋白質分子。表4-11幾種不同生物核糖體及rRNA的組成

核糖體來源大亞基小亞基沉降系數(shù)RNA沉降系數(shù)RNA80S脊椎動物60S28S40S18S

5S

5.8S

80S無脊椎動物、植物60S25S40S16～18S

5S

5.8S

70S原核生物50S23S30S16S55S脊椎動物線粒體40S16～17S30S10～13S

大腸桿菌核糖體小亞基由21種蛋白質組成，分別用S1……S21表示，大亞基由36種蛋白質組成，分別用L1……L36表示。

真核生物細胞核糖體蛋白質中，大亞基含有49種蛋白質，小亞基有33種蛋白質，它們的相對分子質量在8×103～4.0×104之間。2.核糖體蛋白圖4-9是在高倍電鏡下得到的原核生物70S核糖體大、小亞基相結合的模型，核糖體分子中可容納兩個tRNA和約40bp長的mRNA。

3.核糖體RNA（1）5SrRNA

細菌5SrRNA含有120或116個核苷酸。5SrRNA有兩個高度保守的區(qū)域，其中一個區(qū)域含有保守序列CGAAC，這是與tRNA分子TψC環(huán)上的GTψCG序列相互作用的部位，是5SrRNA與tRNA相互識別的序列。另一個區(qū)域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，與23SrRNA中的一段序列互補，這是5SrRNA與50S核糖體大亞基相互作用的位點，在結構上有其重要性。（2）16SrRNA其長度在1475-1544個核苷酸之間，含有少量修飾堿基。該分子全部壓縮在30S小亞基內。16SrRNA的結構十分保守，其中3'端一段ACCUCCUUA的保守序列，與mRNA5’端翻譯起始區(qū)富含嘌呤的序列互補。在16SrRNA靠近3'端處還有一段與23SrRNA互補的序列，在30S與50S亞基的結合中起作用。（3）23SrRNA23SrRNA包括2904個核苷酸，在大腸桿菌23SrRNA第1984～2001核苷酸之間，存在一段能與tRNAMet序列互補的片段，表明核糖體大亞基23SrRNA與tRNAMet的結合有關。在23SrRNA靠近5'端(143-157位核苷酸之間)有一段12個核苷酸的序列與5SrRNA上第72-83位核苷酸互補，表明在50S大亞基上這兩種RNA之間可能存在相互作用。核糖體50S大亞基上約有20種蛋白質能不同程度地與23SrRNA相結合。（4）5.8SrRNA是真核生物核糖體大亞基特有的rRNA，具有與原核5SrRNA中保守序列CGAAC相同的序列。（4）18SrRNA

酵母18SrRNA由1789個核苷酸組成，它的3'端與大腸桿菌16SrRNA有廣泛的同源性。其中酵母18SrRNA、大腸桿菌16SrRNA和人線粒體12SrRNA在3’端有50個核苷酸序列相同。（5）28SrRNA長度約在3890～4500bp左右。rRNA之間以及rRNA與tRNA及mRNA之間存在有機的聯(lián)系，這種關系是建立在序列互補或同源的基礎之上的。4.核糖體有3個tRNA結合位點在多肽合成過程中，由不同的tRNA將相應的氨基酸帶到蛋白質合成部位，并與mRNA進行專一性的相互作用，以選擇對信息專一的AA-tRNA。核糖體還必須能同時容納另一種攜帶肽鏈的tRNA，即肽基tRNA（peptidyl-tRNA），并使之處于肽鍵易于生成的位置上。

核糖體上至少有3個tRNA結合位點：（1）AA-tRNA接受部位（A位）；（2）肽酰-tRNA結合部位（P位）；（3）延伸過程中多肽鏈轉移到氨酰-tRNA上釋放tRNA的位點（E位）。此外，還應有負責肽鏈延伸的各種延伸因子的結合位點。

核糖體小亞基負責對模板mRNA進行序列特異性識別，大亞基負責攜帶氨基酸及tRNA的功能，肽鍵的形成、AA-tRNA、肽基-tRNA的結合等，A位、P位、轉肽酶中心等主要在大亞基上。4.3.2核糖體的功能核糖體存在于每個細胞中進行蛋白質的合成。盡管在不同生物體內其大小有別，但組織結構基本相同，而且執(zhí)行的功能完全相同。在多合肽成過程中，不同的tRNA將相應的氨基酸帶到蛋白質合成部位與mRNA進行專一性的相互作用，選擇與密碼子對應的AA－tRNA結合到肽鏈上。核糖體還能同時容納肽基-tRNA(Peptidyl-tRNA)，這是肽鏈與AA－tRNA結合上的瞬時狀態(tài)。核糖體包括多個活性中心，即mRNA結合部位、接受AA-tRNA部位(A位)、結合肽基－tRNA的部位、肽基轉移部位(P位)及形成肽鍵的部位(轉肽酶中心)。此外，還有負責肽鏈延伸的各種延伸因子的結合位點。核糖體小亞基負責對模板mRNA進行序列特異性識別，如起始部分的識別、密碼子與反密碼子的相互作用等，mRNA的結合位點也在小亞基上。大亞基負責攜帶AA-tRNA、肽鍵的形成、AA-tRNA與肽鏈的結合、A位、P位、轉肽酶中心等在大亞基上。核糖體在體內及體外都可解離為亞基或結合成70S/80S的顆粒。在翻譯的起始階段需要游離的亞基，隨后才結合成70S/80S顆粒，開始翻譯進程。肽鏈釋放后，核糖體脫離mRNA解聚成亞基，直接參與另一輪蛋白質的合成。體外反應體系中，核糖體的解離或結合取決于離子濃度。在大腸桿菌內，Mg2＋濃度在10－3mol/L以下時，70S解離為亞基，濃度達10－2mol/L時則形成穩(wěn)定的70S顆粒。4.4蛋白質合成的生物學機制雖然因蛋白質的合成和結構最終都取決于核酸，但蛋白質仍是生物活性物質中最重要的大分子組分，生物有機體的遺傳學特性要通過蛋白質來得到表達。

（1）核糖體：場所（2）mRNA：模板（3）轉移RNA（transferRNA，tRNA）：是模板與氨基酸之間的接合體蛋白質合成是一個需能反應。細胞用來進行合成代謝總能量的90%消耗在蛋白質合成過程中。真核生物中可能有近300種生物大分子參與蛋白質的生物合成，這些組分約占細胞干重的35%。蛋白質的生物合成包括如下步驟：（1）氨基酸活化（2）肽鏈的起始（3）延伸（4）終止（5）新合成多肽鏈的折疊和加工4.4.1氨基酸的活化

aa+ATP+tRNA

氨酰tRNA合成酶

aa-tRNA+AMP+ppi

蛋白質合成的起始是指在模板mRNA編碼區(qū)5'端形成核糖體-mRNA-起始tRNA復合物并將甲酰甲硫氨酸放入核糖體P位點。原核生物中30S小亞基首先與mRNA模板相結合，再與fMet-tRNAfMet結合，最后與50S大亞基結合生成70S·mRNA·fMet-tRNAMet起始復合物

真核生物中，40S小亞基首先與Met-tRNAMet相結合，再與模板mRNA結合，最后與60S大亞基結合生成80S·mRNA·Met-tRNAMet起始復合物。起始復合物的生成除了GTP外，還需要Mg2+、NH4+及3個起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）。4.4.2翻譯的起始細菌翻譯的起始需要如下7種成份：（1）30S小亞基，（2）模板mRNA，（3）fMet-tRNAfMet，（4）三個翻譯起始因子，IF-1、

IF-2和IF-3，（5）GTP，（6）50S大亞基，（7）Mg2+。第一步，30S小亞基與翻譯起始因子IF-1，IF-3結合，通過SD序列與mRNA模板相結合。第二步，fMet-tRNAfMet在IF-2的協(xié)同下進入小亞基的P位，tRNA上的反密碼子與mRNA上的起始密碼子配對。第三步，帶有tRNA、mRNA、三個翻譯起始因子的小亞基復合物與50S大亞基結合，釋放翻譯起始因子。圖4-12翻譯起始

復合物的形成。

原核生物蛋白質合成起始復合物的形成30S亞基具有專一性的識別和選擇mRNA起始位點的性質，IF3協(xié)助該亞基完成這種選擇。Shine及Dalgarno等證明幾乎所有原核生物mRNA上都有一個5’-AGGAGGU-3’序列，這個富嘌呤區(qū)與30S亞基上16SrRNA3’末端的富嘧啶區(qū)5’-GAUCACCUCCUUA-3’相互補。圖4-14細菌mRNA分子上往往存在一個與16SrRNA3’末端相互補的SD序列。

細菌核糖體上一般存在三個與氨基酰-tRNA結合的位點，即A位點（aminoacylsite），P位點（peptidylsite）和E位點（Exitsite）。只有fMet-tRNAfMet能與第一個P位點相結合，其它所有tRNA都必須通過A位點到達P位點，再由E位點離開核糖體。真核生物蛋白質生物合成的起始基本與原核生物相同，只不過其核糖體較大，有較多的起始因子，mRNA具有m7GpppNp帽子結構，Met-tRNAMet不甲酰化，mRNA分子5’端的“帽子”和3’端的多聚A都參與形成翻譯起始復合物（圖4-15）。圖4-15真核生物翻譯起始復合物的形成。

4.4.3肽鏈的延伸生成起始復合物，第一個氨基酸（fMet/Met-tRNA）與核糖體結合以后，肽鏈開始伸長。按照mRNA模板密碼子的排列，氨基酸通過新生肽鍵的方式（圖4-15）被有序地結合上去。肽鏈延伸中的每個循環(huán)都包括AA-tRNA與核糖體結合、肽鍵的生成和移位三步。圖4-16多肽鏈上肽鍵的形成——縮合反應。1．后續(xù)AA-tRNA與核糖體結合細菌中肽鏈延伸的第一步反應：第二個氨基酰-tRNA的結合。該氨基酰-tRNA首先與EF-Tu·GTP形成復合物，進入核糖體的A位，水解產生GDP并在EF-Ts的作用下釋放GDP并使EF-Tu結合另一分子GTP，進入新一輪循環(huán)。細菌中肽鏈延伸的第二步反應：肽鍵的生成。2.肽鍵的生成。

在核糖體·mRNA·AA-tRNA復合物中，AA-tRNA占據(jù)A位，fMet-tRNAfMet占據(jù)P位。在肽基轉移酶（peptidyltransferase）的催化下，A位上的AA-tRNA轉移到P位，與fMet-tRNAfMet上的氨基酸生成肽鍵。起始tRNA在完成使命后離開核糖體P位點，A位點準備接受新的AA-tRNA，開始下一輪合成反應。3．移位肽鍵延伸的最后一步是移位，即核糖體向mRNA3’端方向移動一個密碼子。細菌中肽鏈延伸的第三步反應：移位。核糖體通過EF-G介導的GTP水解所提供的能量向mRNA模板3’末端移動一個密碼子，使二肽基-tRNA完全進入P位,準備開始新一輪肽鏈延伸。4.4.4肽鏈的終止當終止密碼子UAA、UAG或UGA出現(xiàn)在核糖體的A位時，沒有相應的AA-tRNA能與之結合，而釋放因子能識別這些密碼子并與之結合，水解P位上多肽鏈與tRNA之間的二酯鍵，釋放新生的肽鏈和tRNA，核糖體大、小亞基解體，蛋白質合成結束。釋放因子RF具有GTP酶活性，它催化GTP水解，使肽鏈與核糖體解離。蛋白質肽鏈合成的過程圖示4.4.6蛋白質前體的加工1、N端fMet或Met的切除無論原核生物還是真核生物，N端的甲硫氨酸往往在多肽鏈合成完畢前就被切除。50%的真核蛋白中，成熟蛋白N端殘基會被N-乙基化。2、二硫鍵的形成mRNA中沒有胱氨酸密碼子，而不少蛋白質都含有二硫鍵。蛋白質合成后往往通過兩個半胱氨酸的氧化作用生成胱氨酸。3、特定氨基酸的修飾氨基酸側鏈的修飾作用包括磷酸化（如核糖體蛋白質）、糖基化（如各種糖蛋白）、甲基化（如組蛋白、肌肉蛋白質）、乙基化（如組蛋白）、羥基化（如膠原蛋白）和羧基化等，圖4-21是生物體內最普通發(fā)生修飾作用的氨基酸殘基及其修飾產物。圖4-22發(fā)生在小牛組蛋白H3前35個氨基酸殘基中的4種化學修飾。

糖蛋白主要是蛋白質側鏈上的天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸殘基加上糖基形成的，膠原蛋白上的脯氨酸和賴氨酸多數(shù)是羥基化的。實驗證明，內質網(wǎng)可能是蛋白質N-糖基化的主要場所（圖4-23）。圖4-23內質網(wǎng)可能是蛋白質N-糖基化的主要場所4、切除新生肽鏈中非功能片段如新合成的胰島素前體是前胰島素原，必須先切去信號肽變成胰島素原，再切去C-肽，才變成有活性的胰島素。不少多肽類激素和酶的前體如血纖維蛋白原、胰蛋白酶原都要經(jīng)過加工才能變?yōu)榛钚苑肿?。圖4-23前胰島素原蛋白翻譯后成熟過程示意圖。圖4-23前胰島素原蛋白翻譯后成熟過程示意圖。圖4-25蜂毒蛋白只有經(jīng)蛋白酶水解切除N-端的22個氨基酸以后才有生物活性。該胞外蛋白酶只能特異性切割X-Y2肽，其中X是丙氨酸，天門冬氨酸和谷氨酸，Y是丙氨酸或脯氨酸。4.4.7蛋白質合成抑制劑蛋白質生物合成的抑制劑主要是一些抗生素，如嘌呤霉素、鏈霉素、四環(huán)素、氯霉素、紅霉素等。此外，5-甲基色氨酸、環(huán)已亞胺、白喉毒素、蓖麻蛋白和其他核糖體滅活蛋白都能抑制蛋白質的合成。鏈霉素是一種堿性三糖，能干擾fMet-tRNA與核糖體的結合，從而阻止蛋白質合成的正確起始，也會導致mRNA的錯讀。若以多聚（U）作模板，則除苯丙氨酸（UUU）外，異亮氨酸（AUU）也會被摻入。鏈霉素的作用位點在30S亞基上。圖4-26幾種常見蛋白質合成抑制劑的結構式。

嘌呤霉素是AA-tRNA的結構類似物，能結合在核糖體的A位上，抑制AA-tRNA的進入。它所帶的氨基也能與生長中的肽鏈上的羧基反應生成肽鍵，反應的產物是一條C端羧基端掛了一個嘌呤霉素殘基的小肽。圖4-27嘌呤霉素抑制蛋白質合成的分子機制。a.嘌呤霉素的結構類似于帶有氨基酰的tRNA，能與核糖體A位點相結合；b.肽基嘌呤霉素。

青霉素、四環(huán)素和紅霉素只與原核細胞核糖體發(fā)生作用，從而阻遏原核生物蛋白質的合成，抑制細菌生長。

氯霉素和嘌呤霉素既能與原核細胞核糖體結合，又能與真核生物核糖體結合，妨礙細胞內蛋白質合成，影響細胞生長。4.5蛋白質運轉機制由于細胞各部分都有特定的蛋白質組分，因此合成的蛋白質必須準確無誤地定向運送才能保證生命活動的正常進行。

若某個蛋白質的合成和運轉是同時發(fā)生的，則屬于翻譯運轉同步機制；若蛋白質從核糖體上釋放后才發(fā)生運轉，則屬于翻譯后運轉機制。這兩種運轉方式都涉及到蛋白質分子內特定區(qū)域與細胞膜結構的相互關系。表4-15幾類主要蛋白質的運轉機制

蛋白性質

運轉機制主要類型分泌

蛋白質在結合核糖體上合成，以翻譯運轉同步機制運輸免疫球蛋白、卵蛋白、水解酶、激素等細胞器發(fā)育

蛋白質在游離核糖體上合成，以翻譯后運轉機制運輸核、葉綠體、線粒體、乙醛酸循環(huán)體、過氧化物酶體等細胞器中的蛋白質膜的形成兩種機制兼有質膜、內織網(wǎng)、類囊體中的蛋白質4.5.1翻譯-運轉同步機制

蛋白質定位信息存在于自身結構中，并通過與膜上特殊受體的相互作用得以表達。信號序列在結合核糖體上合成后便與膜上特定受體相互作用，產生通道，允許這段多肽在延長的同時穿過膜結構（圖4-29）。因此，這種方式是邊翻譯邊跨膜運轉。圖4-29蛋白質通過其N-端的信號肽在內質網(wǎng)中運轉到不同的細胞器。

絕大部分被運入內質網(wǎng)內腔的蛋白質都帶有一個信號肽，位于蛋白質的氨基末端（13-36個殘基）：（1）一般帶有10-15個疏水氨基酸；（2）在靠近該序列N-端常常有1個或數(shù)個帶正電荷的氨基酸；（3）在其C-末端靠近蛋白酶切割位點處常常帶有數(shù)個極性氨基酸，離切割位點最近的那個氨基酸往往帶有很短的側鏈（丙氨酸或甘氨酸）。

分泌蛋白的生物合成開始于結合核糖體，翻譯進行到50～70個氨基酸殘基時，信號肽從核糖體的大亞基上露出，與粗糙內質網(wǎng)膜上的受體相結合。SRP（信號識別蛋白/顆粒）能同時識別需要通過內質網(wǎng)膜進行運轉的新生肽和自由核糖體，并導致該多肽合成的暫時終止（此時新生肽一般長約70個殘基左右）。SRP-信號肽-多核糖體復合物即被引向內質網(wǎng)膜并與SRP的受體——DP（?？康鞍?，又稱SRP受體蛋白）相結合。只有當SRP與DP相結合時，多肽合成才恢復進行，信號肽部分通過膜上的核糖體受體及蛋白運轉復合物跨膜進入內質網(wǎng)內腔，新生肽鏈重新開始延伸。

SRP與DP的結合很可能導致受體聚集而形成膜孔道，使信號肽及與其相連的新生肽得以通過（圖4-30）。

信號肽過膜后被水解，新生肽隨之通過蛋白孔道穿越疏水的雙層磷脂。一旦核糖體移到mRNA的“終止”密碼子，蛋白質合成即告完成，翻譯體系解散，膜上的蛋白孔道消失，核糖體重新處于自由狀態(tài)。圖4-30蛋白質跨膜運轉的信號肽假說及其運輸過程4.5.2翻譯后運轉機制1、線粒體蛋白質跨膜運轉特征①通過線粒體膜的蛋白質運轉之前大多數(shù)以前體形式存在，由成熟蛋白質和位于N端的20～80個殘基的前導肽（leaderpeptide）組成；②蛋白質跨線粒體內膜運轉是一種需能過程；③蛋白質跨線粒體膜運轉時，首先由外膜上的Tom受體復合蛋白識