分子生物学课程教学讲义（三）
第三讲 蛋白质合成
一.基因与基因表达的一般概念
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。
编码链（coding strand）又称sense strand，是指与mRNA序列相同的那条链。非编码链（anticoding strand），又称antisense strand，是指那条根据碱基互补原则指导mRNA生物合成的DNA链。
Genetic
information is perpetuated by replication（复制）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。转录是指拷贝出一条与DNA链序列完全相同（除了T→U之外）的RNA单链的过程，是基因表达的核心步骤。翻译是指以新生的mRNA为模板，把核苷酸三联子遗传密码翻译成氨基酸序列、合成蛋白质多肽链的过程，是基因表达的最终目的。
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。
二. 遗传密码——三联子
mRNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这3个核苷酸就称为一个密码，也叫三联子密码。翻译时从起始密码子AUG开始，沿mRNA5’→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，若以一种核苷酸代表一种氨基酸，只能代表4种(41=4)。若以两种核苷酸作为一个密码（二联子），能代表42=16种氨基酸。而假定以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：
（1）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1:
用吖啶类试剂（诱导核苷酸插入或丢失）处理T4噬菌体rII位点上的两个基因，使之发生移码突变（frame-shift），就生成完全不同的、没有功能的蛋白质。
实验2:
研究烟草坏死卫星病毒发现，其外壳蛋白亚基由400个氨基酸组成，相应的RNA片段长1200个核苷酸，与密码三联子体系正好相吻合。
实验3:
以均聚物为模板指导多肽的合成。 在含有tRNA、核糖体、AA-tRNA合成酶及其它蛋白质因子的细胞抽提物中加入mRNA或人工合成的均聚物作为模板以及ATP、GTP、氨基酸等成分时又能合成新的肽链，新生肽链的氨基酸顺序由外加的模板来决定。
1961年，Nirenberg等以poly（U）作模板时发现合成了多聚苯丙氨酸，从而推出UUU代表苯丙氨酸（Phe）。以poly（C）及poly（A）做模板分别得到多聚脯氨酸和多聚赖氨酸。
实验4:
以特定序列的共聚物为模板指导多肽的合成。以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽，
5'…UGU GUG UGU GUG UGU GUG…3',不管读码从U开始还是从G开始，都只能有UGU（Cys）及GUG（Val）两种密码子。
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。如以多聚（UUC）为模板，可能有3种起读方式：
5’…UUC UUC UUC UUC UUC…3’或 5’…UCU UCU UCU UCU UCU…3’或 5'…CUU CUU 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 GUA GUA…3’或5’…UAG UAG UAG UAG UAG…3’
或5’…AGU AGU 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。由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子（synonymous
codon）。
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
① 任意一个密码子的前两位碱基都与tRNA anticodon中的相应碱基形成Watson-Crick碱基配对。
② 反密码子第一位是A或C时，只能识别一个密码子。当反密码子第一位是U或G时，能识别两个密码子。当Inosine（I）作为反密码子第一位时，能识别三个密码子。
③ 如果数个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不相同的密码子都对应于各自的tRNA。
④ 根据上述规则，至少需要32种不同的tRNA才能翻译61个密码子。
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
受体臂（acceptor
arm）主要由链两端序列碱基配对形成的杆状结构和3’端末配对的3-4个碱基所组成，其3’端的最后3个碱基序列永远是CCA，最后一个碱基的3’或2’自由羟基（—OH）可以被氨酰化。TφC臂是根据3个核苷酸命名的，其中φ表示拟尿嘧啶，是tRNA分子所拥有的不常见核苷酸。反密码子臂是根据位于套索中央的三联反密码子命名的。D臂是根据它含有二氢尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。
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分子长度的不同主要是由其中的两条手臂引起的。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。这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之间的配对是很重要的。
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。这种结构是靠氢键来维持的，tRNA的三级结构与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，因为它上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
（1）起始tRNA和延伸tRNA
能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet），真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）。
（2）同工tRNA
代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA，同工tRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被AA- tRNA合成酶识别。
（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，其反应式如下：
它实际上包括两步反应：
第一步是氨基酸活化生成酶-氨基酰腺苷酸复合物。
AA+ATP+酶（E）→E-AA-AMP+PPi
第二步是氨酰基转移到tRNA 3’末端腺苷残基上，与其2’或3’-羟基结合。
E-AA-AMP+ tRNA→AA- tRNA +E+AMP
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。
有两道关口:
The first filter is the initial binding of the amino acid to the enzyme and its activation to aminoacyl-AMP.
The second filter is the binding of incorrect aminoacyl-AMP products to a separate active site on the enzyme.
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。
大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成，分别用S1……S21表示，大亚基由33种蛋白质组成，分别用L1……L33表示。真核生物细胞核糖体大亚基含有49种蛋白质，小亚基有33种蛋白质。
2、rRNA
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。小亚基上拥有mRNA结合位点，负责对序列特异的识别过程，如起始位点的识别和密码子与反密码子的相互作用。大亚基负责氨基酸及tRNA携带的功能，如肽键的形成、AA-
tRNA、肽基- tRNA的结合等。A位、P位、转肽酶中心等主要在大亚基上。
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10-3mol/L以下时，70S解离为亚基，浓度达10-2mol/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 acidDNA deoxyribonucleic 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。
蛋白质合成消耗了细胞中90%左右用于生物合成反应的能量。细菌细胞中的2万个核糖体，10万个蛋白质因子和20万个tRNAs 约占大肠杆菌干重的35%。
在大肠杆菌中合成一个100个氨基酸的多肽只需5分钟。
1.蛋白质生物合成的主要步骤：
翻译的起始——核糖体与mRNA结合并与氨基酰-tRNA生成起始复合物。肽链的延伸——核糖体沿mRNA5’端向3’端移动，导致从N端向C端的多肽合成。肽链的终止以及肽链的释放——核糖体从mRNA上解离，准备新一轮合成反应。
主要分为五步
1、 Activation of Amino Acids (This reaction takes place in the cytosol, not on the ribosome).
2、
Initiation. The mRNA bearing the code for the polypeptide binds to the
small ribosomal subunit and to the initiating aminoacyl-tRNA.
3、Elongation. Peptide bonds are formed in this stage.
4、Termination and Release. Completion of the polypeptide chain is signaled by a termination codon in the mRNA.
5、Folding and Post translational Processing.
肽链延伸分为三步
① Binding of an incoming aminoacyl-tRNA.
② Peptide bond formation.
③ Translocation.
2.与蛋白质合成有关的因子
起始因子Initiation
factor（IF）延伸因子Elongation factor（EF）终止因子。原核中有RF1-3。RF-1 识别 UAA和UAG; RF-2
识别 UAA和UGA; RF-3 仅能促进RF-1和RF-2的功能。终止因子行使功能时需要GTP。真核生物中只有一个RF，能识别3个终止子。
3、蛋白质合成的起始
蛋白质合成的起始复合物:
30S 核糖体小亚基
模板mRNA
fMet-tRNAfMet
起始因子
GTP
50S 核糖体大亚基
Mg2+
合成的起始可分为三步:
1、30S 核糖体小亚基与起始因子IF –1和IF-3相结合，诱发模板mRNA与小亚基结合。
2、由30S 小亚基、起始因子IF –1和IF-3及模板mRNA所组成的复合物立即与GTP-IF-2及fMet-tRNAfMet相结合。反密码子与密码子配对。
3、上述六组分复合物再与50S大亚基结合，水解GTP生成并释放GDP和Pi。释放三个起始因子。
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，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80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 ：
有完整的起始复合物，
有氨基酰-tRNA，
有延伸因子EF-Tu, EF-Ts和EF-G，
有GTP。
肽链延伸也可被分为三步：
第一步，与新进来的氨基酰-tRNA相结合。氨基酰-tRNA首先必须与GTP-EF-Tu复合物相结合，形成氨基酰-tRNA-GTP-EF-Tu复合物并与70S中的A位点相结合。此时，GTP水解并释放GDP-EF-Tu复合物。
第二步，肽键形成。
肽键形成之初，两个氨基酸仍然分别与各自的tRNA相结合，仍然分别位于A位点和P位点上。A位点上的氨基酸（第二个氨基酸）中的α-氨基作为亲核基团取代了P位点上的tRNA，并与起始氨基酸中的COOH基团形成肽键。本反应可能由peptidyl
transferase 催化。
第三步，移位（translocation）。
核糖体向mRNA的3’方向移动一个密码子，使得带有第二个氨基酸（现已成为二肽）的tRNA从A位进入P位，并使第一个tRNA从P位进入E位。此时模板上的第三个密码子正好在A位上。核糖体的移位需要EF-G（translocase）和另一分子GTP水解提供能量。
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：
（1）水解末端肽基tRNA；
（2）释放新生肽和tRNA；
（3）使70S核糖体解离成30S和50S两个亚基。
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'羧基端挂了一
嘌呤霉素。
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。
