第八章 蛋白质的合成与加工

1. 第八章 蛋白质的合成与加工 蛋白质是依据染色体中的遗传信息合成出来的。遗传信息的传递分为两个阶段：DNA分子的遗传信息被转录成mRNA；mRNA所携带的遗传信息再被转变成多肽链中的氨基酸顺序。后一阶段涉及将核酸“语言”转换成蛋白质“语言”，因此被称为翻译。遗传信息从DNA到RNA，再到蛋白质的传递被称作分子生物学的中心法则。

2. 7.1 遗传密码 7.1.1 遗传密码是三联体 遗传密码是指核酸分子中的碱基序列与蛋白质中的氨基酸序列之间的对应关系。RNA只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸。如果以一对一的方式，即一个核苷酸决定一个氨基酸，RNA只能决定4种氨基酸。若是2个核苷酸为一个氨基酸编码，则遗传密码只能代表16种氨基酸。如果以3个核苷酸编码一个氨基酸，则能形成64种密码子，完全可以满足编码20种氨基酸的需要。

3. Charles Yanofsky 发现了基因与多肽之间的共线关系。他首先从大肠杆菌中分离出大量影响色氨酸合成酶基因A（trpA）功能的突变，并通过遗传重组对它们进行了定位，还确定了野生型蛋白和每一突变型蛋白的氨基酸顺序。该项研究表明基因和它编码的多肽链序列是共线的，并且，遗传密码是不重叠的，因为一个突变只改变一种氨基酸。在trpA基因中还发现了两个不同的突变影响同一种氨基酸，这是一个以上的核苷酸规定一个氨基酸的第一个证据。

4. 大肠杆菌trpA基因和它编码的多肽链之间的共线性大肠杆菌trpA基因和它编码的多肽链之间的共线性 Crick等人又利用T4噬菌体rII突变型从遗传学的角度证实三联体密码的构想是正确的。

5. 7.1.3 密码子的特点 基因通过其结构中的密码子序列决定所表达蛋白质的氨基酸序列。密码子为3个核苷酸构成的三联体，4种核苷酸可组成64种密码子，其中的61个密码子对应于20种氨基酸，另外3个，即UAA、UAG和UGA，不编码任何氨基酸，为终止密码子。在61个有义密码子中，AUG除编码甲硫氨酸外兼做起始密码子。要正确阅读遗传密码，必需从起始密码子开始，按5’→3’方向一个三联体接一个三联体地读下去，直到遇到终止密码子为止，从而形成一个阅读框。

6. （1）不重叠、无逗号 在一个阅读框内，所有的密码子都是连续阅读的，两个相邻的密码子不共用一个或两个核苷酸，同时密码子与密码子之间也没有任何不参与编码的核苷酸，因此密码子是不重叠和无标点的。在少数病毒中，两个基因可以共用一段核苷酸序列，形成所谓的重叠基因（overlapping genes）。每一重叠基因都有自己的阅读框，各自的阅读框仍按三联体方式连续读码。

8. （2）密码子的简并性 有9种氨基酸有2个密码子，1种氨基酸有3种密码子（Ile），5种氨基酸有4个密码子（Val, Pro, Thr, Ala, Gly），3种氨基酸有6种密码子（Ser, Leu, Arg）。这种一种以上的密码子编码一个氨基酸的现象称为简并

9. 对应于同一个氨基酸的不同密码子称同义密码子(synonymous codon)。在密码子表中同义密码子不是随机分布的，它们的第一、第二位核苷酸往往是相同的，区别只表现在第三位核苷酸。密码子最后一位碱基专一性降低的现象也称为第三位碱基的简并性(third-base degeneracy)。

10. 密码虽有简并性，但在特定的物种中，基因并非平均地使用每个密码子，这种现象称为密码子偏倚（codon bias）。如亮氨酸可由6个密码子编码（TTA、TTG、CTT、CTC、CTA和CTG）。但是在人类基因中，大多被CTG编码，而且几乎不被TTA或CTA编码。密码子偏倚的生物学原因并不清楚，但不同种属的生物有不同的偏好。

11. (3)密码子具有普遍性 高等生物和低等生物在很大程度上共用一套密码子，说明核酸中的核苷酸序列与蛋白质中的氨基酸序列之间对应关系的遗传密码在进化的早期就已确定下来了。但是，也存在一些例外的情况。 例外1：在支原体中，终止密码子UGA被用来编码Trp，而UGG仍是Trp的密码子，但用得很少。

12. 例外2：在一些纤毛虫（单细胞原生动物）种，终止密码子UAA、UAG被用来编码谷氨酰胺。例外2：在一些纤毛虫（单细胞原生动物）种，终止密码子UAA、UAG被用来编码谷氨酰胺。 例外3：人类线粒体密码子

14. 7.2 tRNA 转运RNA（tRNA）在翻译中具有重要作用。所有的tRNA都具有两种功能，一方面它与一种特定的氨基酸共价连接，另一方面又识别mRNA上的密码子。正是由于tRNA具有这两方面的作用才保证了多肽链的氨基酸顺序通过遗传密码与mRNA的核苷酸序列对应。

15. 7.2.1 tRNA分子的二级结构 tRNA分子的长度为74～95个核苷酸，但是大多数的tRNA由76个核苷酸构成。第一个被测序的tRNA分子是酵母的丙氨酸tRNA。随着越来越多的tRNA被测序，人们逐渐清楚所有tRNA都通过链内碱基的互补配对形成一种特定的三叶草结构 (cloverleaf) 的结构。

18. 7.2.2 tRNA的三级结构 通过X－衍射来研究几种酵母的tRNA晶体，发现各种tRNA 存在共同的三维结构。每一tRNA的三叶草型二级结构都要折叠成致密的倒L型三级结构。

20. 7.2.3 密码子和反密码子的相互作用

21. The third position in the anticodon is the “wobble” base 3’-UAI-5’可以解码异亮氨酸的所有三个密码子5’-AUA-3’、 5’-AUC-3’和5’-AUU-3’。

22. 7.3 氨酰－tRNA合成酶 7.3.1 氨酰－tRNA合成酶催化的化学反应 氨酰tRNA合成酶（aminoacyl tRNA synthetase, aaRS）负责将氨基酸连接到相应的tRNA分子上，形成氨酰-tRNA。氨酰－tRNA的形成是一由ATP驱动的两步反应

25. 7.3.2 氨酰-tRNA合成酶对tRNA的识别 tRNA上的反密码子负责把氨基酸插入到多肽链的正确位置, tRNA分子上所携带的氨基酸并不影响密码子与反密码子之间的识别。 实验I：tRNA上的反密码子负责把氨基酸插入到多肽链的正确位置。这一点可以通过改变反密码子上的一个碱基来证明。甘氨酸tRNA的反密码子是5’-UCC-3’，通过化学修饰可以把UCC转化为UCU，而UCU与赖氨酸的密码子AGA配对。此时，tRNA的反密码子已经发生了改变，但其携带氨基酸的性质并未发生变化。在体外蛋白质合成系统中，这种反密码子发生变化的tRNA可以把甘氨酸插入到新合成的多肽链的赖氨酸位置上。

26. 实验II：通过还原脱硫作用可以把半胱氨酰-tRNACys转变为丙氨酰－tRNACys实验II：通过还原脱硫作用可以把半胱氨酰-tRNACys转变为丙氨酰－tRNACys

28. 细菌细胞具有30～45种不同的tRNA，真核生物有50余种，这就意味着一个氨基酸可能有几个不同的tRNA与之对应。携带同一个氨基酸的一组tRNA称为同工tRNA（isoaccepting tRNA），多肽链中有20种氨基酸，因此所有的tRNA可以分为20个同工tRNA组。细胞中有20种氨酰－tRNA合成酶，它们分别对应于20种氨基酸，和20个同工tRNA组。因此，合成酶的工作非常繁重，即要识别相应的氨基酸，又要识别一组同工的tRNA。

29. 7.3.3 tRNA分子的识别特征 识别特征I：通过交换tRNAMet和tRNAVal的反密码子发现反密码子是决定这两种tRNA负载何种氨基酸的主要因素。 识别特征II：G3:U70是丙氨酰tRNA分子决定其性质(携带丙氨酸)的主要因素.

30. 几种tRNA的氨酰-tRNA合成酶识别位点

31. 7.3.4 氨酰－tRNA合成酶校正功能 氨酰－tRNA合成酶可以通过多级校对功能防止氨基酸和tRNA之间的错误连接。相关tRNA对合成酶上的结合位点有很高的亲和性，因此结合较快，解离较慢。随着tRNA的结合，合成酶要对其进行识别。若结合的是正确的tRNA，那么酶的构象就会改变使结合变得更为稳定，接着迅速发生氨酰基化反应。若是错的tRNA，构象不会发生改变，氨酰基化反应过程变得很慢，这样增加tRNA在负载前从酶中解离出来的机会。这种进入－识别－排除/接受控制类型称为动力学校对。

32. 与tRNA相比，氨基酸是一种小分子，可供合成酶识别的结构特征很有限，例如Ile和Val之间，仅有一个亚甲基基团的差异。那么，酶又是如何选择正确的氨基酸的呢？

33. 缬氨酰-tRNA合成酶可通过其催化口袋的空间位阻作用排斥Ile，因为Ile的体积大于Val。虽然Val能够进入异亮氨酰-tRNA合成酶的催化口袋中，然而Ile和Val对异亮氨酰-tRNA合成酶的亲和力不一样，Ile优先与异亮氨酰-tRNA合成酶的催化口袋结合。缬氨酰-tRNA合成酶可通过其催化口袋的空间位阻作用排斥Ile，因为Ile的体积大于Val。虽然Val能够进入异亮氨酰-tRNA合成酶的催化口袋中，然而Ile和Val对异亮氨酰-tRNA合成酶的亲和力不一样，Ile优先与异亮氨酰-tRNA合成酶的催化口袋结合。

35. 异亮氨酰-tRNA合成酶在催化口袋附近还有一个编辑口袋，对腺苷酰基化产物进行校对。Val-AMP能够进入编辑口袋，在那里被水解成Val和AMP而释放出来。相反，Ile-AMP因太大而无法进入编辑口袋，因而不会被水解。异亮氨酰-tRNA合成酶在催化口袋附近还有一个编辑口袋，对腺苷酰基化产物进行校对。Val-AMP能够进入编辑口袋，在那里被水解成Val和AMP而释放出来。相反，Ile-AMP因太大而无法进入编辑口袋，因而不会被水解。

37. 7.3核糖体 生物细胞内，核糖体（ribosome）像一个能沿mRNA移动的工厂，执行着蛋白质合成的功能。它通过把mRNA、氨酰－tRNA和相关的蛋白质因子定位于核糖体上适当的位置来协调蛋白质的合成，并且翻译过程中的一些重要的生物化学反应也是由核糖体中的成分催化完成的。

38. 7.3.1 核糖体的结构 图7-10 电镜下的大肠杆菌核糖体三维结构

41. 图7-12 核糖体的三个tRNA结合位点，即A、P和E位点

42. 7.3.2 核糖体循环 核糖体的大小亚基在蛋白质合成中分别执行各自的功能。在翻译的起始阶段，小亚基首先与mRNA结合。在起始的最后阶段，大亚基才与小亚基结合形成完整的、能进行蛋白质合成的核糖体。蛋白质合成完成以后，大、小亚基分离，又进入游离核糖体库中。

44. 图7-13 原核生物多聚核糖体结构

45. 7.3.3 肽酰转移酶反应 这一反应发生在延伸中的多肽链羧基端的氨基酸残基和下一个将要加入的氨基酸之间。无论是生长中的多肽链还是将要加入的氨基酸都是通过酯键与tRNA的3’-端结合的，分别称为肽酰-tRNA和氨酰-tRNA。在核糖体上，肽酰-tRNA的3’端和氨酰-tRNA的3’端彼此靠近使氨酰-tRNA的氨基能够亲核进攻肽酰基形成一个新的肽键，并且导致多肽链从肽酰tRNA转移到氨酰tRNA上。因此，多肽链的生物合成是由N端向C端延伸的。肽键的形成又称为转肽作用，而催化肽键形成的酶被称为肽酰转移酶（peptidyl transferase）。其活性中心由RNA组成，所以肽基转移酶是一种核酶。

46. 图7-14 肽酰转移酶反应

47. 7.4.1 翻译的起始 7.4.1.1 原核生物翻译的起始 1. fMet-tRNAfMet 读码框的起始密码子通常是AUG，但有时也用GUG。这两个密码子都被同一个起始tRNA所识别，但读码框内部的AUG和GUG分别被Met和Val的tRNA所识别。识别起始密码子的tRNA为tRNAfMet。tRNAfMet首先与甲硫氨酸结合，接着甲硫氨酸的氨基被甲酰化形成N－甲酰甲硫氨酸

48. N10-甲酰四氢叶酸 甲硫氨酰-tRNA在甲酰转移酶的作用下被转化成N-甲酰甲硫氨酰-tRNA.

49. 去甲酰化酶（deformylase）在多肽链合成的过程中或之后会把这个甲酰基从氨基端去掉。许多原核生物的蛋白质甚至不是以Met开始的，这是因为氨肽酶（aminopeptidase）通常会在氨基端切除Met以及另外一两个氨基酸。去甲酰化酶（deformylase）在多肽链合成的过程中或之后会把这个甲酰基从氨基端去掉。许多原核生物的蛋白质甚至不是以Met开始的，这是因为氨肽酶（aminopeptidase）通常会在氨基端切除Met以及另外一两个氨基酸。

50. 2. 核糖体小亚基与IF3附着于mRNA上的核糖体结合位点上