第三节　细菌蛋白质生物合成

一、rRNA在蛋白质合成中作用

核糖体由蛋白质和rRNA组成。原核生物中核糖体为70S，其大小亚基分别为50S和30S，50S大亚基中含23S和5SrRNA，30S小亚基中含有16SrRNA。在蛋白质合成的所有场合，从起始到终止，rRNA都起着关键性作用，它催化肽键形成，将氨基酸连接在一起形成蛋白质。

原核生物中，16SrRNA在蛋白质翻译起始阶段发挥作用。16SrRNA的3′端有与mRNA翻译起始区互补的保守序列，是mRNA的识别位点。通过mRNA起始密码子上游核糖体结合序列和16SrRNA的互补序列之间碱基配对启动蛋白质翻译。负载tRNA进入核糖体，通过密码子与反密码子碱基配对识别正确的密码，通过tRNA茎环结构的反密码子与16SrRNA中的特定区域相互作用而与核糖体结合。

二、tRNA在蛋白质合成中作用

tRNA在蛋白质合成过程中作为各种氨基酸的载体并将氨基酸转呈给mRNA，使RNA的遗传信息翻译成蛋白质特异的氨基酸序列。tRNA是具有两种特异性的结合体，一个是连接mRNA密码的特异性，另一个是连接氨基酸的特异性。按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序将氨基酸转运到核糖体的特定部位。

1.tRNA结构

细菌中大约有60种具有不同特异性的tRNA。tRNA单链分子结构中存在着自我折叠时内部碱基配对形成的双链区域，使整个tRNA分子结构呈三叶草形二级结构，如图2-2所示。二级结构中位于左右两侧的环状结构以该区域最常出现的稀有碱基命名为TΦC环和DHU环；位于下方的环以其特异功能命名为反密码环。反密码环中间的3个碱基称为反密码子，此位点识别mRNA上的密码，与密码子碱基配对。蛋白质生物合成时，由反密码子辨认mRNA上相应密码子，才能将氨基酸正确定位在合成的肽链上。在链的3′-末端都有相同的CCA-OH结构，氨基酸通过酯键共价结合到末端A的核糖上。从tRNA的这个接受位置，氨基酸转移到核糖体上生成着的肽链上。tRNA的三级结构如图2-3所示呈倒L型。在三叶草模型中TΦC环和DHU环相距很远，三级结构中两个环碱基相距很近，意味着两个环中的一些碱基实际上也是配对的。

典型的tRNA由3个环状部分组成。二级结构为三叶草型。

典型的三级结构为倒L型，由图可见，三级结构中已经将反密码环暴露在整体结构外部，便于识别密码子。

2.识别、活化和氨酰-tRNA的形成

tRNA按照mRNA遗传密码携带氨基酸、密码-反密码子-氨基酸特异结合，保证DNA转录翻译成蛋白质信息传递的准确性。氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸和tRNA之间特异化学反应，酶对氨基酸、tRNA都能高度特异性识别。氨基酸一旦活化和形成氨酰-tRNA，就离开合成酶，运送到核糖体上。

三、翻译——蛋白质的合成

遗传信息由mRNA流向蛋白质的过程即蛋白质合成过程。原核生物（大肠埃希菌）每秒钟可翻译20个氨基酸。细菌基因复制、转录与表达过程没有严格阶段性与区域性。DNA复制、RNA转录与蛋白质翻译同时进行，DNA分子边复制边转录，转录的mRNA还没有脱离DNA时，就与核糖体结合翻译肽链。如图2-4所示，原核生物基因的复制、表达与蛋白质的合成连续进行。

核糖体是蛋白质合成的场所，由特定的核糖体RNA和核糖体蛋白构成。在原核生物中，核糖体亚单位是30S和50S，产生完整的70S核糖体。30S亚单位含有16S rRNA和大约21种蛋白质，50S的亚单位含有5S和23S rRNA和大约34种蛋白质。核糖体上具有一系列与蛋白质合成有关的结合位点与催化位点。包括与mRNA的结合位点、与氨酰tRNA结合的A位点、与延伸中的肽酰tRNA结合的P位点。

蛋白质合成是一个连续过程，包括起始、延伸、终止、肽链释放和多肽链的折叠。除了mRNA、tRNA和核糖体之外，蛋白质合成需要许多蛋白质参加，起始阶段需起始因子，延伸阶段需延伸因子，终止阶段需终止因子参与；鸟苷三磷酸（GTP）为合成过程提供能量。

1.蛋白质合成的起始

原核生物生成起始复合物步骤：①大小亚基分离；②mRNA结合核糖体小亚基；③tRNA通过反密码子-密码子结合mRNA；④起始复合物结合大亚基形成活性核糖体。原核生物中蛋白质合成由自由的30S核糖体亚单位开始，起始复合物由30S亚基、mRNA、甲酰甲硫氨酰tRNA和起始因子组成，这步的形成需要GTP提供能量。50S大亚基加入到上述起始复合物中就形成了有生物学活性的70S核糖体。原核生物起始因子有IF-1、IF-2、IF-3，翻译起始时，IF-3结合到核蛋白体30S亚基，使大小亚基分离。IF-1协助IF-3的结合和亚基分离。在翻译过程的最后，释放出核糖体而再次分离成30S和50S亚基。

原核mRNA上距起始密码子上游约10bp处有一段很短的富含嘌呤的区域称为SD序列，它能与30S亚基上的16SrRNA 3′端的一段互补序列配对结合。mRNA正是通过其SD序列与16SrRNA的配对结合而使它处于核糖体的恰当位置，并使起始密码子AUG处于P位点。SD序列与16SrRNA的配对还为识别起始密码子和Met密码子提供了一种机制。原核多顺反子mRNA上每一个基因都有自己的SD序列、起始密码子和终止密码子，每一个基因的翻译都是相对独立的。

翻译起始总是由特异的起始氨酰-tRNA结合在起始密码子AUG上开始的。在细菌中，是甲酰甲硫氨酰tRNA，翻译之后甲酰基在多肽链的N末端除掉，完整蛋白质的末端氨基酸是甲硫氨酸。在真核生物和古细菌中，起始时由甲硫氨酸代替甲酰甲硫氨酸。

2.肽链延伸

核糖体上与tRNA相互作用的两个位点主要位于50S亚单位上，称为P位点和A位点。A位点是接受位点，新的氨基酰-tRNA根据遗传密码指引，进入核糖体A位，称为进位。成肽过程是P位上的酰基与A位上的氨基反应。成肽完成后，生成的二肽-tRNA在A位上。几种可溶性延伸因子EF-Tu、EFTs、EFG参加延伸反应，需有GTP参加。携带着肽链的tRNA从A位点向P位点移动，为下一个氨基酰-tRNA的加入释放出A位，此过程称为转位。每一个tRNA移位都需要专一性延伸因子和一分子的GTP。在每一个移位步骤中，遗传密码向前移动3个核苷酸，在核糖体的A位点上露出一个新的密码子。移位过程引起空载tRNA从核糖体上释放出去。现在发现移位过程使空载tRNA到了第3个位点，称E位点。实际上tRNA是由这个退出位点从核糖体上释放出去的。移位过程的准确度是蛋白质合成精确度的关键控制点，核糖体必须在每一步移位时准确移动3个碱基，即1个密码子。图2-4描绘出肽链延伸加入一个缬氨酸的过程。

当几个核糖体同时翻译一个mRNA时，形成复合体称为多聚核糖体。多聚核糖体提高了mRNA的翻译速度和效率。每一个核糖体都独立起作用，在多聚核糖体复合体中都能够合成一个完整的多肽链。

3.合成终止

当蛋白质合成移位到达不编码专一性氨基酸-tRNA的密码子时，合成终止。终止密码UAA、UAG、UGA起着蛋白质合成终止点的作用。终止因子能够识别终止密码子并结合到A位上，终止因子和核蛋白体结合后，转肽酶催化作用下，P位上tRNA所携带的多肽链释放出来（其间还需多个释放因子RF的参与），tRNA也从P位上脱落，mRNA同核糖体分离。核糖体解聚为大、小亚基，亚单位又成为游离的形式在细胞内成新的起始复合体。被释放出的多肽链按照各自遗传方式折叠成有独特构象的蛋白质分子。如图2-4所示，翻译过程终止。

四、蛋白质合成后加工

从核蛋白体释放的多肽链，要经过细胞内各种修饰处理，成为有活性的成熟蛋白质，称为翻译后加工。肽链释放后，进行一级结构的修饰，并可根据其一级结构的特征折叠、盘曲成高级结构。

五、蛋白质生物合成的抑制和干扰

1.抗生素的影响抗生素是能够杀灭或抑制细菌的一类药物，许多抗生素能通过与核糖体相互作用，专一性作用于rRNA来抑制蛋白质的合成。抗生素对蛋白质合成抑制是专一性的。链霉素能与细菌核蛋白体的小亚基结合，抑制起始；嘌吟霉素、氯霉素、放线菌酮和四环素抑制肽链延伸。有时两种抗生素在蛋白质合成中抑制相同的步骤，而抑制机制不同。氯霉素通过破坏肽键的形成从而抑制延伸。四环素能抑制氨基酰-tRNA与细菌的核蛋白体结合，抑制细菌的蛋白质合成。

2.白喉毒素是蛋白质合成的抑制剂，可对真核生物的延长因子-2（EF-2）起共价修饰作用，使延伸因子-2失活，抑制真核生物和古细菌中蛋白质的合成。