页数：88页文件大小：1.35 MB来源： 分子生物学ppt课件
本课件系统讲授翻译过程，先说明遗传密码三联子的破译与密码子简并性，再分析密码子与反密码子的摆动配对，依次介绍tRNA结构、氨酰-tRNA合成酶、核糖体与mRNA，随后详述肽链起始、延伸与终止，最后展开翻译后修饰与蛋白质运输降解。
第五章 蛋白质的生物合成—翻译
本章主要内容
基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质形式得到表达。DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成mRNA、翻译生成蛋白质的过程控制所有生命现象。Genetic information is perpetuated by replication，in which a double-stranded nucleic acid is duplicated to give identical copies.
基因表达包括转录（transcription）和翻译（translation）两个阶段。
只有mRNA所携带的遗传信息才被用来指导蛋白质生物合成，所以人们一般用U、C、A、G这4种核苷酸而不是T、C、A、G的组合来表示遗传性状。所谓翻译是指将mRNA链上的核苷酸从一个特定的起始位点开始，按每3个核苷酸代表一个氨基酸的原则，依次合成一条多肽链的过程。
翻译时从起始密码子AUG开始，沿mRNA 5'→3'的方向连续阅读直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸：以一种核苷酸代表一种氨基酸只能代表4种（41=4）；以两种核苷酸作为一个密码（二联子）能代表42=16种；以3个核苷酸代表一个氨基酸则可以有43=64种密码，满足了编码20种氨基酸的需要。
50-60年代破译遗传密码方面的三项重要成果：Paul Zamecnik等人证实细胞中蛋白质合成的场所。他们把放射性标记的氨基酸注射到大鼠体内，经过一段时间后收获其肝脏，进行蔗糖梯度沉淀并分析各种细胞成份中的放射性蛋白质。如果注射后经数小时（或数天）收获肝脏，所有细胞成份中都带有放射性标记的蛋白质；如果注射后几分钟内即收获肝脏，那么放射性标记只存在于含有核糖体颗粒的细胞质成份中。
（2）Francis Crick等人第一次证实只有用三联子密码的形式，才能把包含在由AUGC四个字母组成的遗传信息（核酸）准确无误地翻译成由20种不同氨基酸组成的蛋白质序列，实现遗传信息的表达。
实验5：以共聚三核苷酸作为模板可得到有3种氨基酸组成的多肽。以多聚（UUC）为模板，可能有3种起读方式：5'…UUC UUC UUC…3'、5'…UCU UCU UCU…3'、5'…CUU CUU CUU…3'，分别产生UUC（Phe）、UCU（Ser）或CUU（Leu）。多聚三核苷酸为模板时也可能只合成2种多肽：5'…GUA GUA GUA…3'、5'…UAG UAG UAG…3'、5'…AGU AGU AGU…3'。由第二种读码方式产生的密码子UAG是终止密码，不编码任何氨基酸，因此只产生GUA（Val）或AGU（Ser）。
实验6：以随机多聚物指导多肽合成。Nirenberg等及Ochoa等又用各种随机的多聚物作模板合成多肽。例如以只含A、C的多聚核苷酸作模板，任意排列时可出现8种三联子，即CCC、CCA、CAC、ACC、CAA、ACA、AAC、AAA，获得由Asn、His、Pro、Gln、Thr、Lys等6种氨基酸组成的多肽。
（3）氨基酸的“活化”与核糖体结合技术。如果把氨基酸与ATP和肝脏细胞质共培养，氨基酸就会被固定在某些热稳定且可溶性RNA分子（transfer RNA，tRNA）上。现将氨基酸活化后的产物称为氨基酰-tRNA（aminoacyl-tRNA），并把催化该过程的酶称为氨基酰合成酶（aminoacyl-tRNA Synthetase）。
以人工合成的三核苷酸如UUU、UCU、UGU等为模板，在含核糖体、AA-tRNA的反应液中保温后通过硝酸纤维素滤膜，只有游离的AA-tRNA因相对分子质量小而通过滤膜，而核糖体或与核糖体结合的AA-tRNA则留在滤膜上，这样可把已结合与未结合的AA-tRNA分开。
当体系中带有多聚核苷酸模板时，从大肠杆菌中提取的核糖体经常与特异性氨基酰-tRNA相结合。如果把核糖体与poly（U）和Phe-tRNAPhe共温育，核糖体就能同时与poly（U）和Phe-tRNAPhe相结合。
4种核苷酸组成61个编码氨基酸的密码子和3个终止密码子，它们不能与tRNA的反密码子配对，但能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。
三、密码子和反密码子的相互作用：蛋白质生物合成过程中，tRNA的反密码子通过碱基的反向配对与mRNA的密码子相互作用。1966年Crick根据立体化学原理提出摆动假说（wobble hypothesis），解释了反密码子中某些稀有成分如I以及许多有2个以上同源密码子的配对问题。
Wobble hypothesis
四、tRNA：tRNA在蛋白质合成中处于关键地位，被称为第二遗传密码。它不但为将每个三联子密码翻译成氨基酸提供了接合体，还为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供了载体。所有的tRNA都能够与核糖体的P位点和A位点结合，此时tRNA分子三叶草型顶端突起部位通过密码子-反密码子的配对与mRNA相结合，而其3'末端恰好将所转运的氨基酸送到正在延伸的多肽上。代表相同氨基酸的tRNA称为同工tRNA；在一个同工tRNA组内，所有tRNA均专一于相同的氨基酰-tRNA合成酶。
1、tRNA的三叶草型二级结构：由氨基酸受体臂、D臂、反密码子臂、TφC臂及可变环构成的三叶草形构型，是tRNA行使搬运与解码功能的结构基础。
最常见的tRNA分子有76个碱基，相对分子质量约为2.5×104；不同的tRNA分子可有74-95个核苷酸不等。tRNA的稀有碱基含量非常丰富，约有70余种；每个tRNA分子至少含有2个稀有碱基，最多有19个，多数分布在非配对区，特别是在反密码子3'端邻近部位出现的频率最高，且大多为嘌呤核苷酸。
2、tRNA的L形三级结构：酵母和大肠杆菌tRNA的三级结构都呈L形折叠式，靠氢键维持，其三级结构与AA-tRNA合成酶的识别有关。受体臂和TφC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。
tRNA的L形高级结构反映了其生物学功能：其所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而它的反密码子必须与小亚基上的mRNA相配对，所以两个不同的功能基团最大限度地分离。
3、tRNA的功能：转录过程是信息从一种核酸分子（DNA）转移至另一种结构上极为相似的核酸分子（RNA）的过程，信息转移靠的是碱基配对。翻译阶段遗传信息从mRNA分子转移到结构极不相同的蛋白质分子，信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联子密码形式存在的，在这里起作用的是解码机制。
4、tRNA的种类
（3）校正tRNA：校正tRNA分为无义突变及错义突变校正。在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变可能使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子（UAG、UGA、UAA），使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变就称为无义突变。
五、AA-tRNA合成酶：是一类催化氨基酸与tRNA结合的特异性酶，反应式如下，实际上包括两步反应：
蛋白质合成的真实性主要决定于AA-tRNA合成酶是否能使氨基酸与对应的tRNA相结合。AA-tRNA合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性。不同的tRNA有不同碱基组成和空间结构，容易被tRNA合成酶所识别，困难的是这些酶如何识别结构上非常相似的氨基酸。
合成酶识别相似氨基酸有两道关口（two filters）：
六、核糖体：核糖体像一个能沿mRNA模板移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。它是由几十种蛋白质和几种核糖体RNA（ribosomal RNA，rRNA）组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个，在未成熟的蟾蜍卵细胞内则高达1012。核糖体和它的辅助因子为蛋白质合成提供了必要条件。
1、核糖体的组成：原核生物核糖体由约2/3的RNA及1/3的蛋白质组成；真核生物核糖体中RNA占3/5，蛋白质占2/5。核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为两个亚基，每个亚基都含有一个相对分子质量较大的rRNA和许多不同的蛋白质分子。
2、rRNA：核糖体RNA是核糖体的结构与功能核心，与多种核糖体蛋白共同装配成大小亚基，并在肽键形成中发挥催化作用。
3、核糖体的功能：核糖体包括至少5个活性中心，即mRNA结合部位、结合或接受AA-tRNA部位（A位）、结合或接受肽基tRNA的部位、肽基转移部位（P位）及形成肽键的部位（转肽酶中心），此外还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。
核糖体可解离为亚基或结合成70S/80S颗粒。翻译的起始阶段需要游离的亚基，随后才结合成70S/80S颗粒，继续翻译进程。体外反应体系中，核糖体的解离或结合取决于Mg2+离子浓度。在大肠杆菌内，Mg2+浓度在10-3 mol/L以下时70S解离为亚基，浓度达10-2 mol/L时则形成稳定的70S颗粒。
细胞中大多数核糖体处于非活性的稳定状态，单独存在，只有少数与mRNA一起形成多聚核糖体。它从mRNA的5'末端向3'末端阅读密码子，至终止子时合成一条完整的多肽链。mRNA上核糖体的多少视mRNA的长短而定，一般40个核苷酸有一个核糖体。
七、信使核糖核酸（mRNA，messenger ribonucleic acid）。虽然mRNA在所有细胞内执行着相同的功能，即通过三联子密码翻译生成蛋白质，其生物合成的具体过程和成熟mRNA的结构在原核和真核生物细胞内是不同的。
八、蛋白质的生物合成：核糖体是蛋白质合成的场所，mRNA是蛋白质合成的模板，tRNA是模板与氨基酸之间的接合体。此外，有20种以上的AA-tRNA及合成酶、10多种起始因子、延伸因子及终止因子，30多种tRNA及各种rRNA、mRNA和100种以上翻译后加工酶参与蛋白质合成和加工过程。
1、蛋白质生物合成的主要步骤
主要分为五步：
肽链延伸分为三步：
2、与蛋白质合成有关的因子
3、蛋白质合成的起始——蛋白质合成的起始复合物包括：
合成的起始可分为三步：
表27-9 真核细胞中参与翻译起始的蛋白质因子及其功能：
| 真核因子 | 功能 |
|---|---|
| eIF2 | 促进Met-tRNAMet与核糖体40S小亚基结合 |
| eIF2B、eIF3 | 是最早与核糖体40S小亚基结合的促进因子，保证蛋白质合成反应的正常进行 |
| eIF4A | 具有RNA解旋酶活性，解除mRNA模板的次级结构并使之与40S小亚基结合，形成eIF4F复合物 |
| eIF4B | 与mRNA模板相结合，协助核糖体扫描模板序列，定位AUG |
| eIF4E | 与mRNA 5'的帽子结构相结合，形成eIF4F复合物 |
| eIF4G | 与eIF4E和poly（A）结合蛋白（PAB）相结合，形成eIF4F复合物 |
| eIF5 | 促使多个蛋白因子与40S小亚基解体，以此帮助大小亚基结合形成80S核糖体，形成翻译起始复合物 |
| eIF6 | 促进没有蛋白质合成活性的80S核糖体解离成40S和60S两个亚基 |
4、肽链的延伸——肽链延伸的基本要求是：
肽链延伸也可被分为三步：
5、肽链的终止：当终止密码子进入核糖体A位点时，在释放因子RF1-3的作用下：
6、蛋白质合成的抑制剂：抗菌素对蛋白质合成的作用可能是阻止mRNA与核糖体结合（氯霉素），或阻止AA-tRNA与核糖体结合（四环素类），或干扰AA-tRNA与核糖体结合而产生错读（链霉素、新霉素、卡那霉素等），或作为竞争性抑制剂抑制蛋白质合成。
链霉素是一种碱性三糖，干扰fMet-tRNA与核糖体的结合，从而阻止蛋白质合成的正确起始，并导致mRNA的错读。若以poly（U）作模板，则除苯丙氨酸（UUU）外，异亮氨酸（AUU）也会掺入。对链霉素敏感位点在30S亚基上。
嘌呤霉素是AA-tRNA的结构类似物，能结合在核糖体的A位上，抑制AA-tRNA的进入。它所带的氨基与AA-tRNA上的氨基一样，能与生长中肽链上的羧基生成肽键，这个反应的产物是一条3'羧基端挂了嘌呤霉素的肽链。
青霉素、四环素和红霉素只与原核细胞核糖体发生作用，从而阻遏原核生物蛋白质的合成，抑制细菌生长。氯霉素和嘌呤霉素既能与原核细胞核糖体结合，又能与真核生物核糖体结合，妨碍细胞内蛋白质合成，影响细胞生长。因此前3种抗生素被广泛用于人类医学，后两种则很少在医学上使用。
九、氨基酸及功能蛋白质合成后的修饰
4、氨基酸的糖苷化：蛋白质合成后在特定氨基酸残基上共价连接糖链，形成糖蛋白，参与蛋白质折叠、定位与细胞识别。
5、氨基酸的异戊烯化（Addition of Isoprenyl Groups）：在蛋白质特定残基上加成异戊二烯基团，使其获得膜结合能力，常见于信号转导相关的膜定位蛋白。
6、辅基与成熟加工：有些蛋白质还要与辅基（prosthetic groups）相结合，如细胞色素C只有与血红素（heme）相结合才有功能；乙酰-CoA羧化酶常与生物素（Biotin）分子相结合。有些蛋白质必须经蛋白酶切割后才有功能，有些蛋白质只有在形成二硫键之后才有功能。
十、蛋白质的运输和降解
1、绝大部分被运入ER内腔的蛋白质都带有一个Signal peptide。该序列常常位于蛋白质的氨基末端，长度一般在13-36个残基之间，有三个特点：
5、Rough ER上的蛋白质常常通过运转载体将经过修饰的蛋白质送入高尔基体，再分别送到各个亚细胞位点。
6、蛋白质中的核定位序列一般不被切除。蛋白质的核定位是通过多个蛋白的共同作用来实现的。Importin（α、β亚基）的作用有点像SRP受体。NLS蛋白-Importin复合物停留在核孔上，并在Ran-GTPase的作用下通过核孔。
细菌细胞内也存在类似的蛋白质运转系统，可将新合成的蛋白质定向输送到膜、周质空间或胞外。
7、蛋白质降解是一个有序的过程。
成熟多肽N-端第一个残基对蛋白质的稳定性有重要影响，不同N端残基对应差别很大的半衰期，这是细胞内蛋白质选择性降解的重要识别依据。
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