-
Chapter 4
Translation
Translation is
the conversion of the information in the nucleic
acid sequence to polypeptides of a specific amino
acid sequence.
4.1 genetic codons
4.2 Translation system
—
tRNA
、
ribosome
、
mRNA
4.3 Translation mechanism
4.4 Peptide processing & folding
4.1 genetic codons
ORF
（
open reading
frame):
即从起始密码到终止密码之间的连续的三联体核苷酸序列
Genetic codon:
即
< br>mRNA
或
DNA
上编码
AA
或多肽合成终止和起始信号的三联体核苷酸
4.1.1
三联体密码的破译
mRNA: template for protein
synthesis
；
mRNA carries
information from DNA in a triple codon
1
关于密码子的猜想
1954
年
G
.Gamov
对破译密码首先提出了设想
?
?
?
?
?
若一种碱基对应与一种氨基酸，那
么只可能产生
4
种氨基酸
;
若
2
个碱基编码一种氨基酸的话，<
/p>
4
种碱基共有
42=16
种不同的排列组合
;
3
个碱
基编码一种氨基酸，经排列组合可产生
43=64
种不同形式<
/p>
若是四联密码，就会产生
44=256
种排列组合。
1961
年
Crick
和
Brenn
er.S
等证实了三联密码的真实性。
他们用
T4
染色体上的一个基因（
r
Ⅱ位点）通过用原黄素（
proflavin
< br>）处理，可以使
DNA
脱落或插入单个碱基，插
入叫
―
加字
‖
突变，脱落叫
―
减字
‖
突变
.
无论加字和减字都可以引起移码突变。
2
无细胞系统的建立与密码的破译
?
?
1961
年
Nirenberg
建立了无细胞系统
(
以细胞提取物构建的可以完成
某些生理功能的溶液系统
)
这一新技术又是在多核苷酸磷酸化酶发现的基础上建立起来的
:
1955
在细菌中分离了多核苷酸磷酸化酶
（
polynucleot
ide phosphorylase
）
,
它催化核糖核苷二磷酸的聚合
,
它不需要任何
DNA
模板就可合成
.
?
他们的方法是
:
(1)
去模板：用
DNAase
处理
抽提物，使
D
NA
降解，除去原有的细菌模板。
(2)
加入
pol
U
：合成了多聚苯丙氨酸，
?
?
?
?
?
这一结果不仅证实了无细胞系统的
成功，同时还表明
UUU
是苯丙氨酸的密码子。
分别加入
polyA
，
polyC
和
polyG
结果相应地获得了多聚赖氨酸，多聚脯氨酸和多聚甘氨酸。
<
/p>
3.
核糖体结合技术
——
三联体结合技术
1964
年
Nirenberg
又采用三联体结合实验
(1)
tRNA
和氨基酸及三联体的结合是特异的；
(2)
上述结合的复合体大分子是不能通过硝酸纤维滤膜的微
孔，而
tRNA-
氨基酸的复合体是可以通过的。
4.1.2
遗传密码的性质
1.
遗传密码的特点
?
?
?
?
?
?
(1)
遗传密码是三联体密码
(2)
遗传密码无逗号（连续排列）
(3)
遗传密码是不重迭的
(4)
遗传密码具有通用性（某些体系如
mt.
例外
)
(5)
遗传密码具有简并性
(degeneracy ,synonyms)
(6)
密码子有起始密码子和终止密码子
起始密码子：
AUG
（有时也可是
GUG
或
UUG
，
P78
）
终止密码（标点密码子、无意义密码子）
：
UAA
（琥珀密码子）
UAG
（乳石密码子）
UGA
（赭石密码子）
?
(7)
反密码子中的
―
< br>摆动
‖
（
wobble
）
2
遗传密码的偏爱现象
简并性
(degeneracy
）
——
一种
aa
有多种密码（同义密码）编码的现象
——<
/p>
编码同一氨基酸信息的密码子合称密码子家族（
codon
family)
并不是
codon family
的每种
codon
的使用频率都一样的！
（在基因工程中的应用：注意存不存在密码使用的偏爱）
?
?
?
不同物种
G/C%
含量不同
——
用来编码
aa
的核苷酸组成也有不同
不同物种内相应的
tRNA
浓度不同，其翻译效率不同
密码子本身核苷酸组成影响其使用频率：
G/C%
eg:GGG/AUA
使用频率几乎为
0
3
摆动假说
(wobble hypo
thesis)
是由
Crick.F
（
1966
年）提出的。即当
tRNA<
/p>
的反密码子与
mRNA
的密码子配对时前
两对严格遵守碱
基互补配对法则，但第三对碱基有一定的自由度可以
―
摆动
‖
。摆动假说也称为三中读
二（
2 out of 3
reading
）
。
eg:
Arg :
CGN
；
AGPu
最多可能有几种携带
Arg
的
tRNA
？最少呢？（理论上）
最多可能：
8
种（
NCG
；
UCU/ICU/CCU
）
最少可能：
3
种（<
/p>
ICG/UCG
或
CCG
；
UCG
）
表
14
－
4
遗传密码中的摆动
反密码子
5
’端碱基
密码子<
/p>
3
’端可配对碱基
G
U
或
C
C
G
A
U
U
A
或
G
I
（次黄嘌呤）
A
、
U
或
C
细胞内有几种
tRNA
？
当遗传密码破译后，
由于有
< br>61
个密码子编码氨基酸，
于是人们预测细胞内有
61
种，
但事实上绝大多数细胞内只有
50
种左右，
Crick
也正是在这种情况下提出了摇摆假说并合理解释了这种情况。
根据摇摆性和
61
个密码子，经过仔细计算，要翻译
61
个密码子至少需要
31
< br>种
tRNA
，外加
1
个起始
tRNA
，共需
3
2
种。
但是，在叶绿体和线粒体内，
由于基因组很小用到的密码子少，因此叶绿体内有
30
种左右<
/p>
tRNAs
，线粒体只有
24
种。
4.1.3
mRNA
的突变
1 Point m
utation
（点突变）
——
颠换（
如
G
→
C
）<
/p>
/
转换（如
G
→
A
）
,
根据
核苷酸发生替换后密码子信息的变化可分为：
?
?
?
同义突变（
synpnymous mutation
）
：核苷酸突变后其所在密码子仍编码同一个氨基酸（密码子家族）
错义突变（
missense
mutation
）
：
核苷酸发生改变后其编码的遗传信
息发生改变编码其他的氨基酸。
无义突变（
nonsense
mutation
）
:
核苷酸改变后变成无义密码
,
导致编码框提前终止
。
点突变可能影响其编码产物的结构和功能：点突变是由于基
因内部一个碱基对的改变所造成的
.
如果在生殖细胞内发生点突
变
,
这种
变化可以扩散到下一代。
根据错意突变所造成的遗传效应的不同又可将其分为
:
1
）致死突变（
lethal mut
ation
）
——
蛋白质完全失活
2
）渗漏突变（
leaky muta
tion
）
——
蛋白质部分失活
3
）中性突变（
nutral mut
ation
）
——
蛋白质活性不变
2 frameshift mutation
（移码突变）
——
OR
F
改变（由于碱基的插入或缺失造成阅读框的改变）
4.2.1 tRNAs: adopter molecules
?
tRNA are the
adopter molecules (
转接分子
)
that deliver amino acids to the ribosome and
decode the information in mRNA.
（解码
遗传信息，运送氨基酸）
1
tRNA
的一级结构
?
?
线性分子
:
76nt (60~95nt);
修饰碱基达
20%
：
T ( thymidine ) /(
pseuouridine ) dihydrouridine ( D )/I ( inosine )
——
最普遍
2
tRNA
的二级结构和三级结构
1
）受体臂（
acceptor
arm
）或称氨基酸臂
:
在
3‘
端永远是
4
个碱基（
XCCA
）
的单链区，在其末端有
2‘
-OH
或<
/p>
3‘
-OH
，是被氨基酰
化位点。此臂负责携带特异的氨基酸。
2
）
T
ψ
C
loop
。此臂负责和核糖体上的
rRNA
识别结合；
3
）反密码子臂
(anticodon
loop) :
负责对密码子的识别与配对
;
4
）
D
环
(DHU loop):
双氢尿嘧啶环。负责和氨基酰<
/p>
tRNA
聚合酶结合
;
5
）额外环
(extra
loop):
可变性大，从
4
Nt
到
21 Nt
不等
----
作为分类的依据（
75%extra arm
碱基不多）
3
tRNAs
的氨酰化
(1). AA
活化
AA + ATP + E*
AA
-AMP-E + PPi
E: AARS
／氨酰
tRNA
合成酶
(2).
特异性的
tRNA
替换
AMP
AA-AMP-E + tRNA
AA - tRNA + AMP +E
总反应：
AARS
AA +
tRNA
AA
-
tRNA
(
消耗
2ATP)
ATP
AMP+PPi
注意
:AARS
对于反应底物具有特异性
,
能根据
aa
的结构特异性结合相应的
aa;
同时在
aa-tRNA
形成后
,AARS
能再次对产物进行校阅
——
AARS
对于
tRNA
与
aa
的结合存在双重检验。
< br>4.
校正
tRNA
（
suppressor
tRNA
）
1)
校正突变：
(1)
校正突变是一种二次突变，这种突变能将第一次的突变
效应抵消。
(2)
校正突变可能发
生相同的基因中，抑制原来的突变，称为基因内抑制，或发生在不同的基因中称基因外抑制。
(3)
不同的抑制可能作用的方式不同。如有的抑制是
在转录和翻译水平，有的可能是通过细胞生理功能来实现。
发
生这种二次突变的基因就是抑制基因（
suppressor
）
或称校正基因
2)tRNA
的某些突
变也可能是校正突变
（一）无义抑制（
nonsense suppressor<
/p>
）
tRNA
反密码子的突变（能识别无义
密码）
（二）错义抑制
(tRNA
反密码子突变后与其它氨基酸密码相互配对）
< br>
3)
tRNA
抑制突变的特点
:
?
?
不是所有抑制基因都能产生有功能的蛋白质，关键是要看氨基酸取代的情况。
校正的作用不可能是完全的。
①校正的
tRNA
分子是有限的而且还要和
释放
因子竞争；
②若是错义抑制的话，由于氨基酸发生取
代
,
使得蛋白质的活性有所降低。
?
?
每种无义抑制
tRNA
一般都只识别
UAG
终止密码子，而不再识别原来相应的密码子
校正基因一般不会影响正常的终止
!
< br>(1)
校正基因识别的终止密码子不一定和正常终止的密码子相同。有时正常终止
位点有两个连续的终止密码子，而且结构不同，如
UAG-
UAA
；
(2)
释放因子（
RF
）将和抑制基因竞争和终止密码子的结合；
抑制基因的效率很低，通常为
1~5%
，所
以通常不会抑制正常终止。
５
tRN
A
对氨基酸的识别
?
?
?
1988
年
Hou Ya-ming<
/p>
（侯雅明）和
Schimmel
首先取得
突破。
他们采用的方法是：
tRNA
怎样接受特定的氨基酸，氨基酰
<
/p>
－
tRNA
合成酶怎样识别
tRNA
？
tRNA
中的哪些结构和接受特定氨基酸有关？
(1)
选用
(
tr
p-
)
来进行研究；
(2)
携带
Ala
< br>的
tRNA
，反密码子突变成
C
UA
，可以和终止密码子
UAG
相配对
,
可校正色氨酸的琥珀突变
.
(3)
用点突变的方法来改变校正
tRNA
（
Ala
）上的各个位点，观察对识别
Ala
有何影响，他们证明
Ala tRNA
的
< br>G3:U70
碱基对，
仅一对碱基决定了丙氨酰
tRNA
合成酶与
tRNA
的识别。这种小元件称为
tRNA
的
―
identity‖
，或称为
副密码子（
paracodon
）
。不
同的
tRNA
的
paracodon
各不一样！
4.2.2 ribisome
（核糖体）
：多肽合成机器－－多核糖体结构
１
原核和真核生物核糖体的组成及功能
细
菌
—
—
70
S
：
50S
（
23S/5S
）
；
30S
（
16S
）
16SRNA(
CCUCCU)
与
顺序
(AGGAGG
)
互补
哺乳动物——
80S
：
60S
（
28S/
5S/ 5.8S
）
;40S( 18S
）与
Capm7G
结合
２核糖体的活性位点
(
以原核生物核糖体为
例
)
?
?
?
?
?
mRNA
结合位点
(
与
mRNA
和
IF
< br>因子结合
):30s
亚基
(S-
D seq.)
P
位点
(
肽酰基位点
;
结合
fMe
t-tRNA
和肽酰
-tRNA):
主
要在
50s
亚基
A
位点
(
氨酰基位点
;
结合氨酰
-tRNA):
主要在
30s
亚基
< br>E
位点
(
退出位点
;
结合脱酰
tRNA):50s
亚基
肽酰转移酶活性位点
(
将肽酰基转移到氨酰
-tRNA
上
):23s rRNA
多聚核糖体：在一个
mRNA
分子中结合一定数目的核糖体后形成的复合物称为多聚
核糖体。
4.2.3
mRNA structure
1 leader(5‘
-UTR)------
先导序列
(5‘<
/p>
非翻译区
)
作为核糖体的识别和结合位点
:
S-D
序列
(
原核生物
):5‘
-AGGAGG
-
3‘
，是核糖体小亚基的结合位点，有助于提高翻译效率
5‘
-cap;
扫描序列
(GCCA/GCC
AUG
G )(
真核生物
< br>Kozak
顺序
)
注：
mRNA
的二级结构容易对其翻译起作用（
P81
）
< br>
2 trailer(3‘
-UTR)------<
/p>
拖尾序列
(3‘
非翻译区
)
3
编码区
(ORF)
?
?
16s rRNA3‘
末端能相互互补配对
,
同时也能与
mRNA5‘
端配对
;
以<
/p>
上
配
对
过
程
是
动
态
可
逆
的
,
这
使
核
糖
体
小
亚
基
既
能
与
mRNA
结
合
,
又
能
在
mRNA
上
移
动
S-D
coding region determinant
stem loop
AUG
5
’
ca
5’
-UT
exon-exon junction
UAG
ARE
3
’
-UT
ORF
AAAAA
premature termination
codon
?
?
?
?
?
?
5‘
-cap:
保护
mRNA
不被
5‘
外切
Stem
loop(
茎环结构
):
稳定
mRNA;
阻碍翻译的起始
Coding
region determinant:
能与其它
mRNA
元件结合并稳定未翻译部分
Premature termination codon:
触发
nonsense-
mediated decay (NMD,
无义介导的
mRN
A
降解
)
Exon-exon
junction: NMD
相关蛋白的结合位点
AU-rich element (ARE):
mRNA
稳定或不稳定性蛋白结合位点
4.3 Translation mechanism
4.
3.1
多肽生物合成的基本流程
(
发生
的时期
——
原核生物
/
真核生物是不同的）
1
氨基酸活化
:
2
合成起始
:
核糖体在
mRNA5‘
-UTR
装配（在
IF
因子
的协助下）
：
?
?
?
小亚基识别并结合
mRNA5‘
-UTR<
/p>
；
甲硫氨酰
tRNA
进入核糖体
,
并与起始密码配对；
大亚基与小亚基相互结合
3
延伸
:
（进位、转位、移位）
在
EF
的作用下合成多肽
(
< br>核糖体由
mRNA5‘
向
3‘<
/p>
移动
,
多肽由
N
向
C
合成
)
4
终止
:
在
RF(release factor
释放因子
)
作用下识别终止密码，使核糖
体解体，并终止多肽合成
.
尽管原核
生物与真核生物在蛋白质合成方面有许多相似之处，但也存在差异，这些差异正是一些抗生素治疗和研究应用的基
础。
4.3.2
原核生物多肽的合成
原核生物（大肠杆菌）每秒钟可翻译
20
个
氨基酸，真核生物每分钟才大约
50
个氨基酸。
1
核糖体的装配
,
多肽合成起始
(1) IF-3
和
IF-1
、核糖体
30
S rRNA
结合
a.
使
30S
保持游离
b. IF3
使
16S RNA
和
mRNA
的
S-D
序列结合，形成起始复合体
I
(2) IF-2 + GTP +
N-
甲酰甲硫氨酸
tRNA
中间复合体
II
。
(3) 50S
亚基可和
30S
亚基结合，
IF
释放。
注
:
?
?
消耗能量
-----1GTP
原核生物
mRNA
是多顺反子结构的，当上
游
ORF
翻译完成后，小亚基立刻脱离
mRNA
，而是滑行到下游
ORF
开始
下游
多肽合成，这种效率不高；也可能下游
ORF
含有
S-D
序列，可以直接起始翻译。
2
多肽合成的延伸
(
需要延伸因子的参与
)
1)EF-Tu<
/p>
结合
GTP
和氨酰
tRNA
并进入核糖体
A
位点，然后
水解释放
2)
促使转位（形成肽键）
3) EF-
G
结合
GTP
并进入核糖体
,
水解
GTP
释放能量使
核糖体向
mRNA3‘
移动，空载
tR
NA
退出核糖体
注：消耗
2GTP
——
形成一个新的肽键需要消耗
A
TP
和
GTP
各两个。
3
多肽合成的终止
< br>终止密码：
UAA/UAG/UGA
被
< br>RF
（释放因子）识别并将核糖体解体
The RF (release factor) terminates
protein synthesis by releasing the protein chain.
The RRF (ribosome recycling factor) releases the
last
tRNA, and EF-G releases RRF,
causing the ribosome to dissocuate.
?
在
中释放因子（
release factors
，
RF
）
;
RF1
识别
UAA/UAG
；
RF2
识
别
UGA
和
UAA;
RF3
是激活因子
?
?
这两种因子作用于
A
位点
< br>,
且需要
P
位点的
肽酰
-t
RNA
存在。
终止反应是释放因子识
别终止位点并与之结合，激活肽基转移酶，水解了
P
位点上多肽
与
tRNA
之间
的键，然后释放了
多肽和
tRNA
★原核生物蛋白质合成中的能量计算（合成一个二肽）
合成二肽需
8
个高能键，其后每加一个
a.a
需
4
个高能键
。
例：合成
200
< br>个
a.a
残基的多肽：
8+19
8
×
4=800
4n=4
×
200=800
4.3.3
真核生物多肽的合成
1
多肽合成的起始
——
滑动搜索模型
?
?
eIF3
和
eIF4
与
5‘
-
帽子和
3‘
-poly(A)
结合形成复合物
真核细胞质中的核糖体并不在编码区开始处直接和起始位点相结合。
首先识别
5
?
端甲基化的帽子结构，然后沿
mRNA
向
3?
移动，扫描
Kozak
顺序
：
GCC A
（
C/ G
）
CAUGG
注意：大多数真核生物
mRNA
的翻译都是这种滑动搜索模型，但是某些病毒也采用类似原核生物的多肽合成起始方式。
滑动搜索过程中需要各类起始因子（
eIF
）
消耗一个
GTP
、
ATP
若干
< br>
起始因子磷酸化对翻译的影响
?
当遭遇热休克、
< br>病毒感染、
生长因子缺乏等逆境时，
真核细胞
eIF-2
就发生磷酸化，
大部分蛋白质的合成降
低，而一些
hsp
核其它蛋白的翻译增强，以应付热休克和其他
胁迫条件，但其机理还不清楚。
真核生物双功能
mRNA
?
?
?
少数真核
mRNA
上如果存在两个<
/p>
AUG
前后序列都符合
Kozak
顺序，多肽合成可能从两个不同
AUG
起始。
若两个
AUG
属于同一阅读框，则形成两个长短不同的蛋白质，其中有部分多肽完全相同。
若两个
AUG
处于不同的阅读框中，则合成两
个序列完全不同的蛋白质。
一条
mR
NA
可合成两种蛋白质，称双功能
mRNA
。
2
多肽合成的延伸：
eEF
的参与
3
合成的终止：
eRF
识别终止密码并终止多
肽合成
translational
frameshifting
?
一
些
mRNA
似乎含有结构信息，在阅读框内可以从
+1
或
-1
处开始阅读，结
果翻译出两条或多条多肽。这种情况常见于被
反转录病毒感染的细胞内。
★真核生物蛋白质合成中的能量计算（合成一个二肽）
合成二肽需
10
个高能键，其后每加一个
a.a
需
4
个高能
键。
例：合成
200
个
a.a
残基的多肽：
10+198
×
4=802
（
4n+2
）
=4
×
200+2=802
4.4
Peptide processing & folding
4.4.1
多肽的运输
1.
蛋白质合成后需要在特定位置起作用：
蛋白分检（
Protin
sorting
）
蛋白质
的运输（
trafficking
）
2.
多肽运输的种类：
核糖体可分为游离的和膜结合的两类
?
翻译后转运（
post-translation
translocation
）
——
导肽（
Leader seque
nce
）
/NLS
（
< br>nuclear locolization signals
）
/NES
（
nuclear export signals
）
；游离的核糖体的合成产物
线粒体、叶绿体、细胞核等细胞器的蛋白运输
?
共翻译转运（
co-translatonal
rtanslocation
）
——
信号肽
(signal
sequence)
；膜结合核糖体的合成产物
膜结合蛋白、分泌性蛋白、内质网、高尔基体、溶酶体蛋白等
的运输
注意：以真核生物为例说明
—
—
原核生物中也同样存在这么两种形式的运输机制
留在胞液中
翻译后转运
(
游离核糖体
)
核
依靠导肽
线粒体
蛋白质转运
越
膜
叶绿体
其它细胞器
共翻译转运
依靠信号肽
ER
糖基化修饰
分拣
高尔基体
溶酶体
(
膜结合核糖体
)
越
膜
留在
ER
中
留在高尔基体
分泌到胞外
质膜
包被在泡囊
质膜中
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