范文一：蛋白质翻译

蛋白质合成——翻译

1、 核糖体（ribosome ）组成：

2、 核糖体RNA （rRNA ）：

3、 合成机制：

*在蛋白质生物合成时，tRNA 活化成携带有相应氨基酸的氨基酰-tRNA 是翻译过程启动的先决条件。

*细胞内共有20余种氨酰-tRNA 合成酶分别参与合成不同的氨酰-tRNA 的合成。氨酰-tRNA 合成酶具有底物的绝对专一性，对氨基酸，tRNA 两种底物都能高度特异性的识别。

*tRNA分为起始tRNA （特性的识别起始密码子）和延伸tRNA ，真

Met

核生物的起始tRNA 携带甲硫氨酸（Met ），书写为Met-tRNAi ；原核生物起始tRNA 携带甲酰甲硫氨酸（fMet ），由于甲硫氨酸

fMet

-NH2被甲酰化，书写为fMet-tRNAi 。（i 表示起始initiation ）

*同工tRNA ，一种氨基酸有多种密码子，所以就有多种tRNA ，这几种代表相同氨基酸的rRNA 称为同工tRNA 。

*活化过程需要ATP 消耗：

第一步形成氨酰腺苷酸-酶复合体。

AA+ATP+酶（E ）——>AA-AMP-E+PPi （E 指氨酰-tRNA 合成酶）

第二步是氨酰基转移到3’端

AA-AMP-E+tRNA——>AA-tRNA+E+AMP

4、具体过程：

（1）氨基酸活化（同上）

Met

（2）翻译的起始：真核生物中，任何一个多肽的合成都是从生成甲硫氨酸-tRNAi 开始的，因为甲硫氨酸

Met Met

的特殊性，体内存在两种tRNA ，只有甲硫氨酸-tRNAi 才能与核糖体小亚基40S 结合，起始肽链合成，

Met

普通的tRNA 中携带的甲硫氨酸只能在延伸过程中插入到A 位点参与肽链合成。

Met

真核生物中，40S 小亚基首先与Met-tRNAi 结合，再与模版mRNA 结合，最后与60S 大亚基结合生成

Met 2++

80S*mRNA*Met-tRNAi复合物。起始复合物的生成需要GTP 供能，还需要Mg ，NH 4和3个起始因子（IF1，IF2，IF3）。

原核生物翻过起始过程：

第一步：30S 小亚基首先与起始因子IF1，IF3结合，通过SD 序列与mRNA 模版结合。

fMet

第二步：在IF2和GTP 帮助下，fMet-tRNAi 进入小亚基的P 位置，tRNA 上的反密码子与mRNA 上的起始密码子配对。

第三步：带有tRNA ，mRNA ，三个起始因子的小亚基复合物与50S 大亚基结合，GTP 水解，释放起始因子。

*30S亚基具有专一性的识别和选择mRNA 起始位点的特性。30S 小亚基通过其16SrRNA 的3' 端与mRNA 的5' 端起始密码子上游的碱基序列（SD 序列5'-AGGAGGU-3' ）配对结合。

*细菌核糖体上一般存在三个与氨酰-tRNA 结合的位点，A 位点（aminoacyl site ，第二个密码子对应位点），

fMet

P 位点（peptidyl site ）和E 位点（exit site ），只有fMet-tRNAi 能与第一个P 位点相结合，其他所有的tRNA 都必须通过A 位点到达P 位点，再由E 位点离开核糖体。

真核生物的起始阶段基本相同，只是核糖体较大，有较多的起始因子（eIF ）参与，其mRNA 具有m GpppNp 帽子结构（帽子与核糖体小亚基的18SrRNA 的3' 端序列之间存在不同于SD 序列的碱基配对型相互作用。且有一种蛋白因子（eIF-4E ）——帽子结合蛋白，能专一的识别mRNA 的帽子结构，与mRNA 的5' 端结合生

Met

成蛋白质-mRNA 复合物，并利用该复合物对eIF-3的亲和力与含有eIF-3的40S 亚基结合。），Met-tRNAi

7

不甲酰化，mRNA 分子5' 端帽子和3' 端多聚A 都参与形成翻译起始复合物。

（3）肽链的延伸（原核）：

第二个AA-tRNA 在延伸因子EF-Tu 及GTP 作用下，生成AA-tRNA*EF-Tu*GTP复合物，然后结合到核糖体的A 位点上。这时GTP 被水解释放，通过延伸银子EF-Ts 再生GTP ，形成EF-Tu*GTP复合物，进入新一轮循环。

fMet

由于EF-Tu 只能与fMet-tRNAi 以外的其他AA-tRNA 起反应，所以起始tRNA 不会被结合到A 位点上（直接结合P 位点），这就是mRNA 内部的AUG 不会被起始tRNA 读出，肽键中间不会出现甲酰甲硫氨酸的原因。

fMet

肽键的形成：经过上一步反应后，AA-tRNA 占据A 位，fMet-tRNAi 占据P 位，在肽基转移酶的催化下，A

fMet

位的AA-tRNA 转移到P 位，与fMet-tRNAi 上的氨基酸生成肽键。起始tRNA 在完成使命后离开P 位点，A 位点准备接受新的AA-tRNA ，开始下一轮循环。

移位：即核糖体向mRNA3' 端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子结合的二肽酰-tRNA2从A 位进入P 位，去氨酰-tRNA 被挤入E 位，mRNA 上的第三个密码子对应于A 位。EF-G 是移位所必需的蛋白质因子，移位的能量来自另一分子GTP 的水解。

（4）肽链终止：

蛋白质前体加工

1、N 端fMet 或Met 的切除：不管是原核生物还是真核生物，N 端的甲硫氨酸往往在多肽链合成完毕之前就被切除。

2、二硫键的形成：蛋白质合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成二硫键，成为胱氨酸，二硫键的正确形成对稳定蛋白质的天然构象具有重要的作用。

3、特定的氨基酸修饰：包括磷酸化（如核糖体蛋白质），糖基化（各种糖蛋白），甲基化（组蛋白，肌肉蛋白质），乙基化（组蛋白），羟基化（胶原蛋白）和羧基化等。 4、切除新生肽链中的非功能片段

蛋白质的折叠：

1、 连续性，简并性，通用性和特殊性 2、 三种，UAA （赭石ochre 密码），最常用，UGA （乳白石opal 密码）和UAG （琥珀amber 密码） 3、

tRNA （transfer RNA）

所有tRNA 都具有共同的特征，存在经过特殊修饰的碱基，t RNA 的3' 端都以CCA-OH 结束，该位点是tRNA 与相应氨基酸结合的位点。

三叶草形分子上有4条根据他们的结构或已知功能命名的手臂：

（1）受体臂：由链两端序列碱基配对形成的杆状结构和3' 端未配对的3-4个碱基组成，其3' 端的最后三个碱基永远都是CCA 。

（2）T ψC 臂：根据三个核苷酸命名的，其中ψ表示拟尿嘧啶，是tRNA 分子所拥有的不常见的核苷酸。 （3）反密码子臂：

（4）D 臂：根据它还有二氢尿嘧啶（dihydrouracil ）命名的

Key ：

cytosine ：胞嘧啶，5-methylcytosine ：5-甲基胞嘧啶 guanine: 鸟嘌呤

adenine: 腺嘌呤

pseudouracil ：拟尿嘧啶

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范文二：蛋白质翻译

蛋白质的生物合成??翻译

一切生命现象不能离开蛋白质，由于代谢更新，即使成人亦需不断合成蛋白质(约400g/日) 。蛋白质具有高度特异性。不同生物，它们的蛋白质互不相同。所以食物蛋白质不能为人体直接利用，需经消化、分解成氨基酸，吸收后方可用来合成人体蛋白质。

mRNA 含有来自DNA 的遗传信息，是合成蛋白质的“模板”，各种蛋白质就是以其相应的mRNA 为“模板”，用各种氨基酸为原料合成的。mRNA 不同，所合成的蛋白质也就各异。所以蛋白质生物合成的过程，贯穿了从DNA 分子到蛋白质分子之间遗传信息的传递和体现的过程。

mRNA 生成后，遗传信息由mRNA 传递给新合成的蛋白质，即由核苷酸序列转换为蛋白质的氨基酸序列。这一过程称为翻译（translation ）。翻译的基本原理见图14-1。

由图14-1可见，mRNA 穿过核膜进入胞质后，多个核糖体（亦称核蛋白体，图中为四个）附着其上，形成多核糖体。作为原料的各种氨基酸在其特异的搬运工具（tRNA ）携带下，在多核糖体上以肽键互相结合，生成具有一定氨基酸序列的特定多肽链。

合成后从核糖体释下的多肽链，不一定具有生物学活性。有的需经一定处理，有的需与其他成分（别的多肽链或糖、脂等）结合才能形成活性蛋白质。

第一节参与蛋白质生物合成的物质

参与蛋白质合成的物质，除氨基酸外，还有mRNA （“模板”）、tRNA （“特异的搬运工具”）、核糖体（“装配机”）、有关的酶（氨基酰tRNA 合成酶与某些蛋白质因子），以及ATP 、GTP 等供能物质与必要的无机离子等。

一、mRNA 与遗传密码

天然蛋白质有1010~1011种，组成蛋白质的氨基酸却只有20种。这20种氨基

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酸排列组合的不同，形成了形形色色的蛋白质。蛋白质中氨基酸的序列如何决定？

（一）三联体密码与密码的简并

研究表明，密码子（codon ）共有64个，每个密码子是由三个核苷酸（称为三联体，triplet ）组成的。有的氨基酸有多个密码子，这种现象称为简并（degenerate ），如UUU 和UUC 都是苯丙氨酸的密码子，UCU 、UCC 、UCA 、UCG 、AGU 和AGC 都是丝氨酸的密码子，同一氨基酸的不同密码子称为同义词（synonyms ）。64个密码子中61个密码子代表一定的氨基酸，只有3个密码子不代表任何氨基酸，为肽链合成的终止信号。总之，在DNA 或mRNA 分子内，每3个相邻核苷酸按其排列序列可体现一种氨基酸或体现蛋白质合成终止信号的，统称为遗传密码（genetic code ）。密码子与各种氨基酸的对应关系如表14-1。

（二）起始信号与终止信号

在表14-1的64个密码子中，61个代表氨基酸。每一种氨基酸少的只有一个密码子，多的可有6个，但以2个和4个的居多。另有3个密码子（UAA 、UAG 、UGA ）为肽链的终止密码子（terminator codon ）不代表任何氨基酸，为终止信号。密码子AUG 具有特殊性，不仅代表甲硫氨酸，如果位于mRNA 起始部位，它还代表肽链合成的起始密码子（initiator codon ）。起始密码子常在mRNA 的5′端附近。作为起始信号的AUG 与其局部构象有关，而局部构象常取决于AUG 邻近核苷酸序列。例如真核生物起始信号AUG 周围最合适的上下文顺序为CC A CC[AUG]G。这种上下文顺序如有改动，会使起始效率降低。非起始部位G

的AUG 不作为起始信号，只代表甲硫氨酸。

（三）方向性与无间隔性

mRNA 的起动信号到终止信号的排列是有一定方向性的。起动信号总是位于mRNA 的5′侧，mRNA 分子中遗传信息具有方向性（从终止信号总是在3′侧。

A 5′端至3′端）的排列，决定了翻译过程肽链从N 端向C 端合成的方向性。mRN mRNA

的密码子之间无标点符号隔开，所以在相应基因的DNA 链上，如因突变插入一个

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碱基或缺失一个碱基，都会引起mRNA 的阅读框移位（frame shift ），使其编码

e ）的蛋白质丧失功能。（cod code

（四）通用性（universal ）

从细菌到人，遗传密码可以通用，这一点不仅为地球上的生物来自同一起源的进化学说提供有力依据，而且使我们有可能利用细菌等生物制造人类蛋白质。

G 但遗传密码的通用性有个别例外。如哺乳动物线粒体的蛋白质合成体系中，UA UAG

不代表终止信号而代表色氨酸，由AGA 与AGG 代表终止信号，CUA 、AUA 不代表亮氨酸, 却分别代表苏氨酸和蛋氨酸等。

二、氨基酸的“搬运工具”—tRNA

体内的20种氨基酸都各有其特定的tRNA ，而且一种氨基酸常有数种tRNA ，在ATP 和酶的存在下，它可与特定的氨基酸结合。每个tRNA 都有1个由3个核苷酸编成的特珠的反密码子（anticodon ）。此反密码子可以根据碱基配对的原则，与mRNA 上对应的密码子相配合。tRNA 上的反密码子，只有与mRNA 上的密码子相对应时，才能结合。因此，在翻译时，带着不同氨基酸的各个tRNA 就能准确地在核糖体上与mRNA 的密码子对号入座。

（一）密码子与反密码子的摆动配对

A 双股结构中的碱基配对原则很严格，本书第3章已经介绍，DN DNA 必须A 与T ，

或G 与C 相配。但tRNA 的反密码子中的第1个核苷酸与mRNA 的第3个核苷酸（由5′端向3′端方向计数）配对时，并不严格遵循这一原则，除A —U （相当于DNA 中的T ）G —C 可以配对外，U —G ，I —C ，I —A 亦可相配（表14-2），此种配对称为摆动配对（wobble base pair ）或不稳定配对。

（二）起始tRNA 与普通tRNA

普通tRNA 只在肽链延长阶段起作用。例如tRNA met 就是普通tRNA 中的一员，上标“met ”表示它是甲硫氨酸的tRNA ，可携带甲硫氨酸，识别mRNA 非起始部位的AUG 。

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起始tRNA （tRNAi met ）与众不同，下标“i ”代表起始(initiation)。它在蛋白质合

A 成的起始中起重要作用，它是识别mRNA 起始部位AUG 的tRNA 。此种tRN tRNA

在真核生物携带蛋氨酸，在原核生物携带经过甲酰化的甲硫氨酸。甲酰甲硫氨酰tRNA i met 是甲硫氨酰tRNA i m et 在原核生物中经甲硫氨酰tRNA 转甲酰基酶催化后的

产物。

三、肽链合成的“装配机”—核糖体

核糖体由大小不同的两个亚基所组成，这两个亚基分别由不同的RNA 分子

S 30S （称为rRNA ）与多种蛋白质分子共同构成的。原核生物的核糖体为70S ，由30

小亚基与50S 大亚基组成；真核生物的核糖体为80S ，由30S 小亚基与50S 大亚基组成。

胞质中的核糖体分为两类，一类附着于粗面内质网，主要参与白蛋白，胰岛素等分泌蛋白质的合成；另一类游离于胞质，主要参与细胞固有蛋白质的合成。

（一）转肽酶以及给位与受位

核糖体相当于“装配机”能够促进tRNA 所带的氨基酸缩合成肽。核糖体有2个位置分别称为给位（donor site ）与受位（acceptor site ），供携带氨基酸或新生肽链的tRNA 附着。给位又称为P 位（peptidyl site ，肽位）；受位有时又称A 位（aminoacyl site ，氨基酰位）。核糖体的大亚基具有转肽酶（transpeptidase ）活性，可使附着于给位上的肽酰tRNA 转移到受位上tRNA 所带氨基酸上，使两者缩合，形成肽键。

（二）多核糖体

在细胞内合成蛋白质的核糖体并不是单个核糖体，而是多个核糖体聚在一起的多核糖体。多核糖体中的各个核糖体可在同一时间内与同一个mRNA 相连，如图14-1。在一条mRNA 上可以同时合成多条同样的多肽链。多核糖体合成肽链的效率甚高，其每一个核糖体每秒钟可翻译约40个密码子，即每秒钟可以合成相当于一个由40个左右氨基酸残基组成的，分子量约为4000的多肽链。

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第二节蛋白质的合成过程

蛋白质生物合成的具体步骤包括：①氨基酸的活化与活化氨基酸的搬运；②活化氨基酸在核糖体上的缩合。前者是后者的准备阶段，后者是蛋白质合成的中心环节。

一、氨基酸的活化与转运

在蛋白质分子中，氨基酸借其—NH 2基及—COOH 基互相联结成肽。氨基酸的活化过程及其活化后与相应tRNA 的结合过程，都是由同一类酶所催化；此类酶称为氨基酰tRNA 合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase ）。氨基酰t RNA 合成酶催化的反应必须有ATP 参加，其反应步骤如下：

（一）氨基酸的活化与转运是酶促需能反应

首先，在酶促下ATP 分解为焦磷酸与AMP ；AMP 、酶及氨基酸三者结合成为一种中间复合体。在复合体中，氨基酸的羧基与磷酸腺苷的磷酸以酐键相联，变为活化的氨基酸。进入

称为“核糖体循环”（ribosomal cycle ）的氨基酸缩合成肽过程。

（二）氨基酰tRNA 合成酶对氨基酸的高度专一性保证了翻译的准确性（fidelity ）

氨基酰tRNA 合成酶在胞液中存在，具有高度专一性。它们既能识别特异的氨基酸，又能辨认该氨基酸的专一tRNA 分子。氨基酰tRNA 合成酶分子中有两个位点：一个位点能从多种氨基酸中选出与其对应的一种，与专一氨基酸结合；另一位点为水解位点，在酶与专一tRNA 分子结合后，起校对作用，将错误结合的氨基酸水解释放。

tRNA 所携带的氨基酸，是通过“核糖体循环”在核糖体上缩合成肽，完成翻译过程的，现以原核生物中蛋白质生物合成为例，将核糖体循环人为地分为起始、肽链延长（elongation ）和终止（termination ）三个阶段进行介绍。

二、肽链合成的起始

在蛋白质生物合成的起始阶段，核糖体的大、小亚基，mRNA与甲酰甲硫氨酰

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tRNA i met 共同构成70S 起始复合体。这一过程需要一些称为起始因子（initiation

factor ，简称IF ）的蛋白质以及GTP 与镁离子的参与（图14—3）。

已知原核生物中的起始因子有3种。IF3可使核糖体30S 亚基不与50S 亚基结合，而与mRNA 结合（表14—3），IF1起辅助作用。IF2特异识别甲酰甲硫氨酰tRNAi met ，可促进30S 亚基与甲酰甲硫氨酰tRNAi m et 结合，在核糖体存在时有GTP 酶活性。

起始阶段可分两步：先形成30S 起始复合体，再形成70S 起始复合体。（一）30S起始复合体的形成

原核生物mRNA 的5′端与起始信号之间，相距约25个核苷酸，此处存在富

S 含嘌呤区（如AGGA 或GAGG ），称为Shine-Dalgarno （SD ）序列。核糖体3030S

亚基的16S rRNA 有一相应的富含嘧啶区可与SD 序列互补。由此，30S 亚基在IF3与IF1的促进下，与mRNA 的起始部位结合。

IF2在GTP 参与下可特异与甲酰甲硫氨酰tRNA i 结合，形成三元复合物，并

使此三元复合物中tRNA 的反密码子与上述30S 亚基上mRNA 的起始密码子互补结合，形成30S 起始复合体（图14-3）。

所以，30S起始复合体是由30S 亚基、mRNA、甲酰甲硫氨酰tRNA i met 及IF1、

IF2、IF3与GTP 共同构成。

（二）70S 起始复合体的形成

30S 起始复合体一旦形成，IF3也就脱落，50S 亚基随即与其结合。此时复合体中的GTP 水解释出GDP 与无机磷酸，使IF2与IF1也都脱落，形成了70S 起始复合体。70S 起始复合体的形成，表明蛋白质生物合成的起始阶段已经完成，已可进入肽链延长阶段。

70S 起始复合体由大、小亚基，mRNA 与甲酰甲硫氨酰tRNA i met 共同构成。其中甲酰甲硫氨酰tRNA i met 的反密码子CAU 恰好互补地与mRNA 中的起动信号AUG 相结合。由图14-3可见，复合体中mRNA 的起始信号AUG 位于核糖体的给位侧，所以与起始信号对应的甲酰甲硫氨酰tRNA i met 也就定位在给位。应该指

6met

出，除起始tRNA 与众不同外，所有氨基酰tRNA 与核糖体结合时，都不在核糖体给位，而是在受位。

三、肽链延长

A 这一阶段，与mRNA 上的密码子相适应，新的氨基酸不断被相应特异的tRN tRNA

运至核糖体的受位，形成肽链。同时，核糖体从mRNA 的5’端向3’端不断移位以

4）推进翻译过程（图14-4-4。肽链延长阶段需要称为延长因子（elongation factors ）

的蛋白质，GTP ，Mg 2+与K +的参与。

肽链延长阶段的具体步骤如下：

进位与上一阶段所产生的复合物（图14-3中的70S 起始复合体）受位上mRNA 密码子相对应的氨基酰tRNA（图14-4）进入受位。此步需要肽链延长因子EFTu 与EFTs （图14-5）。EFTu 的作用是促进氨基酰tRNA 与核糖体的受位结合，而EFTs 是促进EFTu 的再利用。

2．转肽50S 亚基的给位有转肽酶的存在，可催化肽键形成，此时在转肽酶的催化下，将给位上tRNA 所携的甲酰甲硫氨酰（或肽酰）转移给受位上新进入的氨基酰tRNA，与其所带的氨基酰（图14-4）的氨基结合，形成肽键。此步需要Mg 2+与K +的存在（图14-6）。

3．移位核糖体向mRNA 的3′端挪动相当于一个密码子的距离，使下一个密码子（图14-4）准确定位在受位，同时带有肽链的tRNA 由受位移至给位，此步需

(又称转位酶，translocase) 、M g 2+与供给能量的GTP 。近来要肽链延长因子EFG EFG(

发现核糖体在受（A ）、给（P ）位外，还有tRNA 的另一结合位置，即tRNA 排“出位（exit site, E 位）”。氨基酰脱落后的tRNA 先移至E 位。

4．脱落当A 位进入新的氨基酰tRNA 后，空载的tRNA 从核糖体的E 位脱落。

以后肽链上每增加一个氨基酸残基，就需要进位（新的氨基酰tRNA 进入“受位”），转肽（形成新的肽键），移位（核糖体挪动的同时，原在“受位”带有肽链的tRNA 转到“给位”）和脱落（失去氨基酰的tRNA 在“出位”上脱落）。如此一遍一遍地重复，直到肽链增长到必要的长度。

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在肽链延长阶段中，每生成一个肽键，都需要直接从2分子GTP （移位时与进位时各1）获得能量，即消耗2个高能磷酸键化合物；但考虑到氨基酸被活化生成氨基酰tRNA 时，已消耗了2个高能磷酸键（见前），所以在蛋白质合成过程中，每生成一个肽键，实际上共需消耗4个高能磷酸键。

当肽链合成到一定长度时，在肽链脱甲酰基酶（peptide deformylase ）和一种对蛋氨酸残基比较特异的氨基肽酶的依次作用下，氨基端的甲酰甲硫氨酸残基即从肽链上水解脱落（图14-4）。

四．肽链合成的终止

从图14-7可看到，多肽链合成已经完成，并且“受位”上已出现终止信号（UAA ），此后即转入终止阶段。终止阶段包括已合成完毕的肽链被水解释放，以及核糖体与tRNA 从mRNA 上脱落的过程。这一阶段需要GTP 与一种起终止作用的蛋白质因子—释放因子（release factor ，RF ，或称终止因子）的参与。

RF1识别终止信号UAA 或UAG ，RF2识别UAA 或原核生物的RF 有3种。

UGA ，RF3可与GTP 结合，水解GTP 为GDP 与磷酸，协助RF1与RF2。R F 使大亚基“给位”的转肽酶不起转肽作用，而起水解作用。转肽酶水解“给位”上tRNA 与多肽链之间的酯键，使多肽链脱落。RF 、核糖体及tRNA 亦渐次脱离。从mRNA 上脱落的核糖体，分解为大小两亚基，重新进入核糖体循环。核糖体大

3。IF3小亚基解离状态的维持需要IF

在一条mRNA 上可以同时附着多个核糖体，合成多条同样的多肽链（图14-1），而脱落下来的亚基又可重新投入核糖体循环。可见，多核糖体合成肽链的效率甚高。

五、真核生物翻译的特点

mRNA 在细胞核内以①真核生物的蛋白质合成与mRNA 的转录生成不偶联，

前体形式合成，合成后需经加工修饰才成熟为mRNA ，从细胞核内输往胞浆，投入蛋白质合成过程，转录和翻译的间隔约15分钟；而原核生物的mRNA 常在其

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自身合成尚未结束时，已被用来翻译，因而转录与翻译几乎同时进行；②真核细胞蛋白质合成机构比原核生物复杂；③真核生物的合成起始过程与原核生物的蛋白质合成有所不同；④真核生物蛋白质合成的调控更为复杂；⑤真核生物与原核生物的蛋白质合成可为不同的抑制剂所抑制。择要具体说明如下：

（一）翻译起始因子多

真核生物与原核生物的翻译相关的蛋白质因子有所不同。其中尤以起始因子的差别最大。原核生物的起始因子只有3种，真核生物的起始因子不下10种，如表14-4所示。

（二）mRNA 戴“帽”，有“尾”，为单顺反子

真核生物的mRNA 前体在细胞核内合成，合成后需经加工，才成熟为mRNA ，从细胞核内输入胞浆，投入蛋白质合成过程；而原核生物的mRNA 常在其自身的合成尚未结束时，已被利用，开始翻译。真核生物的mRNA 含有7甲基三磷酸鸟苷形成的“帽”，有聚腺苷酸（poly A ）形成的“尾”，为单顺反子（monocistron ），只含一条多肽链的遗传信息，合成蛋白质时只有一个合成的起始点，一个合成的终止点；而原核生物的mRNA 为多顺反子（polycistron ），含有蛋白质合成的多个起始点和终止点，且不带有类似“帽”与“尾”的结构。在5′端方向起始信号的上游存在SD 区段。真核生物的mRNA 无SD 区段。真核生物的mRNA 代谢慢，哺乳类动物mRNA 的典型半衰期为4-6h ，而细菌的mRNA 半衰期仅为1-3min 。此外真核生物的mRNA 前体多含插入序列，相当于基因中的内含子，需要在加工时切除，已于RNA 合成有关章节述及。

（三）核糖体大而复杂

真核生物的核糖体（80S ）大于原核生物（70S ）。小亚基为40S ，含有一种rRNA （18S rRNA ）；大亚基为为60S ，含有3种rRNA （28S rRNA 、5.8S rRNA 和

S rRNA 的5S rRNA ）。所含的核糖体蛋白质亦多于原核生物。原核生物小亚基1616S

3′端有一富含嘧啶的区段，可与其mRNA 起动部位富含嘌呤的SD 区互补结合。真核生物相应的rRNA （18S rRNA ）无此互补区，但有与帽结构作用区。

（四）起始tRNA 不经过甲酰化

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真核生物中起着起始作用的氨基酰tRNA 是甲硫氨酰tRNA i met ，不是甲酰甲硫氨酰

tRNA i met 。

（五）合成过程需要ATP ，起始因子多而肽链延长因子和释放因子种类少

1．起始：真核生物核糖体小亚基先与蛋氨酰tRNA i m et 结合，然后与mRNA 结合，

形成40S 起始复合体，此时需要一分子ATP ，最后与60S 亚基结合后形成80S 起始复合体。

2．A 进入受位的延长因子只有一种肽链延长：真核生物中催化氨基酰tRN tRNA （EFT1）。催化肽酰tRNA 移位的因子称为EFT2，可为白喉毒素所抑制。

3．终止：真核生物只需一种释放因子（RF ），此终止因子可识别3种终止密码子（UAA 、UAG 与UGA ）。

（六）线粒体内存在独立的蛋白质合成体系

哺乳类动物等真核生物的线粒体中，存在着自DNA 到RNA 及各种有关因子的独立的蛋白质生物合成体系，以合成线粒体本身的某些多肽，真核生物的该体系与胞质中一般蛋白质合成体系不同，与原核生物的近似。因而可被抑制原核生物蛋白质生物合成的某些抗生素抑制。这可能是某些抗生素药物副作用的原因。

第三节翻译后加工

肽链合成的结束，并不一定意味着具有正常生理功能的蛋白质分子已经生成。已知很多蛋白质在肽链合成后还需经过一定的加工（processing ）或修饰，由几条肽链构成的蛋白质和带有辅基的蛋白质，其各个亚单位必须互相聚合才能成为完整的蛋白质分子。

一、肽链的合成后加工与修饰

某些蛋白质在其肽链合成结束后，还需要进一步加工，修饰才能转变为具有正常生理功能的蛋白质。

（一）二硫键的形成

二硫键由两个半胱氨酸残基形成，对维持蛋白质立体结构起重要作用，如核

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糖核酸酶合成后，肽链中8个半胱氨酸残基构成了4对二硫键，此4对二硫键对它的酶活性是必要的。

二硫键也可以在链间形成，使蛋白质分子的亚单位聚合。

（二）个别氨基酸残基的化学修饰

有些蛋白质前体需经一定的化学修饰才能成为成品而参与正常的生理活动。有些酶的活性中心含有磷酸化的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基。这些磷酸化的氨基酸残基都是在肽链合成后相应残基的-OH被磷酸化而形成的。除磷酸化外，有时蛋白质前体需要乙酰化（如组蛋白）、甲基化、ADP-核糖化、羟化等。胶原蛋白的前体在合成后，经羟化，其肽链中的脯氨酸及赖氨酸残基可分别转变为羟脯氨酸及羟赖氨酸残基。

（三）蛋白质前体中不必要肽段的切除

无活性的酶原转变为有活性的酶，常需要去掉一部分肽链。现知其它蛋白质也存在类似过程，虽然转变的场所不同；酶原多是在细胞外转变为酶，而蛋白质前体中不必要肽段的切除是在细胞内进行的。

分泌型蛋白质如白蛋白、免疫球蛋白与催乳素(pro1actin)等，在合成时都带有一段称为“信号肽(signalpeptide) ”的肽段。信号肽段约由15-30个氨基酸残基构成。信号肽在肽链合成结束前已被切除。有些蛋白质前体在合成结束后尚需切除其他肽段。

例如，胰岛素在合成结束时，并非是具有正常生理活性的胰岛素，而是其前体——胰岛素原（proinsulin ）。胰岛素原变为胰岛素时，尚需去掉部分肽段。甲状旁腺素及生长素等多种蛋白类激素，由其前身物转变为具有正常生理活性的激素时，也需去掉部分肽段。除蛋白质类激素外，血浆蛋白质的主要成分清蛋白，在细胞中合成结束时，也只是其前体清蛋白原。清蛋白原需在氨基端去掉由5-6个氨基酸残基组成的肽段，才能成为清蛋白。因而此种合成后的加工，是分泌蛋白生成过程的一种普遍规律。

（四）多蛋白的加工

真核生物mRNA 的翻译产物为单一多肽链，有时这一肽链经加工，可产生一个

11

以上功能不同的蛋白质或多肽。此类原始肽链称作多蛋白（polyprotein ）。例如，垂体促肾上腺皮质激素（corticotropin ，ACTH ），β、γ促脂素（lipotropin ），β内啡肽（endorphin ），α、β促黑色细胞素（melanocyte-stimulating hormone ，MSH ）均从一条由265个氨基酸残基组成，称为阿片促黑皮质激素原（pro-opio-melano-cortin ，POMC ）的多蛋白裂解而来。

二、亚单位的聚合和复合蛋白质形成

单纯蛋白质由一条多肽链或数条多肽链构成；结合蛋白质则除多肽链外，还含有辅基。

蛋白质的高级结构是由一级结构中各个氨基酸残基的侧链共同决定的。一级结构形成后，多肽链卷曲折叠形成α螺旋，β折叠等二级结构；并借副键（盐键、氢键、疏水键等）维持一定空间构象。由一条以上肽链构成的蛋白质和带有辅基的结合蛋白质，肽链之间或多肽链与辅基之间需要聚合。结合蛋白质如糖蛋白、脂蛋白和色素蛋白分别需加糖、加脂、加辅基等才成为活性蛋白质。

（一）亚单位的聚合

蛋白质的各个亚单位相互聚合时所需要的信息，蕴藏在肽链的氨基酸序列之中，而且这种聚合过程往往又有一定顺序，前一步骤常可促进后一聚合步骤的进行。以下为成人血红蛋白（HbA ）的聚合过程（图14-8）

（二）结合蛋白质的合成

结合蛋白质的合成比较复杂，HbA 的聚合过程即是一例。有些结合蛋白质的形成更复

杂，在肽链合成阶段就开始，在肽链合成结束后继续加工。现以糖蛋白的合成为例说明之。

糖蛋白的多肽链在粗糙内质网上核糖体合成。合成时，其新生肽链伸入内质网腔。粗面内质网可合成寡糖链。此寡糖链经磷酸长萜醇介导，在内质网膜的糖转移酶催化下，即可转移给新生的多肽链。所以多肽链的糖苷化与肽链合成是同时进行的。在内质网腔中形成的这种糖蛋白，糖链连接在肽链中天冬酰胺的酰胺氮（N ）上。

12

糖蛋白从粗面内质网腔经光滑内质网腔，运至高尔基体后，在高尔基体中经进一步的改造，有的糖链可由与N （氮）相连，转变为与丝氨酸、酪氨酸或苏氨酸羟基上的O （氧）相连。糖链与肽的连结点亦可由与N 相连的N 乙酰葡萄糖，成为与O 相连的N 乙酰半乳糖。

第四节蛋白质合成与医学

一、分子病

蛋白质生物合成的信息系统主要包括DNA 和mRNA。DNA 分子可比作一卷遗传“设计书”。DNA分子如有缺陷，则细胞内RNA 与蛋白质的合成将会出现异常，机体的某些结构与功能随之发生变异。DNA 分子的此种异常，可以随着个体繁殖而传给后代。

DNA 分子上基因的缺陷，造成人体结构与功能障碍的机理，对其了解得最多的是所谓分子病的一类，如镰刀形红细胞性贫血。分子病（molecular diseases ）这一名词常用以称呼蛋白质分子氨基酸序列异常的遗传病。镰刀形红细胞性贫血是由于患者体内合成血红蛋白的基因异常所造成的贫血疾患。患者的血红蛋白在氧分压较低的情况下容易在红细胞中析出，而使红细胞呈镰刀形并极易破裂。这是因为在DNA 分子相当于此基因的片段中出现了一个硷基的变异。DNA 分子上的这一遗传信息的异常，最终造成蛋白质分子组成的改变。某一氨基酸的密码子突变为另一氨基酸的密码子的现象，称为误义突变（missense mutation ）,镰刀形贫血的血红蛋白（HbS）即属于这一类。在我国人群中，已发现异常血红蛋白数十种，有的是我国特有的。除误义突变外，其它遗传变异也可造成分子病。

二、蛋白质生物合成的阻断剂

蛋白质生物合成的阻断剂很多，其作用部位也各有不同，或作用于翻译过程，直接影响蛋白质生物合成（如多数抗生素），或作用于转录过程，对蛋白质的生物合成间接产生影响。此外也有作用于复制过程的（如多数抗肿瘤药物）。它们由于能影响细胞分裂而间接影响蛋白质的生物合成。其次，各种阻断剂的作用对象亦有所不同，如链霉素（streptomycin ）、氯霉素（chloramphenicol ）等阻断剂主要作用于细菌，故可用作抗菌药物；环己酰亚胺（cycloheximide, 又

13

名放线菌酮）作用于哺乳类动物，故对人体是一种毒物。多种细菌毒素与植物毒素也是通过抑制人体蛋白质合成而致病。

（一）抗生素类阻断剂

妨碍翻译的因素是蛋白质合成最直接的阻断剂；这类因素多是抗生素类化合物。某些抗生素能与核糖体结合，从而妨碍翻译过程。

（二）作为蛋白质合成阻断剂的毒素

抑制人体蛋白质合成的天然蛋白质，常见者为细菌毒素与植物毒蛋白。

1．细菌毒素如白喉毒素。白喉毒素是白喉杆菌产生的毒蛋白，由A、B两条链组成。它可催化使EFT2失活反应，抑制真核生物蛋白质合成。A链有催化作用；B 链可与细胞表面特异受体结合，帮助A 链进入细胞。进入胞质的A 链可使辅酶I（NAD+）与延长因子EFT2产生反应，造成EFT2失活。

EFT2在合成后经加工形成一种称为白喉酰胺（diphthamide ）的组氨酸的衍生物。此白喉酰胺可与NAD+中核糖的1’C在白喉毒素A 链催化下结合成EFT2-核糖-ADP。结合后的EFT2-核糖-ADP，仍可附着于核糖体，并与GTP 结合，但不能促进移位。白喉毒素作为有催化活性的酶，毒性甚大，一只豚鼠注入0.05μg，足以致命。

2．植物毒蛋白某些植物毒蛋白（foxoprotein ）也是肽链延长的抑制剂。“红豆生南国”，红豆亦称“相思子”，它所含的红豆碱（abrin ）与蓖麻籽所含的蓖麻蛋白（ricin ）都可与真核生物核糖体60S 亚基结合，抑制肽链延长。

蓖麻蛋白毒力很强，它的毒力为等重量氰化钾毒力的6000倍，曾被用作生化武器，对某些动物体每公斤仅0.1μg ，即足以致死。该蛋白质亦由A 、B 两链组成。两者籍二硫键相联。B 链是凝集素，可与细胞膜上含乳糖苷的糖蛋白（或糖脂）结合，帮助A 链进入细胞。在细胞内二硫键还原，释下A 链。A 链具有核糖苷酶的活性，可与60S 亚基结合，切除28S rRNA 的4324位腺苷酸，间接抑制EFT2的作用，使肽链难以延长。A 链在蛋白质合成的无细胞体系中可直

14接作用，对完整细胞必须有B 链同在，才能进入细胞，抑制蛋白质合成。

（三）作为蛋白质合成阻断剂的其它蛋白质类物质

1．干扰素（interferon ）

干扰素是细胞感染病毒后产生的一类蛋白质。干扰素可抑制病毒繁殖，保护宿主，现知其原理之一是它在双股RNA（如某些病毒RNA）存在时，可抑制细胞的蛋白质生物合成，使病毒无法繁殖，机理如下（图14-9）：

活化一种蛋白激酶这种激酶可使哺乳类动物的起动因子eIF2磷酸化，由此抑制蛋白质生物合成。

2．eIF2蛋白激酶

除干扰素可通过激活eIF2蛋白激酶抑制蛋白质合成外，缺铁性网织红细胞蛋白质合成障碍也与eIF2蛋白激酶的活化以及eIF2磷酸化有关。

缺铁时，血红素合成减少。血红素的不足，引起网织红细胞的蛋白质合成障碍。

哺乳动物起始因子eIF2与原核生物起始因子IF2相似，可与GTP 以及甲硫氨酰起始tRNA 共同形成三元复合物（参见表14-4，图14-3），从而使起始tRNA 与40S 亚基结合。结合后的复合体在与60S 亚基结合成80S 起始复合体前，所带的GTP 水解为GDP。GDP与eIF2两者一起，以非活性的结合状态由复合体释下。eIF2如需重新投入起始过程，所带的GDP 必须为GTP 所取代，成为eIF2-GTP，才具有活性。

eIF2上GDP 与GTP 的相互交换由鸟苷酸交换因子（guanyl nucleotide exchange factor, 简称GEF ，又称eIF2B ）催化。网织红细胞中eIF2-GDP，可被eIF2蛋白激酶磷酸化（图14-10）。该酶平时无活性，缺乏血红素使其活化。eIF2磷酸化后与GEF 的亲和力大为增强，两者粘着，互不分离，妨碍GEF 作用，使eIF2-GDP 难以转变成eIF2-GTP。网织红细胞所含GEF 很少，eIF2只要30%被磷酸化，GEF就全部失活，使血红蛋白等所有蛋白质合成完全停止。

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范文三：蛋白质翻译过程中的忠实性机制

ISSN 1007 -7626/ /cjbmb, bjmu, edu, cnhttp: 2011 9 中 国 生物化学与分子生物学报 年 月 CN 11 -3870/ Q 27 ( 9 ) : 812 :81 9 Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology

??综 述

蛋白质翻译过程中的忠实性机制

*谢 兆 辉

( 德州学院生物系 ,山 东 德 州 253023 )

,,摘 要 蛋白 质 合成的忠 实 性对细胞活力非常重要 否则 会干扰细胞的生 理 过 程 甚 至 导 致 疾 , 病 生

,、, 物已经进化 出 多种机制 以 维持翻译的准确性 包 括 底 物 选 择 校 对 和 转 肽 后 的 质 量 控 制 机 制 这

、、, ,些 机 制 在 氨 基 酸 活 化 翻 译 起 始 延 伸 和 终 止 等 不 同 阶 段 发 挥 作 用 现 在 对蛋白质合成的 研 究

,、,, 已经 延 伸 到 了 其 它 领 域 如病原体致病机制 耐 药 性 以 及 药 物 开 发 等 本文主 要综述了蛋白 质

、,mRNA ,合成起 始 延 伸 和 终 止 过 程 的 忠 实 性 机 制 以 及 的 质 量 控 制 方 式 并 对 相 关 研 究 在 抗 生 素

,药 物 及 药 物 靶 点 开 发 方 面 的 应 用 前 景 做 了 展 望

; ; ; 关 键 词 蛋 白 质 翻 译 忠 实 性 底 物 选 择 校

对

Q755 中 图 分 类 号 he Fdey echansm in Poen ansaonTilitMirtiTrlti *XIE Zhao-Hui

( Department of Biology,Dezhou University,Dezhou 253023 ,Shandong,China)

Abstact Translational accuracycr itically influences cell viability since inaccurately translated proteinsr

interfere with the processe sessential to cellular fitness and causei sdease, Numerousf idelity mechanisms have evolved to control the accuracy toraf n slation, including substrate se lection, proofreading, and

quaty contro mechansm after p eptde bond ofrmaton, These rpocesse s act at v arous steps udrng liliiiiipeptide synthesis,such as amino acid activation,translation initiation,elongation andt ermination, Now, the study of ro tpein synthesis has extended to some oitehldesr , f including pathogenic mechanism, resistance and drug e vdelopment, In this article, the fidelity mechanisms of translational initiation, elongation and t ermination, together itwh the mechanism of mRNA quality control, were idscussed,

Furthermore,their application perspective in developing antibiotics and drug targets wseprece ulated,

ey wods proten transaton fdety substrates eecton proofreadngKrili;ili;li;i

, mRNA 生物的存活 和 生长都依 赖 于快速和准确的解码 等 方 面 本 文 主 要 对 监 视 及 蛋 白 质 合 成

起 ,,,遗 传 信 息 产 生 功 能 蛋 白 质 否则会造成疾病 如 神

、,始 延伸及终止过程的 忠 实 性机 制做一论述 并 对 核 , 经 系 统 多 发 性 硬 化 症 和 肌 萎 缩 性 侧 索 硬 化 症 等 蛋

,糖 体 的 功 能 研 究 及其作为药物靶点的应用前景进 ,白 质 合 成 中 氨 基 酸 活 化 的 忠 实 性 依 赖 于 氨 酰

,行 了 讨 论 - tRNA ( aminoacyl-tRNA synthetas,eaaRS) ,合 成 酶

、、忠 实 性 机 制 为 底 物 选 择 转 位 前 编 辑 顺式转位后编

,1, , 、2011 -06 -13 ; : 2011 -08 -03: 辑 和 反 式 转 位 后 编 辑 等而 合 成 起 始 延 伸 及 终 收 稿 日 期 接 受 日 期

( No, 30901023 )国家自然科学基金项目 , ,止 过 程 中 的 忠 实 性 主 要 依 赖 于 核 糖 体 其 次 * el: 13969214206 ; E-mail: xiezhh0523 @ 163 ,co m T联 系 人 mRNA 、( initiation factor,IF) 、监 视 机 制 起 始 因 子 延 Receved: June 13 ,2011 ; ccepted: August 3 ,2011 iA伸 因 子 Supported b y National Natural Science Foundation of C hina

( elongation factor,EF ) ( release factor, 和 释 放 因 子 ( No. 30901023 )

* RF) , ,等 也 对 忠 实 性 有 贡 献 现 在 对核糖体的研究 Correspondng author Te: 13969214206 ; il

E-ma: xezhh0523 @ 163 ,c om ili,已 经 超 出 了 其 在 翻 译 中 的 作 用 延 伸到了抗生素作

、、用 机 制 细 菌 耐 药 性 新抗生 素 开发和药物靶点拓展

,,tmRNA 核 生 物 中 通 过 反 式 翻 译 的 方 式 也 可 以 1)mRNA 蛋白质合成模板 的 质 量 控 制 ,6, 挽 , No n-stopNon-stop(救 熄 火 的 核 糖 体? 降 解 mRNA 监 视 decay,NSD) : 这种方式主要 是 降 解 没有 终止 密码子

mRNA , mRNA 的 和 挽 救 通 读 的 核 糖 体 核 糖 体 在 这 种 监 视 机 制 通 常 用 以 降 解 异 常 的

mRNA, mRNA 3 ' ,exosome Ski7 的 末 端 熄 火 时 组 分 与 核 糖

Tabe 1 ) : 4 ( l? 无 意 义 介 导 的 真 核 生 物 中 有 种 方 式 ,mRNA , 体 相 互 作 用 并 可 以 引 发 的 快 速 降 解 ? 核 ( nonsense-medated decay,NMD ) : i降 解 这 种 机 制 可 ( ribosome extension-mediated糖 体 延 伸 介 导 的 降 解

mRNA, 以 快 速 降 解 含 提 前 终 止 密 码 子 的 酵 母 decay,REMD) , -如 α珠 蛋 白 的 终 止 密 码 子 突 变 2 + , MgAlr1 p mRNA NMD 成 中 载 体 蛋 白 的 为 的 靶 CAA,,poly ( A ) 核糖体跨过终 止 密 码 子 停 滞 在 加 尾 2 + ,NMD Mg标 推 测 可 以 通 过 调 节 代谢来控制翻译AAUAAA ,mRNA 信 号 处 引 发 加 速 脱 腺 苷 ,2, ,7, , No-go No-go ecday,NGD ) : ( 的忠实 性? 降 解 ,R EMD UPF1 ,,化 不 需 要 蛋 白 并 具 有 细 胞 特 异 性 这 种 机 制 可 以 释 放 延 伸 过 程 中 熄 火 的 核 糖 tmRNA ,,除 了 之 外 最 近 发 现 原 核 生 物 翻 译 因 ,m RN A ,,体 阅 读 框 中 的 结 构 障 碍 如 二 级 结 构 可以rf ( hdL ) , AAY子 能够以一种非反式翻译的 方 式

,Dom34/ Hbs1 导致核糖体延伸 停 滞 这 时 复合物进入3 ' ,释 放 在 末 端 熄 火 的 核 糖 体 揭示原核生物有两

,8, A ,-tRNA,核糖体 位 释 放 肽 链 或 肽 酰 使 核 糖 体 及 ,m RN A 套 拯 救 熄 火 核 糖 体 的 机 制监 视 作 为 转 tRNA ,m RN A ,进 入 新 的 翻 译 循 环 则 被 内 切 产 生 的 ,录 后 水 平 维 持遗传信息忠实性的机制 与 人 类 的 5 ' exosome 3 ' Xrn1 p ,片 段 被 降 解 端 片 段 被 降 解,-、很 多 疾 病 有 关 如 β 地 中 海 贫 血 凡 氏 综 合 征 和 ,3, ,4, ,D om3 4/ Hbs1 ,没 有 序 列 特 异 性 只 要 出 现 熄 火 ,1 /3 ,aPelota Dom34 ,囊 性 纤 维 化 推 测 人 类 大 约 遗 传 失 调 可 能 涉 古 细 菌 为 的 同 源 物 通 过 分 子 用

,5, 的 核 糖 体 都 会 发 挥 作 ,A , 及 模 拟 的 方 式 可 以 有 效 结 合 到 核 糖 体 的 位原

,9, NMD, Table 1 Quality control mechanisms of mRNAs

MechanismsTarget mRNAmRNA decay processReferences

Upf potens are ecuted,ntatng apd deadenyaton and rirriiiiirili mRNAs containing premature NMD,2 ,9, decappng of mRNA,whch foowed by exonuceoytc and iilllli termination codonsendonucleolytic decay of thmRNe A

Dom34 and Hbs1 in teract with the stalled ribosome, and contanng obstacesmRNA iiltrigger endonucleolytic cleavage of the mRN A close to the preventng eongaton( such as ili3 ,4, NGD,stall site, the produced5 ' fragment is degraded b y Xrn1 , secondarys tructures) and the3 ' fragmenti s degradedb y the exosome

mRNAs lacking terminationSki7 p and exosome are re cruited to the mRNA,triggering NSD,3, codonsthe apd degadaton of them NsririRA

mRNA contanng anttermn- Perhaps,3 ' UTR bndng protens are removed,resutng in iiiiiiili REMD,7, ation mutation accelerated deadenylation and decay of the RmNAs

( amino-acyl-tRNA,aa-tRNA) P ,在 位 结 合 不 稳 定 促 2蛋白质合成起始的忠实性机制 ,12, aa-tRNA ,进 正 确 起 始 的 选 择而 且 也 可 以 诱 导 非

aa-tRNA ,,翻 译 起 始 阶 段 的 忠 实 性 机 制 主 要 涉 及 核 糖 体 起 始 解 离 阻 止 在 非 起 始 位 置 形 成 起 始 复 mRNA , , IF3 ,aa-tRNA 在 上的 定位及起始密码子的识别 原 核 生 物 合 物 如 果 没 有 起 始 对 近 同 源 起 始 密

,11, ,I F2 aa- ,16 S rRNA SD , 码 子 的 区 分 度 很 低也可以促进起始 中 核 糖 体 小 亚 基 上 的 一 段 反 序 列

mRNA ,tRNA ,P ,可 以 使 小 亚 基 正 确 定 位 在 上 并 使 起 始 密 码 的 识 别 使 之 正 确 定 位 到 位 并 且 还 可 以 和

P , 16 S rRNA IF3 ,16 S rRNA 44 ,,子 定 位 在 位 另 外 上 的 部 分 碱 基 可 以 一 起 通 过 控 制 中 螺 旋 的 构 象 影

,13, P ,,I F2 直 接 与 位 密 码 子 相 互 联 系 通 过 碱基修饰能够精 响 翻译起始的忠实 性突 变 会 使 细 菌 以 非 甲

P ,Met-tRNA ,细 调 节 位 的 构 象 降 低非起始密码子 引 发 的 起 酰 化 的 起 始 翻 译 并 对 肽 脱 甲 酰 基 酶 形

,14, ,10, ,,-,成 持 久 的 耐 药 性 始 此 外 小 亚 基 还 可 以 促 进 起 始 密 码 子 反 密

,11, 码 , IF3 ,eIF1 、eIF1 A、eIF2 、eIF5 、eIF3 子 正 确 配 对原 核 生 物 作为一个忠实性因 真 核 生 物 中 及

eF4 G 6 I,-等 个 起 始 因 子突变都会影响起始 的 忠实 子 不 仅 可 以 通 过 使 近 同 源 或 非 同 源 氨 酰

tRNA

27 814中国生物化学与分子生物学 报 第 卷

eIF1. eIF1 polymerase,RNAP) aaRS ,性 其 中 影 响 最 大 的 是 可 以 通 过 影 响 和 也 都 可 以 利 用 这 两 种 机

前 , ,制 核 糖 体 像 一 台 精 密 的天然氨基酸检测器 即 使

,、翻 译 起 始 复 合 物 形 成 封 闭 构 象 增 强 扫 描 阻 止 无 机 tRNA ,天 然 氨 基 酸 被 装 载 到 非 天 然 上 也 可 以 被

,25, ,eIF5 ,eIF2 磷 酸 释 放 阻 止 过 早 结 合 及 调 控 水 解 ,择选 ,aa-tRNA 但 一 般 认 为 核 糖 体 对 中 的 氨 基 酸 ,15 -16, GTP ,e F1 IF3 ,I等 方 式 增 强 起 始 的 忠 实 性和 tRNA , aa-tRNAs 和 都 具 有 专 一 性 正 确 与 核 糖 体

C ,的 的 末 端结构域在核 糖 体上的结 合 位 点 相同 揭 示

,tRNA 、,亲 和 力 大 体 一 致 其 中 的 反 密 码 子 颈 环 氨 基 它 们 可 能 以 相 同 的机制参与 起始密码子的选择 但 ,26, tRNA , aa- , eIF1 酸 和 的 其 它 结 构 都 起 作 用核 糖 体 上 ,两 者 并 非 同 源 蛋 白 质 原 核 生 物 中 的 同 源 蛋

tRNA ,YciH,YciH IF3 的 选 择 要 经多个步骤才能完成 细 菌 中 可 分 为 白 质 为 但 进 化 过 程 中 被 取 代 了,27, ,17, 6 ( Fig, 1 ) , GTP ,6 , eF1 IF1 I步 以 水 解 为 分 割 点 这 步 又 可 细 菌 在 真 核 生 物 中 的 同 源 蛋 白 质 为

: ( Fig, 1 ) ,A,IF1 ,分 为 两 大 阶 段 初 始 选 择 和 校 对 两 个 阶 后 者 含 有 中没有的一些 结 构域 这 些 结 构 ,28, ,,段 的 选择机制由不同的分子开 关 控 制 域 形 成 扫 描 增 强 因 子 和 扫 描 抑 制 因 子 结 构 域 可 ( 1 ) : aa-tRNA, EF-Tu, GTP 初 始 结 合 这 时 三 元 ,18, , ,以 调 节 翻 译 的 正 确 起 始另 外 真 核 生 物 起 始 ,复 合 物 以 一 种 非 密码子依赖性的方式 结 合 到 核 糖 、、密 码 子 的 可 及 性 前 导 序 列 的 长 度 碱基 组 成和细, EF-Tu L7 / L12 ,体 上 结 合 主 要 由 决 定 核 糖 体 蛋 白

,胞差异性等都 会 影 响 起 始 密 码 子 的 选 择 其中影 响, 也 有 重 要 的 作 用 由 于 这 一 步 向 下 一 步 的 转 换 非 ,19, ,最大的是起始 密 码 子 的 可 及 性 ,,,2 ) ( 常快 有 人 认 为 这一步可能并不 存 在 密 码 子 识 3蛋白质合成延伸的忠实性机制 : ,tRNA ,别 这 时 结 构 发 生 扭 曲 反 密 码 子 进 入 解 码

中 aa-tRNA 3 : 、进 位 转 肽 和 移 延 伸 过 程 包 括 步

,, 3 ' tRNA 心 与 密 码 子 配 对 但 的 端 接 受 臂 由 于 与 , aa-tRNA 位 忠 实 性 主 要 体 现 在 的 正 确 选 择 和 转

EF-Tu 23 S rRNA 3 ,结 合 并 受 到 上 的 个 碱 基 的 影 ,肽 后 的 质 量 控 制 ,29 ,30, ,, ,响 不能进入转肽酶中 心这 一 阶 段 中 大 部 分 3. 1 EF-Tu 延 伸 因 子 的 忠 实 性

aa-tRNA aa-tRNA ,非 同 源 被 丢 弃 虽 然 近 同 源 与 核 EF-Tu aa-tRNA , 是 与核 糖 体之间的分子桥梁

aa-tRNA ,糖 体 的 结 合 速 率 与 同 源 相 似 但 解 离 速 率 ,aa-tRNA 没 有 校 对 功 能 其 忠 实 性 主 要 基 于 对 的 特

1 000 ,4 却 高 出 倍 个 因素可以影响这一步的忠实 , ,EF-Tu aa-tRNAs 异 性 选 择 首 先 对 同 源 的 亲 和 力

; -,性 ?密 码 子 反 密 码 子 配 对 这 可以提高忠实性 aa-tRNA, , 远 大 于 对 错 误 的 如 哺 乳动物线粒体中

G ln 100 , 1 6 S rRNA 3 : A1492 , 倍 ? 上 个 碱 基 Ser-tRNA Ser-tRNA ,合 成 酶 会 错 误 合 成 部 分 但

G ln Ser A1493 , G530 , A1492 和 的 识 别 作 用 其 中 和 EF-Tu Gln-tRNA Ser-tRNA -2 对 和 的 亲 和 力 远 大 于 反 密 码 子 前 个 碱 基 的 双 螺 旋 构 识 别 密 码 子 G ln,20, A1493 ,可 以 直 接 象 Ser-tRNA , aa-tRNAs( Asn-tRNA, ,对 其 次 部 分 G530 2 3 与 核 糖 体 其 它 一 部 分 结 构 识 别 第 和 第

个 Gln- tRNA,Cys- tRNA Sec-tRNA ) 和 形 成 过 程 中 会 ,31, , ,碱 基 对?小 亚 基 形 成 封 闭 构 象 向 前 的 反 应 动 ,EF-Tu ,出 现 错 误 的 中 间 物 但 不结合错误中间物 从 2 + 2 + ,21, , M g,Mg- 力 学 增 强 ? 可 以 通 过 影 响 核 糖 体 ,E F-T u aa-tRNA 而 阻 止 了 错 误 氨 基 酸 的 插 入对

tRNA-mRNA ,aa-tRNA 之 间 的 相 互 作 用 影 响 的 选 tRNA ,EF-Tu的 结 合 可 能 涉 及 氨 基 酸 和 两 部 分 如 2 + ,Mg, A sn 择 提 高 浓 度 会 降 低 忠 实 性 虽然核糖体对只 Aspsp-tRN ,AA就 缘 于 的 侧 链 羧 基 和 不 结 合

,22, 1 aa-tRNA 差 个 碱基的同源和 近 同 源 亲 和 力 差 异 很 tRNA ,t RNA TC 的 接 受 臂上 的 Ψ臂 也 会 影

,aa-tRNA , ,大 但 对 同 源 的 亲 和 力 相 似 首 先 这 可 能 响

,23, : aa-tRNA 与 密 码 子 的 摆 动 性 有 关 因 为 同 源 之 间 的 EF-Tu , tRNA 结 合 的 特 异 性而 哺乳动物和古细

,aa-tRNA 碱 基 差 异 多 在 摆 动 位 置 但 与 近 同 源 差 异 ,EF-1 aaRS ,菌 中 延 伸 因 子 还 可 以 与 形 成 复 合 物 提

,24, 1 2 , ,多 在 第 位 或 第 位 碱 基 其 次 也 可 能 与 反 密 码 ,高 翻 译 的 起 始 忠 实 性

)4 ,aa- 子 附 近 的碱基修饰关系 因 为 修 饰 可 以 增 加 3. 2 aa-tRNA 核 糖 体 在 选 择 中 的 忠 实 性×1 0 : 5 6 体 内 蛋 白 质 翻 译 的 整 体 差 错 率 为

,32, )3 )4 )5 tRNA 、与 核 糖 体 之 间 的 亲 和 力 稳 定 阅 读 框 和 识 别 10 ,aaRS 10 :1 0 , ,×,aa-tRNA 的 忠 实 性 很 高 可 达 翻密 码 子 近 同 源 对 翻 译 忠 实 性 的 影 aa-tRNA , ,30 选 择 核 糖 体 不 仅 可 响 对 延 续 了 年 的 密 码 子 偏 爱 学 说 提 出 了 译 错 误 主 要 发 生 在

以 挑

,利 用 动 力 学 校 对 的 方 式 进 行 选 择 而且还可以利用 , : tRNA 战 根 据 上 述 学 说 的丰度影响翻译的忠实

,DN A 诱 导 契 合 机 制 进 一 步 增 强 选 择 的 特 异 性 聚 合 ,tRNA , 性 对 应 高 丰 度 的 密 码 子 忠 实 性 高 但 如 果 ( DNApoymerase, DNAP ) 、RNA ( RNAl酶 聚 合 酶

tRNA ,aa-tRNA ,某 种 丰 度 高 它 可 能 作 为 近 同 源

aa-tRNA ,aa-tRNA ,也 可 程 不 可 逆 性 建 立 的 关 键 一 些 近 同 源 干 扰 同 源 的 选 择 降 低 整 个 基 因 组 翻 译 的 ,33, , GTP ,,3 ) GTPase aa-tRNA( : 以 通 过 该 阶 段 减 慢 水 解 可 以 提 高 忠 实 活 性 激 活 同 源 忠 实 性

, ,EF-Tu,性 如 某 些 核 糖体忠实性极高 原 因 就 是 由 于 结 合 后 产 生 的 构 象 变 化 信 号 传 到 其 ,37, GTPase GTP ,( 5 ) aa -tRNA : 水 解 速 率 下 降进 位 这 是

,35, , 活 性 被 激 活 现 在 还 不 清 楚 解 码 中心的信息如何 aa-tRNA , 3 ' -tRNA 选 择 的 限 速 步 骤这 时 的 EF-Tu,tRN ,A传 到 也 许 通 过 也 许 通 过 小 亚 基 或 CCA EF-Tu, GDP , ,端 与 分 离 移 位 到 转 肽 酶 中 心 诱 ,30, EF-Tu,, ,也 许 上 述 情 况 都 有如 有 人 认 为 密 码 ,aa-导 契 合 机 制 在 这 一 步 起 着 重 要 的 作 用 同 源 -子 反 密 码 子 配 对 产 生 的 自 由 能 不 仅 用 于 了 核 糖 体 tRNA aa-tRNA ,进 位 快 且 高 效 而 近 同 源 进 位 慢 且 不

,tRNA ,构 象 改 变 而 且 还 用 于 了 扭 曲 以 激 活 , aa-tRNA ,稳 定 近 同 源 的 解 离 涉 及 多 个 步 骤 每 一 ,34, ,38, EF- Tu GTPase , 16 S ,的 活 性又 如 核 糖 体 , 步 对 整 体 解 离 速 率 都 有 影 响高 或 低 忠 实性的rRNA 和 aa-tRNA 核糖体都是 通 过 控 制 解 离 速 率 来 调 节 的 23 S rRNA EF-Tu ,可 以 调 节 两 个 开 关 区 的 构 象 而 ,选 择 但 分 别 发 生 在 选 择 的 校 对 阶 段 和 初 始 选 ,35, ,28, GTPase , ,该 区 对 激 活 活 性 非 常 重 要此 外 核 糖 ,择 阶 段

L3 “”体 蛋 白 的 一 个碱 性 拇 指 结构域也可能( 6 ) , 肽 键 形 成 ,36, ,( 4 ) GTP : 涉及 这 种 信 号 转 导 过 程水 解 这 是 选

择 过

,27, The seecton of aa-liFig, 1 The two-stage kinetic model of aa-tRNA selection in the ribosome

tRNAs is accomplished in two stages: initial selection and proofreading,which are separatedin to six closely

related steps: ( 1 ) Initial binding; ( 2 ) Codon r ecognition; ( 3 ) Activation of GTPas; e ( 4 )

GTP

hydroyss; ( 5 ) aa-tRNA accommodaton; ( 6 ) Peptdytransfer liiil

,43, ; RF ,3. 3 变 了 的 活 性 影 响 了 翻 译 的 终 止也 可 能 是 核 糖 体 在 转 肽 后 的 忠 实 性

由 aa-tRNA ,虽 然 的 选 择 具 有 高 度 的 忠 实 性 但 错 ,44, ,-tRNA 于 配 对 导 致 亲 和 力 下 降 肽 酰 从 核 糖 体 上 ,, ,: 落 下 来误 氨 基 酸 的 掺 入 很 难 避 免 这时核 糖体的转肽后的 作 者 认 为 可能还有一种 情 况 错 配 导

滑, 1 ,质 量 控 制 机 制 开 始 发 挥 作 用 细 菌 体外翻译实验发 致 移 位 长 度 不 是 个 密 码 子 距 离 结果在编码区形

, 3 ,A ,P 成 了 终 止 子 密 码 子 这 些 揭 示 核 糖 体 上 个 现 如 果 有 错 误 氨 基 酸 掺 入 位 当 它 移 位 到

tRNA ,1 ,A RF ,的 结合位点不是孤立的 个位点的构象会 位 时 会 影 响 核 糖 体 对 位 氨 基 酸 或 的 选 择

tRNA ,A ,受 到 其 它 位 点 的 影 响 造 成 位 错 误 掺 入 的 几 率 增 加 虽不是终止密 码

,RF A ,子 但 也 可 以 进 入 位 导 致 肽 链 过 早 释 放 4蛋白质合成终止的忠实性机制 ,39, , A、P E ,虽 然 已 经 知 道 核 糖 体 和 位 在 延 伸 过

,2 tRNA ,P E F, RF R程 中 总 会 有 个 位 点 被 占 据 只 有 当 或 正 确 的 终 止 需 要 的忠实性体现在两方

: ; , tRNA ,A 面 ? 正 确 识 别 终 止 密 码 子 ? 引 发 肽 链 释 放 细 的 位 配 对 正 确 时 才 能 使 位 形 成 特 定 构

,40, ,aa-tRNA, ,I RF RF1 RF2 P tRNA 象 以 结 合 新 进 位 的 如 位 错 菌 中 类 中 的 和 可 以 识 别 终 止 密 码

,45, ,A,aa-tRNA , 配 对 会 导 致 子 准 确 率 高 于 的 识 别而 ? 类

,41, ,, RF-位 构 象 开 放, 与底物不能 发生有效的相互作,SD 用 忠 实, 又 如 在 翻 译 的 起 始 阶 段 序 列 起 着 性 降 低

RF3 F, RF1R,F2GTP aa-R 似 乎对忠实性没 有 贡 献 主 要 是 偶 联 水 解I E tRNA ,aa-tRNA 和 释 放 类 位 的 作 用 可 以 防 止 错 误 的 掺 和 在 功 能 上 类 似 ,42, , ,tRNA: 1 ,入但 现 在 肽 链 提 前 释 放 的 机 制 还 不 清 楚 推 测 有 个 识 别 密 码 子 的 结 构 域 其 上 有 三 肽

反 ,A , 可 能 是 错 配 造 成 读 码 框 移 终止密码子进入 位

,40, ,RF1 PxT,RF2 SPF, 1 密 码 子 中 为 中 为 另 结 构 域 ; ,导 致 翻 译 终 止或 错 配 导 致 核 糖 体 构 象 变 化 改

,GGQ ,在 转 肽 酶 中 心 其 上 有 保 守 的 基 序 涉 及 肽

27 816中国生物化学与分子生物学 报 第 卷

,46, , ,,RF 释 放尽 管 功 能 相 似 但 它 们 对 密 码 子 的 识 别 机 不 十 分 清 楚 但 终 止 过 程 中这种信号传导是

自 , RF ,制 不 同 因 为 对 终 止 密 码 子 有 极 高 的 亲 和 力 三 ,49, , aa-tRNA ,I RF 所 以 相 对 识 别 仿 佛 类 身 完 成 的aa-tRNA 肽 反 密 码 子 也并不是完全 模 拟 了 的 识

, 自 己 提 供 了 识 别 所 需 的 条 件 肽 链 的 释 放 机 制 最 ,R F ,RF 、别 识 别 过 程 非 常 复 杂 涉 及 的 主 链 及 侧 链

,I RF 近 也 取 得 了 很 大 的 进 展 这 个 过 程 涉 及 类 保 16 S rRNA ,和 水 分 子 等 多 种 结 构 作 用 性质包括极性

,47, GGQ 2 ' -OH 23 S 、tRNA A76 守 的 基 序 中 的 和 、 、, 的 离 子 键 的 疏水作用的和 堆 积作用 等极 端 ,50, rRNA,,,与 转 肽 机 制 相 似 具 有 核 酶 催 化 的 特 点 ,RF1 RF2 嗜 热 细 菌 中 和 主要依赖终止 密 码 子 的 第 5蛋白质合成忠实性总结 1 ( U1 ) 1 Gly Glu 位 碱 基 与 其 上 个 特 定 的 和 形 成 氢

, 2 ,RF2 ,键 来 识 别 对 第 位 碱 基 的 识 别 依 赖 于 其 上 蛋 白 质 合 成 过 程 中 每 一 步 都 形 成 了 一 定 的

忠 1 ,RF1 Glu 几 个 氨 基 酸 形 成 的 个 精 细 开 关 则 通 过

,47, ( Table 2 ) , : 实 性 机 制 这些机制可以分为两类 底 物 Arg G2 ,A2, 3 与 形 成 离 子 键 排 除 选 择 第 个 碱 基

,,选 择 和 校 对 其 中 最 重 要 的 是 底 物 选 择 像 起 始 因 ,RF1 HO 的 识 别 与 反 密 码 子 三 肽 关 系 不 大 依 赖 与 2 、EF-Tu , 子 和 终 止 因 子 只 有 这 一 水 平 的 机 制 这 种 Gln 形

,51, ,选 择 不 仅 基 于 热 力 学 差 异 而且诱导契合机制也具 , 有 重 要 的 作 用 校对是基因忠 实性表达的重要 ,RF2 1 Arg成 的 识 别 开 关 则 依 赖 于 特 定 的 个

,47, ,DNAP aaRS 纠 错 方 式 原 来 人 们 只 发 现 了 和 的 校 对 ,R F ,能 够 扫 描 所 有 的 密 码 子 结 合 常 数 也 相 ,44, ,52, ,NAPR功 能 最近发现核糖 体和 也 具 有 校 对 功 , 16 S rRNA A1493 RF 似 但 由 于 上 的 可 以 妨 碍 在

,, 1 能 而 且 核 糖体形成了独特的双 重 校 对 机 制 第 ,RF 1 有 义 密 码 子 处 的 结 合 且 上 的 个组 氨 酸可以

,aa-tRNA, 步 校对发生在转肽前 可 以 去 除 近 同 源 第 ,与终止密 码 子 发 生 堆 积 使 自 己 稳 定 结 合 在 了 核 糖

,45, 2 ,步校对发生在转肽后 方式是丢弃含有错 误 氨 基 , ,RF 1 体 上导 致 有 义 密 码 子 上 解 离 常 数 高 出

, ,DNAP 酸 的 肽 链 与 核 糖 体 不 同 的 校 对 方 式 是 直 000 ,RF 倍 且 的 结合动力 学 与 肽链释放的速率也不

,48, ,RNAP 2 nt 接 剪 切 错 配 核 苷 酸 则 要 剪 切 或 更 长 的 ,一 致

, ,核 苷 酸 片 段 然 而 三 者 识别错配底物的方式非常 ,RF1 RF2 ,有 人 认 为 和 缺 乏 动 力 学 校 对 因 为

,,,相 似 是 几 何 构 象 而 不 是 序 列 特 征 如 核 糖 体 和 RF3 GTP 水 解 不 能为它 们 选择 提供一个不可逆的

DNAP , 主 要 识 别 双 螺 旋 的 小 沟 除 了 上 述 机 制 之 ,EF-Tu aa-GTP 的 步 骤 而 延 伸 过 程 中 水 解 参 与 了

,37, ,“”“外 核糖体还可以通 过差 错 补 偿 或差 错 协 tRNA , ,的 选 择也 许 这 种 说 法 值 得 商 榷 因 为

”aaRS ,,同 的 方 式 降 低 错 误 装 载 的 影 响 维持翻RF1 RF2 和 识 别 过 程 中 也 有 一 步 高 度 放 能 的 反

,53, ,译的忠实 ,,, ,性 最 近 发 现 细 菌 的转肽后校对 机 制 在 酵 母 应 那 就 是 肽 链 的 释 放 延伸过程中这 种能量用于

,54, ,, ,: 了肽 键 的 形 成 我 们 有 理 由 联 想 在 终 止 过 程 中 这 中 并 不 存 在 蛋 白 质 的 合 成 往 往 是 越 高 等 的 生

,? EF-Tu 物 忠 实 性 越 高 那 么 真 核 生 物 有 什 么 方 式 维 持 更 些 能 量 被 用 到 了 那 里 也 许 类 似 延 伸 过 程 中

高 GTP,RF 1 水 解 它 也 为 选 择 提 供 个 不 可 逆 的 的 步 Table 2 The fidelity mechanisms in potein tanslationrr , 骤 延 伸过 程中解码中 心 和转肽酶 中 心信号传导的 Precesso fProteinsSubstrates Fidelity mechanismsError rateReferences机制还 translationinvolvedrecognized

Substrates election

Pretransfeerd itingActivation ofAmino acids,1, )4 )5 aaRS10 :1 0 amno acdstRNCs-posttransfer edtngiiAiii,41,

Trans-posttransfeedri ting

aa-tRNA aa-tRNASubstrates election? ,20, EF-Tu transfer

Fnitiator aa-tRNAII nitiationSubstrates election? ,12, I RibosomeInitiation codon

Substrates election

aa-tRNAProofreadingEF,39, )3 )4 Elongation 10 :1 0 ibosomePeptidyl-tRNARQuaty contro after ,44, lil

peptidyl transfer

RF,45, )3 )6 TerminationStop ocdonSubstrates election10 :1 0 Ribosome,48,

? ,的 忠 实 性 呢 由 于 诱导契合 机 制对于忠实性有重要 质 忠 实 性 机 制 在 很多方面还并不十分了解 所 以 其 ,,tRNA ,,的 意 义 作 者 认 为 不 能 忽 略 的 影 响 因 深 入 的 研 究 不 仅 具有重要的理论意义 而 且 具 有 深

tRNA 、,为 的 构 象 序 列 及 其 修 饰 对 忠 实 性 影 响 很 远 的 应 用 价 值

: 致 谢 本文在撰写与修改过程中得到了杨冬英 博 士 和 张, tRNA ,大 如 细 菌 天 然 在 核 糖 体 解 码 过 程 中 都 呈

,,秀玲教授的无私帮助与指导 在此表示衷心感谢 ,,现 特 定 的 构 象 突变远离反密 码 环 的碱 基 可 以 影

,55, tRNA ,, ,响 构 象 转 换 进 而 改 变 忠 实 性所 以 真 efeences)( Rr参 考 文 献 tRNA 核 与 原 核 生 物 的 序 列 及 修 饰 差 异 也 可 能 对

, J,, -tRNA ,, 1 , 谢 兆 辉 氨 酰 合成酶维持翻译忠实性的机 制中 国 ,真 核 生 物 高 度 的 忠 实 性 有 一 定 贡 献 ( Xie Zhao-Hui, Translational fidelity 生物化学和分子生物学报

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Johansson ,MJ Jacobson A, Nonsense-mediated mRNA decay 核 糖 体 结 构 研 究 极 大 地 促 进 了 其 功 能 研 首 , 2 , ,究 maintains translational fidelity by limiting magnesium uptake,,先 修正了 人们对一些抗 生素作用机制的认识 如 红 ,J,,Ge nesD ev,2010 ,24 ( 14 ) : 1491 -1495 ,56, 、, ,霉 素 氯洁 霉素和氯霉素的作用 机 制其 次 加 GarneauN L,Wilusz J,Wilusz CJ, The highways and bywayosf , 3 , , , 深 了人 们对 病 原体耐药性的认识 如 研 究 发 现 mRNA decay, J,, Nat RevM ol Cell Biol,2007 ,8 ( 2 ) : 113 -126

rRNA 的 碱 基 修 饰 与 细 菌 对 抗 生 素 的 敏 感 程 度 有 Shoemaker CJ, Eyler DE, Green R, Dom34 : Hbs1 promotes , 4 , ,50, subunit dissociation and petpidyl- tRNA drop-off tion itiate no-go ,, ,关 再 次 对 药 物 开 发 带 来 了 新 启 示 如 兰 卡

decay,J,, Science,2010 ,330 ( 6002 ) : 369 -372 杀 菌素 和兰卡霉素 的 结合位点 与 具协同作用的链阳菌 Kobayashi K,Kikuno I,Kuroha K,et al, Structural basis for, 5 , ,,素 部 分 重 叠 这对开发具 协同作用的抗生素 或 整 合 mRNA surveillance by archaeal Pelota and GTP-bounEd F1 α 两 类 抗 生 素 的 官 能 团 于 一 个 分 子中具有指导意 complex,J,, Proc N atl Acad S ci U S A,2010 ,107 ( 41 ) : ,57, ,17575 - 17579 ,义 最 后 为 寻 找 新 的 药 物 靶 点 带 来 了 启

, 示 多 Fu J, Hashem Y, Wower I , et al, Visualizing the rtansfer- : 方 面 的 原 因 使 核 糖 体 非 常 适 合 做 药 物 的 靶 点 ? 核 , 6 , messengeRNr A as ther ibosome resumestr anslation ,J,, EMBO ,, 糖 体 结 构 大 作 为 靶 点 的 选 择 范 围 大 但 现 在 发 现 J,2010 ,29 ( 22 ) : 3819 -3825 ,的 抗 生 素 多 结 合 在 少 数 位 点 上 尤 其是构象易变的 Peixeiro ,Silva AL,Romao L, Control of the human tab-gelobin I, 7 , ,,rRNA 结 构 如 非 配 对 碱 基 碱 基 的 特 殊 顺 式 构 mRNA stability and i ts impact on btea-thalassemia phenotype ,58, ,59, ,RNAP , 象这 种 现 象 也 发 生 在 中? 很 多 抗 ,J,, Haematologica,2011 ,96 ( 6 ) : 905 -913

Chadani Y, Ono K, Ozawa ,Set al, Ribosome rescue b y rRNA,生 素 的 靶 点 为 这 有利 于提高抗生素的专一 , 8 , Escherichia coli ArfA ( YhdL) in the absence torafn s-translation , ,A rRNA 、性 有 人 认 为 根 据 位 结 构 特 征 加 上 蛋 白 system,J,, Mol Microbiol,2010 ,78 ( 4 ) : 796 -808 ,质 结 合 核 酸 的 结 构 域 比 较 保 守 以 及成熟的寡肽合 BashyamM D, Nonsense-medated decay nkng a basc ceuar i:liiilll, 9 , ,A rRNA 成 技 术 开 发 针 对 的 位 的 短 肽 类 抗 生 素 具 process to human i sdease,J,, Expert RevM ol Diagn,2009 ,9 ,60, , 有 比 较 好 的 前 景? 由于核糖体碱基突变或修 ( 4 ) : 299 -303

,饰 可 以 影 响 细 菌 的 耐 药 性 所以根 据同一位点不同 Kimura S, Suzuki T, Fine-tuning of the r ibosomal decoding ,10, centerb y conservedm ethyl- modifications in the Escherichia coli ,, 抗 生 素 的 结 构 特 点 可以 对天然抗生素的进行修饰

,61, 16 S rRNA ,J,, Nucleic Acids Res,2010 ,38 ( 4 ) : 1341 -1152 , 降 低 细 菌 的 耐 药 性如 新 用 于 临 床的替格环素就 Grigoriadou C,Marzi S,Pan D,et al, The rtanslational fidelity ,11, ,来 自 于米诺环素的结构 修 饰 并取得了较好的 function of IF3 during transition from the3 0 S initiation complex ,62, , 效 果to the7 0 S initiation complex,J,, J Mol Biol,2007 ,373 ( 3 ) :

551 -561 ,, 目 前 除了替格环素 和氨基糖甙类抗生素之外

Hartz D,McPheetersD S,Gold L, Selection of thei nitiator tRNA 1 ) 另 个 新 开 发 的 针 对 核 糖 体 的 新 药 瑞 他 帕 林 也 在 ,12, by Escherichia coli initiation factor,sJ, Genes D ev, 1989 ,3 ,63, , 1 临 床 上取得 了非常好的疗 效而 另 个 作 用 于 ( 12 A) : 1899 -1912 mRNA NMD )P TC124 ,监 视 机 制 中 过 程 的 新 药 虽 Qin D,Fredrick K, Control of t ranslation initiation involves a ,13, ,然 才 进 入 临 床 试 验 阶 段 但已经显示出了对治疗囊 factor-induced rearrangement hoefli x 44 of 16 S ribosomal RNA 、,J,, Mol Microbiol,2009 ,71 ( 5 ) : 1239 -肿 性 纤 维 化 进 行 性肌营养不良和 血友病等具有非 1249 ,64, , ,,AUG 常 好 的 前 景此 外 一 些 癌 细 胞 中 以 非 为 ,14, ZorzetA ,Pavlov MY,Nilsson AI,et al, Error-pronei nitiation ,起 始 密 码 子 的 几 率 很 高 起始忠实性的研究也许可 factor2 mutations reduce theit nfess cost oafn tibiotic resistance

1 , 以 为 治 疗 癌 症 搭 建 个 新 的 平 台 由于现在对蛋白 ,J,, Mol Microbiol,2010 ,75 ( 5 ) : 1299 -

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27 818中国生物化学与分子生物学 报 第 卷

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439 -452

范文四：蛋白质结晶过程

说起蛋白结晶，中国可有着很悠久的历史呢。1965年中国首次人工合成了结晶牛胰岛素。这是第一个与天然蛋白有着相同性质并具有生物活性的人工合成蛋白，也是蛋白结晶的首个成功例子。2004年，中国科学院生物物理研究所常文瑞研究员发现的菠菜主要捕光复合物(LHC-II)的晶体结构，以封面形式在《Nature》杂志上发表（图1）。

最近，饶子和院士等在《Nature》杂志

上发表文章，展示了禽流感病毒H5N1聚合

酶内部的晶体结构。此外，饶教授已经解析出

了50多个重要蛋白质的晶体结构，包括艾滋

病毒基质蛋白SIV-MA、IgA Fc受体（CD89，

JBC的封面，图2）、第一个SARS病毒蛋白

-3CL PRO。看着饶教授的丰硕成果，大家可 图2 IgA Fc 能都很感兴趣蛋白结晶是怎么样做的，简单说 受体的结构 吧，就是将表达目的蛋白的DNA片段PCR 之后克隆到表达载体上，然后在大肠杆菌中诱1．蛋白表达和纯化 这个大家都比较熟导表达，得到大量的蛋白并纯化，摸索结晶条悉了，简单说一说。用PCR扩增目的蛋白的件，等它结晶（时间长短不定），拿到晶体之结构域。PCR产物纯化后克隆到大肠杆菌表后进行X射线衍射，收集衍射图谱，通过计达载体上。饶教授在两篇文章中分别用了算，很快就能得到蛋白质的原子结构。看上去pGEX 6p-1（GE Healthcare）1和pET-28a似乎很简单，其实不然。在1971年蛋白数据（Novagen）2的载体，然后在大肠杆菌BL21库PDB（www.pdb.org）刚刚成立时，只有（DE3）菌株中进行表达，再利用相应的层析可怜的7个蛋白结构；不过蛋白结晶的方法柱纯化，如果需要的话，还要用蛋白酶将较大也在不断改进，因此PDB的结构数也呈指数的标签切除。这一步的关键是得到大量纯化的增长，目前已达到了52684个。生物通就结蛋白质（>10mg），其浓度通常在10mg/ml合绕教授的文章，给大家解析一下蛋白结晶的以上，才能进行结晶条件的筛选。不过蛋白表过程。 达量高了，经常就会形成包涵体，所以还要优

化变复性的条件，使蛋白正确折叠。

2．蛋白结晶 蛋白质晶体的培养，通常

是利用气相扩散（Vapor Diffusion）的原理来 完成；也就是将含有高浓度的蛋白质（10～

50mg/ml）溶液加入适当的溶剂，慢慢降低蛋

图1 LHC-II 白质的溶解度，使其接近自发性的沈淀状态

的晶体结构

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时，蛋白质分子将在整齐的堆栈下形成晶体。

包含纯化蛋白、缓冲液和沉淀剂的小液滴，与

大样品池中相似缓冲液和更高浓度沉淀剂之

间形成平衡。起初，蛋白溶液的小液滴包含了

低浓度的沉淀剂，随着水分蒸发并转移到大样

品池中，沉淀剂浓度也增大到最适合蛋白结晶

的水平。当系统处于平衡状态，这种最佳条件

就继续维持直至晶体形成。

两种最主要的气相扩散方法分别是悬滴

（hanging drop）和坐滴（sitting drop）法。它们之间的区别就在于蛋白液滴在容器中的位置不同（图3和图4）。坐滴法中蛋白溶液（红色）位于大样品池溶液（蓝色）上方的底座上，与悬滴法相反。一般来说，悬滴法比较常用。而坐滴法更有利于利用显微摄像技术自动监测蛋白质的结晶情况,相对来说更适于高通量蛋白质结晶。不过两种方法都需要从外面封闭的密封的容器。

图3 悬滴法 图4 坐滴法 每一种蛋白质形成结晶的条件皆有所差

异。影响晶体形成的条件很多，包括pH值、

温度、离子强度、盐的比浓度、有机添加剂、

还原剂和去污剂等，因此蛋白质结晶所需进行

的试验数量是巨大的。到目前为止，还没有一

套理论可以预测结晶的条件，所以必须不断测

试各种条件的组合，才可能得到一颗完美的单

一晶体。看起来是不是有点像“不可能的任

务”，所幸现在也有商业化的结晶平台推出。

QIAGEN公司推出了蛋白结晶平台系列产品，为蛋白结晶研究提供

了新的实验工具，让我们能在最短的时间内获

得最广范围的条件筛选，快速完成晶体培养实

验。EasyXtal 及NeXtal蛋白结晶平台有1824

种无冗余的蛋白结晶条件，包含了促进蛋白结

晶最显著的试剂，采用网格筛选、稀疏矩阵筛选、离子采样筛选三种蛋白结晶筛选策略或其有机组合，可以对蛋白质、多肽、核酸、大分子复合物以及水溶性小分子等进行结晶条件的筛选。 如此大的工作量，用手工来完成，一是太累，二是太慢。多种不同结晶条件的筛选过程的趋势是自动化，是因为该过程要求建立成百上千的相似实验以找到为数甚少的合适结晶条件。自动化显著地提高了实验通量，改进了实验的可重复性，并且由于实验最小化容许使用少得多的昂贵的蛋白质和结晶溶剂而降低了费用。不过，自动化过程中的一个挑战是必须能够移取不同粘性的溶液；另一个挑战为液滴定位：微小液滴必须被极其精确地放置，以使蛋白质液滴和结晶溶剂的液滴能彼此融合且不受结晶池的边缘干扰而变形。

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TTP LabTech公司的纳升级液体处理工作站-Mosquito Crystal是目前唯一能在96孔板上进行自动化蛋白晶体悬滴生长的仪器。顾名思义，以蚊子来命名微量液体分装设备，不乏幽默之意。Mosquito可从样品板中一次一排地吸取和分配液体，使得微量的蛋白质溶液可分配到一个悬滴生长板盖的所有96个“窗口”上。同时这也意味着结晶溶剂的微滴能以镜像方式加入到蛋白质液滴之上，然后倒转板盖，微滴就被放置到相应的微孔之上。

Mosquito用于悬滴法晶体生长的优势包括：悬滴设置在两分钟之内即可完成，无需湿度控制；只需常规的(便宜的)平底96孔板和板盖；在添加筛选溶液时更换加样针避免了清洗步骤；自动化设置保证了准确性和可重复性。

对于坐滴法，Mosquito可将液滴高度精确地定位到标准结晶板的结晶池中央或者原有液滴之上，即使使用更小的液滴也不必担心蛋白质微滴和结晶溶剂微滴不会融合在一起。当利用成像系统自动筛选微滴时，由于目标区域小很多，晶体更容易被找到。系统设置速度快，4分钟可完成一个三结晶池96孔的Greiner结晶板设置。 Mosquito的精密性和可重复性允许用户在每个微孔中设立若干个多成分的液滴－－即使在高密度的96孔悬滴晶体生长板中，以便同时评估不同的样品、结构、复合物、蛋白质修饰(如携带不同的标签或构建不同的截短体)、蛋白质/池液体积比或者蛋白质浓度对晶体生长的影响。可以在一个坐滴或悬滴晶体生长板中产生288个条件，帮助研究人员节省了宝贵的时间和蛋白样品 3. 数据收集、构建模型 盼星星、盼月亮，终于盼到结晶出现，就可以进行X射线衍射了。快速将晶体降到接近液氮的温度，以减少热力学振动（增加分辨率）；将晶体固定在一个针上，并置于X射线光路中；用X射线照射，用检测仪记录衍射图；旋转晶体，收集更多的衍射图；通过电脑计算，将衍射图转换成二维电子密度图，显示原子的位置；结合多个二维图，得出三维图像；用已知的氨基酸序列及结构合理的相关知识，构建一个符合衍射图像的蛋白模型。 以上就是蛋白结晶的大致流程了。如果大家还想了解更多的细节，可以查看饶子和教授等近期发表的文章。

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范文五：蛋白质合成过程

1、氨基酸的活化

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供蛋白质合成能，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1）。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。

2、翻译起始

真核的翻译起始比原核更复杂，因为：

①真核mRNA的二级结构更为多样和复杂。真核mRNA是经过多重加工的，它被转录后首先要经过各种加工才能从细胞核进入细胞质中，并形成各种各样的二级结构。一些mRNA与几种类型的蛋白质结合在一起形成一种复杂的颗粒状，有时称核糖核蛋白粒

（ribonucleoprotein particle）,在翻译之前，它的二级结构必须改变，其中的蛋白质必须被去掉。

②核糖体需要扫描mRNA以寻找翻译起始位点。真核mRNA没有SD序列来帮助识别翻译起点，因此核糖体结合到mRNA的5’端的帽子结构并向3’端移动寻找翻译起点。这种扫描过程很复杂，知之甚少。

真核翻译起始用到的起始因子（eIF）至少有9种，多数的功能仍需进步研究。eIF3的功能类似IF3，防止核糖体大小亚基过早结合，eIF2-GTP类似与IF2-GTP，促进起始aa-tRNA、mRNA与小亚基的结合，eIF4能识别并结合在mRNA的帽子结构上。

起始复合物的形成过程：

（1）40S小亚基-(eIF-3)结合到(eIF-2-GTP)-Met-tRNAi Met复合物上形成40S前起始复合物（40S preinitiation complex）。

这里，eIF-2-GTP介导了起始tRNA与40S小亚基的结合，然后eIF-2-GDP通过eIF-2B（鸟苷酸释放蛋白）再生。此时，由于eIF-3和40S小亚基相结合，eIF-6和60S大亚基相结合，所以小亚基暂时还不能与大亚基相结合。

（2） 40S前起始复合物结合到mRNA5’端形成40S起始复合物。消耗1个ATP。 该过程需要ATP，另外还需要一些起始因子（eIF-4A、eIF-4B、eIF-4F、eIF-1）。

eIF-4F能识别并结合在mRNA5’端的帽子结构上，eIF-4A（一种ATPase）和eIF-4B（一种helicase）改变mRNA的二级结构。

（3）40S起始复合物向3’端移动扫描mRNA寻找适当的起始密码子（通常是5’端附近的AUG），直到Met-tRNAiMet与之配对。除酵母外的高等真核生物：GCCGCCpurCCAUGG

（4） 60S大亚基与40S复合物结合形成80S起始复合物，eIF2-GDP、eIF3离开

此时，60S大亚基上的eIF-6已经被释放。在形成复合物过程中，在eIF-5参与下，eIF-2-GTP水解成eIF-2-GDP。eIF-2，eIF-3，eIF-4A，eIF-4B，eIF-4F，eIF-1从起始复合物上释放。

3、延伸

（1）入位

真核生物入位需要延伸因子为EF-1，它是多亚基蛋白，同时具有EF-Tu、EF-Ts的功能。50kD的延伸因子eEF-1α-GTP与aa-tRNA结合，引导aa-tRNA进入A位点后，eEF-1α-GTP水解，随后eEF-1α-GDP离开核糖体，在eEF-1β、eEF-1γ的帮助下，eEF-1α-GDP再生为eEF-1α-GTP。

在真菌（如酵母）中，需要另一个延伸因子eEF-3与eEF-1α共同引导aa-tRNA的入位。

（2）肽键形成（转肽）

核糖体大亚基的肽酰转移酶活性催化A位点α-氨基亲核攻击P位点的aa的羧基，在A位

点形成一个新的肽键。P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开

（3）核糖体移位

移位需要一个100kD的延伸因子eEF-2-GTP。eEF-2-GTP结合在核糖体未知的位置上，GTP水解成释放的能量使核糖体沿mRNA移动一个密码子的位置，然后eEF-2-GDP离开核糖体。

4、终止

真核细胞中有两个释放因子eRF-1和eRF-3（GTP结合蛋白）介导终止。当GTP结合到eRF-3后它的GTPase活性就被激活，eRF-1和eRF-3-GTP形成一个复合物，当UAG，UGA，UAA进入A位点时，该复合物就结合到A位点上，接着GTP水解促使释放因子离开核糖体，mRNA被释放，核糖体解体成大小亚基，新生肽在肽酰转移酶催化下被释放。

5、多肽链合成后的加工修饰

1．一级结构的加工修饰

⑴N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸是多肽链合成的起始氨基酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。其过程是：①去甲酰化；②去蛋氨酰基。

⑵氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。 ⑶二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。

⑷肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。

2．高级结构的形成

⑴构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。 ⑵亚基的聚合。⑶辅基的连接。

3．靶向输送

蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。分泌型蛋白质的定向输送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细胞。

信号肽假说：信号肽位于新合成的分泌蛋白N端。对分泌蛋白的靶向运输起决定作用。①细胞内的信号肽识别颗粒（SRP）识别信号肽，使肽链合成暂时停止，SRP引导核蛋白体结合粗面内质网膜；②SRP识别、结合内质网膜上的对接蛋白，水解GTP使SRP分离，多肽链继续延长；③信号肽引导延长多肽进入内质网腔后，经信号肽酶切除。分泌蛋白在高尔基体包装成分泌颗粒出胞。

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