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第二章遗传物质及遗传信息的传递,除了少数的RNA病毒之外，DNA几乎是所有生物遗传信息的携带者。DNA遗传信息的传递中心法则遗传信息从DNA到RNA转录遗传信息从mRNA到蛋白质翻译,DNA模板与mRNA分子及多肽链之间存在共线性关系。,第一节DNA的变性、复性和DNA杂交,一、变性(denaturation)在化学或物理因素的影响下，维系核酸二级结构的氢键和碱基堆积力受到破坏，DNA双螺旋解旋成为单链的过程称为变性。变性可发生在整个DNA分子中，也可发生在局部的双螺旋阶段上。DNA变性不涉及核苷酸中磷酸二酯键的断裂。引起DNA变性的因素有：酸、碱（PH=11.3）、热、某些变性剂（如尿素、胍）和某些有机溶剂（如乙醇、丙酮）等。,二、复性（renaturation）,变性的DNA两条互补单链，在适当条件下重新缔合成双链的过程称为DNA复性或退火。复性可分为两个阶段：首先是成核（nucleation），然后是拉链式(zippering)。复性开始时,两条DNA单链随机碰撞形成局部双链，如果是正确的互补区形成的碱基对，就成核（1020bp）。如果不是正确的互补区，就解开，继续碰撞。成核后，两条单链的其余部分碱基就像“拉链”哪样完成整个复性过程。,DNA复性速度受多种因素影响：,DNA大小与信息的多少：DNA片段小的比大的容易复性，反之亦然。信息含量少的比多的容易复性。离子强度：通常增加盐浓度，可加速两条互补链重新结合的速度。所以，要保持单链DNA，盐浓度低于0.01mol/L。DNA浓度：DNA浓度越大两条互补链彼此相遇的可能性越大，复性的速度也就越快。,三、杂交,上述复性DNA中，如果两条链来源不同，这就叫做杂交分子。杂交分子的形成并不要求两条单链的碱基序列完全互补，只要有一定同源序性（不同来源）的单链彼此间有一定程度的互补序列就可以形成杂交链。杂交分子可以在DNA和DNA、DNA和RNA、RNA和RNA以及人工合成的寡核苷酸单链与RNA或DNA单链之间进行。,第二节DNA的合成,一、半保留复制DNA复制时，两条链间的氢键破裂并使双链解旋和分开，然后以每条链为模板、按碱基配对原则进行互补合成DNA，新形成的每个子代DNA的一条链来自亲代DNA，另一条链则是新合成的，这种复制方式称为半保留复制(semiconservationreplication)。,1、复制起点和复制子,DNA复制在生物细胞中要从DNA分子上特定位置开始，这个特定的位置就称为复制起点(Originofreplication)，用ori表示。DNA复制从起点开始双向进行直到终点为止，每一个这样的DNA单位称为复制子或复制单元(replicon)。复制起点在DNA内部原核生物只有一个复制子真核生物有多个复制子，每个复制子长约50-200kb。,2、DNA复制的特点,DNA复制的最主要特点（1）半保留复制（2）半不连续复制(Semi-ondisctinuousreplication)。在复制起点两条链解开形成复制泡(replicationbubbles)，DNA向两侧复制形成两个复制叉(replicationforks)。以复制叉移动的方向为基准，一条链连续复制，为先导链(leadingstrand)；另一条链不连续复制，形成冈崎片段(Okaxakifragments)，是后随链(laggingstrand)。,二、参与DNA复制的有关物质,模板DNA，三磷酸核苷酸(dATP,dGTP，dCTP，dTTP)是DNA合成的原料。还需要一些酶参与DNA合成(一)螺旋酶(Helicase)又称为解旋酶，是一类特殊的蛋白质可以促使DNA在复制叉处打开双链。螺旋酶可以和单链DNA结合，并且与ATP结合，利用ATP分解成ADP时产生的能量沿DNA链向前运动促使DNA双链打开。,(二)单链DNA结合蛋白(SSBP),单链DNA结合蛋白(singlestrandDNAbindingproteinSSBP)能很快地和单链DNA结合，防止其重新配对形成双链DNA或被核酸酶降解。,(三)DNA拓扑异构酶(DNATopisomerase),DNA拓扑酶催化同一DNA分子不同超螺旋状态之间的转变。DNA拓扑异构酶有两类：拓扑异构酶，如大肠杆菌的蛋白(MW-110000)；拓扑异构酶，如大肠杆菌中的DNA旋转酶(DNAgyrase),螺旋与超螺旋,由于强行分开双螺旋末端而引发产生的超螺旋结构,(四)引发酶(Primase)和RNA聚合酶(RNAPolymerase),引发酶催化引物RNA分子的合成。RNA聚合酶也是催化RNA分子的合成。人们认为后随链前体片段的引物是由引发酶合成的，而先导链的引物是由RNA聚合酶合成的。可能在大多数情况下，两种类型的引物都是由引发酶合成的，而RNA聚合酶的主要作用就是通过转录过程而解开局部的DNA双螺旋。这种作用就称为转录激活(transcriptionalactivation)。,（五）DNA聚合酶(DNAPolymerase),这类酶的共同性质是:1以脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)为前体催化合成DNA;2需要模板和引物的存在;3不能起始合成新的DNA链;4催化dNTP加到生长中的DNA链的3-OH末端;5催化DNA合成的方向是53。,1、大肠杆菌DNA聚合酶,大肠杆菌DNA聚合酶(DNApolymerase，DNApol)这是1956年由ArthurKornberg首先发现的DNA聚合酶，又称Kornber酶。由一条多肽链组成，约含1000个氨基酸残基，MW为109KD。经过枯草杆菌蛋白酶处理后，酶分子分裂成两个片段，大片段分子量为76KD，通常称为Klenow片段，小片段的分子量为34KD。,DNApolI的功能,1聚合作用:在引物RNA-OH末端，以dNTP为底物，按模板DNA上的指令由DNApol逐个将核苷酸加上去，就是DNApol的聚合作用。235外切酶活性校对作用：从35方向识别和切除不配对的DNA生长链末端的核苷酸。353外切酶活性切除修复作用：从53方向水解DNA生长链前方的DNA链，主要产生5-脱氧核苷酸。,大肠杆菌DNA聚合酶(DNApol),1970年发现了DNApol。此酶MW为120KD，每个细胞内约有100个酶分子，但活性只有DNApol的5%。该酶的催化特性如下：(1)聚合作用(2)该酶也具有35外切酶活性，但无53外切酶活性。(3)该酶对作用底物的选择性较强(4)该酶不是复制的主要聚合酶,大肠杆菌DNA聚合酶(DNApol),DNApol全酶由多种亚基组成大肠杆菌每个细胞中只有10-20个酶分子，尽管该酶在细胞内存在的数量较少，但催化脱氧核苷酸掺入DNA链的速率分别是DNA聚合酶I、的15倍和30倍。DNA聚合酶是细胞内DNA复制所必需的酶有聚合作用：从53方向合成DNADNApol也有35和53外切酶活性。,DNApol酶的组成,2、真核生物的DNA聚合酶,真核生物中也具有几种DNA聚合酶，但这些聚合酶都没有35或53外切酶活性。主要的酶(占总量的80-90%)是DNA聚合酶，分子量为300KD，含有4个或5个亚基，主要负责染色体DNA的复制。DNA聚合酶，分子量为45KD，仅含有一条链，主要作用是修复核内DNA。DNA聚合酶，分子量为140KD，存在于线粒体内，负责催化线粒体DNA的复制。DNA聚合酶，具有35核酸外切酶活性。,真核生物DNA聚合酶种类及作用,（六）DNA连接酶(DNAligase),DNA连接酶是1967年在三个实验室同时发现的。它是一种封闭DNA链上缺口酶，借助ATP或NAD水解提供的能量催化DNA链的5-PO4与另一DNA链的3-OH生成磷酸二酯键。DNA连接酶在DNA复制、修复和重组中起着重要的作用。真核生物细胞中的DNA连接酶有两型：DNA连接酶分子量约为200KD，主要存在于生长旺盛细胞中，DNA连接酶分子量约85KD，主要存在于生长于不活跃的细胞中(restingcell)。,三、DNA复制的过程,DNA复制过程大致可以分为复制的引发，DNA链的延伸和DNA复制的终止三个阶段。（一）DNA复制的引发1、前引发过程（1）解开双链：两种方法：螺旋酶在Ori处解开双链通过转录激活解开双链,转录激活：,RNA聚合酶在Ori处转录一段RNA，将双链分开，便于引发体与DNA结合，在先导链模板链上合成引物RNA，这一过程称为转录激活。（2）引发前体（preprimosome)形成单链结合蛋白结合在被解开的双链上。由复制因子X（n蛋白）、Y（n蛋白）、n蛋白、i蛋白、dnaB蛋白和dnaC蛋白六种蛋白质形成引发前体,并与单链DNA结合，这一过程叫前引发过程。,2、引发体（primosome)形成,引发前体与引发酶(primase)组装成引发体。引发体可在DNA上移动，在dnaB亚基的作用下，识别DNA复制起点位置。首先在先导链上合成一段RNA引物，然后引发体沿53方向不断移动，在一段距离上反复合成引物（primer)。,（二）DNA链的延伸,DNA新生链的合成由DNA聚合酶所催化。DNA聚合酶在引物3-OH端连上核苷酸，以使DNA新链得以延长。由螺旋酶在复制叉处边移动边解开双链。DNA拓扑异构酶要以打开一条链，使正超螺旋状态转变成松弛状态；而DNA拓扑异构酶(旋转酶)可以在DNA解链前方不停地继续将负超螺旋引入双链DNA。在DNA复制叉处由两套DNA聚合酶在同一时间分别进行复制DNA前导链和滞后链。,引物的切除：,DNA聚合酶I发挥53外切酶活性，切去引物RNA并填补空缺（缺刻平移），留下的缺刻由DNA连接酶连上。,(三)DNA复制的终止,DNA复制在复制终止位点处终止。1、环形DNA分子的终止在单向复制的环形DNA分子中，复制终止也即它的复制起点。在双向复制的环形DNA分子中，有的有固定的终点，而大多数没有固定的终点。,2、线性DNA复制的终止,由于引物RNA的水解，两个子代分子中，各有一个5端缺少一段核苷酸，而没有一个DNA聚合酶能填补。（1）T7DNA：形成连环分子（concatemer)T7DNA两端各有一段重复的数百个核苷酸，这叫末端冗余（terminalredundancy)。所以，两个子代DNA分子中的单链末端可以互补，多余的单链部分被DNAase除去，然后再由DNA连接酶连接起来形成连环分子。,2、线性DNA复制的终止,（2）DNA的环化法DNA进入宿主细胞内采用环化法，将线性分子连成环形。（3）真核细胞DNA末端复制依赖于端粒和能够识别或结合端粒的端粒酶。首先在四膜虫中发现。四膜虫端粒中存在一种端粒酶（telomerase)，这种酶能将端粒结构中单链尾巴5TTGGGG3延长，延长部分仍是5TTGGGG3。各种端粒这种富含G的序列总是突出1216个核苷酸。,端粒酶：,端粒酶是一种核蛋白，由RNA和蛋白质构成。1990年，Blackburn等人证明了端粒酶中的RNA是富含G序列的模板。例如：游仆虫的端粒酶RNA含有5CAAAACCCCAAAACC3端粒酶实际上是一种逆转录酶，模板存在于酶分子中。端粒酶中的RNA可能还有别的作用。由端粒酶连上的富含G的尾巴弯起来，作为引物复制以填补5空缺。,四、不需要RNA引物的DNA复制,有些病毒的基因组是线性DNA，在原核细胞和真核细胞中复制时不需要RNA引物。如：腺病毒DNA和枯草菌噬菌体29DNA复制从DNA的一端开始，而且对两端无选择性，各占50%的机率。这些DNA复制时，从一端开始，只能利用一条DNA链作为模板，即以35链为模板。这样，新合成的DNA链便将原来的亲代DNA链取代。原来的亲代DNA链(从合成起始端看是53链)作为单链从双螺旋中释放出来。这条链自身的5和3可以互补配对，然后在3端开始以此链为模板重新合成另一条子链。,第三节RNA的合成,一、RNA合成的基本特征：1、RNA的前体是四种核糖核苷三磷酸：ATP、GTP、CTP、UTP。2、RNA链的生长方向是53，核苷三磷酸加在新生链的3端，同时除去一分子焦磷酸而生成磷酸二酯键，焦磷酸又分解为无机磷酸，从而推动反应向聚合方向转移。,一、RNA合成的基本特征：,3、转录必须以一条DNA链为模板，按照碱基配对原则进行转录，因此DNA中的A、G、C、T将分别转录成U、C、G、A。在一个转录区内，一般只有一条DNA链可以转录。4、RNA聚合酶能起始一条新链的合成，起始的核苷酸一般是嘌呤核苷三磷酸，而且将在RNA链的5末端保持这一三磷酸基团。,二、RNA聚合酶,（一）原核生物RNA聚合酶原核生物RNA聚合酶全酶为2全酶可结合约60个核苷酸，提示其形状应为椭圆球形。亚基和其他肽链的结合不很牢固。当亚基脱离全酶后，剩下的2称为核心酶。核心酶本身就能催化核苷酸间磷酸二酯键的形成。亚基的功能可能是识别其相应的启动子。,E.coliRNA聚合酶的亚基和转录因子,RNA聚合酶可能的结构：,（二）真核生物RNA聚合酶,有三类：RNA聚合酶，存在于核仁，合成5.8SrRNA、18SrRNA、28SrRNA。聚合酶，存在于核质，合成hnRNA（mRNA的前体）和snRNA。聚合酶，存在于核质，合成tRNA和5SrRNA以及转录Alu顺序。,三、启动子,（一）原核生物的启动子对100个启动子在转录上游10和35处有两个共同顺序。Pribnow框：TATAAT六核苷酸序列称之。位于10区，是RNA聚合酶牢固结合位点，简称结合位点。Sextama框：TTGACA六核苷酸序列称之。位于35区，是RNA聚合酶初始结合位点，RNA聚合酶依靠亚基识别该位点，又叫RNA聚合酶识别位点,LacCCAGGCTTTACACTTTATGCTTCCGGCTCGTATGTTGTGTGGAATTG,fdG2CTTTTTGATGCAATTCGCTTTGCTTCTGACTATAATAGACAGGGTAA,PLGGCGGGTGTTGACATAAATACCACTTGGCGGTGATACTGAGCACATCA,PRGTGCGTGTTGACTATTTTACCTCTGGCGGTGATAATGGTTGCATGTA,tRNATyrCGTAACACTTTACAGCGGCGCGTCATTTGATATGATGCGCCCCGCTT,Sextama框,pribnow,+1,T82T84G78A65C54A45T80A95T45A60A50T96,17bp,（二）真核生物的启动子,比较了100个启动子，发现真核生物启动子是多部位结构（multipatide)主要有四个部位。1、帽子位点（capsite)：即转录起始位点。其碱基大多数是A（非模板链）两侧各有若干个嘧啶核苷酸。A为转录起点。2、TATA框：又称为Hogness框。位于25区附近其一致序列为：T82A97T93A85A63A83A50，基本上都是由A-T组成。在TATA框两侧有富含G-C碱基对的序列，这是TATA框发挥重要作用的因素之一。,（二）真核生物的启动子,3、CAAT框：一般位于75区附近。一致序列为：GGCCAATCT，其头两个G的重要性并不亚于CAAT部分。作用：CAAT框控制着转录的频率。4、增强子：一般在100区以上。单位置较灵活，也可以位于下游或基因内部。作用：对转录有增强效用,四、转录过程,转录的基本过程无论是原核还是真核细胞，转录的基本过程都包括：模板识别转录起始通过启动子转录的延伸和终止。,四、转录过程,（一）RNA合成的起始和延伸1、二元复合物的形成（只有全酶和DNA）（1）封闭的启动子复合物（2）开放性启动子复合物2、三元复合物的形成（全酶DNARNA）,RNA合成起始,大肠杆菌RNA聚合酶全酶所识别的启动子区,RNA合成的延伸,由于基因转录所引起的DNA超螺旋结构变化,（二）RNA合成的终止,转录终止信号存在于已转录的序列中。这种提供终止信号的序列称为终止子（terminator)。终止子有两类：（1）依赖于蛋白质辅助因子才能实现终止作用，这种蛋白子因子称为释放因子，通常又称为因子。（2）不依赖蛋白质辅助因子就能实现终止作用。,1、不依赖因子的终止子的特点：,（1）在终止点前有一段反向重复序列（2）方向重复序列中富含G-C碱基对（3）在反向重复序列下游有68个A-T对,2、依赖的终止子的特点：,（1）在终止点前有一段反向重复序列（2）方向重复序列中G-C含量较少（3）方向重复序列下游的序列没有固定特征，其A-T含量较前者低。,终止子终止转录的机制：,1、不依赖因子：（1）富含G-C对之后810碱基处，转录会出现跌宕。（2）反向重复序列形成发夹结构之后，阻碍了RNA链从三元复合物中释放出来，使延宕时间延长。（3）一连串A转录出一连串U2、依赖因子：（1）G-C含量低，（2）发夹结构缺乏U，所以只有因子可终止转录。,五、转录后加工,（一）转录产物的修饰1、帽子2、多聚（A）尾巴,真核生物mRNA的帽子结构,（二）转录产物的剪接,1、rRNA的剪接（1）E.coli的三种rRNA：5SrRNA、16SrRNA、23SrRNA与tRNA基因混杂，需要剪切。（2）真核生物rRNA人rRNA转录初产物为45S，经过剪切成为18SrRNA、28SrRNA、5.8SrRNA。,2、tRNA的剪接（1）E.colitRNA转录单位是多基因的需要剪切（2）真核生物酵母约400个核tRNA基因，有约40个基因中含有内含子，内含子长1446bp。需要切除内含子。3、hnRNA切除内含子内含子53的拼接点序列为：GUAG。snRNA参与了识别拼接点的作用。,真核生物hnRNA内含子剪切示意图,第四节蛋白质的合成,蛋白质是生物信息通路上的终产物，一个活细胞在任何发育阶段都需要数千种不同的蛋白质。因此，活细胞内时刻进行着各种蛋白质的合成、修饰、运转和降解反应。,遗传密码三联子所谓翻译是指将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。这3个核苷酸就是一个密码子。翻译从起始密码子AUG开始，沿mRNA53方向连续阅读密码子，直至终止密码子为止，生成一条具有特定序列的多肽链蛋白质。,Crick关于tRNA分子破译mRNA遗传密码三联子的原始构想,三联子密码及其破译因为mRNA中只有4种核苷酸，而蛋白质中有20种氨基酸，以一种核苷酸代表一种氨基酸是不可能的。若以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码（二联子），它们能代表的氨基酸也只有42=16种。若以3个核苷酸代表一个氨基酸，有43=64种密码子，满足了编码20种氨基酸的需要。,用核苷酸的插入或删除实验证明mRNA模板上每三个核苷酸组成一个密码子,遗传密码的性质1.密码的简并性4种核苷酸可组成64个密码子，现在已经知道其中61个是编码氨基酸的密码子，另外3个即UAA、UGA和UAG并不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，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。,通用遗传密码及相应的氨基酸,C亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）组氨酸（His，H）精氨酸（Arg，R）U亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）组氨酸（His，H）精氨酸（Arg，R）C亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）谷氨酰胺（Gln，Q）精氨酸（Arg，R）A亮氨酸（Leu，L）脯氨酸（Pro，P）谷氨酰胺（Gln，Q）精氨酸（Arg，R）G,A异亮氨酸（Ile，I）苏氨酸（Thr，T）天冬酰胺（Asn，N）丝氨酸（Ser，S）U异亮氨酸（Ile，I）苏氨酸（Thr，T）天冬酰胺（Asn，N）丝氨酸（Ser，S）C异亮氨酸（Ile，I）苏氨酸（Thr，T）赖氨酸（Lys，K）精氨酸（Arg，R）A甲硫氨酸（Met，M）苏氨酸（Thr，T）赖氨酸（Lys，K）精氨酸（Arg，R）G,G缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）天冬氨酸（Asn，N）甘氨酸（Gly，G）U缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）天冬氨酸（Asn，N）甘氨酸（Gly，G）C缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）谷氨酸（Glu，E）甘氨酸（Gly，G）A缬氨酸（Val，V）丙氨酸（Ala，A）谷氨酸（Glu，E）甘氨酸（Gly，G）G,除色氨酸（UGG）只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。9种氨基酸有2个密码子，1种氨基酸有3个密码子，5种氨基酸有4个密码子，3种氨基酸有6个密码子。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（synonymouscodon）。AUG和GUG既是甲硫氨酸及缬氨酸的密码子又是起始密码子。,密码子的兼并性,3.密码子与反密码子的相互作用tRNA的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNA上的密码子相互作用的。1966年，Crick提出摆动假说（wobblehypothesis），解释了反密码子中某些稀有成分（如I）的配对，以及许多氨基酸有2个以上密码子的问题。,mRNA上的密码子与tRNA上的反密码子配对示意图。a.密码子与tRNA反密码子臂上相应序列配对；b.当反密码子第一位是I时，密码子第三位可以是A、U或C。,tRNAtRNA不但为每个三联密码子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运送载体，所以，它又被称为第二遗传密码。不同tRNA在结构上存在大量的共性，由小片段碱基互补配对形成三叶草形分子结构，有4条根据结构或已知功能命名的手臂。最常见tRNA分子有76个碱基，相对分子质量约为2.5104，不同的tRNA分子可有7495个核苷酸不等。,D臂中存在多至3个可变核苷酸位点，17：1及20：1、20：2。最常见的D臂缺失这3个核苷酸，而最小的D臂中第17位核苷酸也缺失了。D臂是根据它含有二氢尿嘧啶（dihydrouracil）命名的。受体臂（acceptorarm）由链两端序列配对形成的杆状结构和3端未配对的34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。TC臂是根据3个核苷酸命名的，其中表示拟尿嘧啶；反密码子臂是根据位于套索中央的三联反密码子命名的；,酵母tRNAphe的三级结构示意图（根据X-射线衍射数据绘制）。a和b表示用不同方法构建的模型。,tRNA的功能只有tRNA上的反密码子能与mRNA上的密码子相互识别并配对，而氨基酸本身不能识别密码子，只有结合到tRNA上生成AA-tRNA，才能被带到mRNA-核糖体复合物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。用14C标记的半胱氨酸与tRNACys结合后生成14C-半胱氨酸-tRNACys，经Ni催化可生成14C-Ala-tRNACys，再把14C-Ala-tRNACys加入到蛋白质合成系统中，发现14C-Ala-tRNACys插入了血红蛋白分子中通常由半胱氨酸占据的位置上，表明起识别作用的是tRNA。,AA-tRNA合成酶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：AA+tRNA+ATPAA-tRNA+AMP+PPi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tRNA3末端腺苷残基的2或3-羟基上。E-AA-AMP+tRNAAA-tRNA+E+AMP,核糖体核糖体是由几十种蛋白质和多种核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA）所组成的亚细胞颗粒。一个细菌细胞内约有20000个核糖体，而真核细胞内可达106个。这些颗粒既可以游离状态存在于细胞内，也可与内质网结合，形成微粒体。核糖体蛋白约占原核细胞总蛋白量的9-10%，占细胞内总RNA量的70-80%。在真核细胞内，核糖体所占的比重虽然有所下降，但仍然占总RNA的绝大部分，是细胞总蛋白的一个重要组成部分。,真核生物中，所有正在进行蛋白质合成的核糖体都不是在细胞质内自由漂浮，而是直接或间接与细胞骨架结构有关联或者与内质网膜结构相连的。细菌核糖体大都通过与mRNA相互作用，被固定在核基因组上。,结合在内质网上的核糖体。左，电镜下看到的胰腺细胞粗糙内质网；右，局部放大后的草图。,核糖体的结构核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可解离为两个亚基，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。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。原核生物、真核生物细胞质及细胞器中的核糖体存在着很大差异。,几种不同生物核糖体及rRNA的组成,大肠杆菌核糖体小亚基由21种蛋白质组成，分别用S1S21表示，大亚基由36种蛋白质组成，分别用L1L36表示。真核生物细胞核糖体蛋白质中，大亚基含有49种蛋白质，小亚基有33种蛋白质，它们的相对分子质量在81034.0104之间。,核糖体结构模型及原核与真核细胞核糖体大小亚基比较,真核生物细胞中发现的多聚核糖体现象,核糖体分子中可容纳两个tRNA和约40bp长的mRNA。,核糖体的功能核糖体上至少有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，还应有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。核糖体小亚基负责对模板mRNA进行序列特异性识别，大亚基负责携带氨基酸及tRNA的功能，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。,蛋白质合成的生物学机制核糖体是蛋白质合成的场所，mRNA是蛋白质合成的模板，转移RNA是模板与氨基酸之间的接合体。蛋白质合成是一个需能反应。真核生物中可能有近300种生物大分子参与蛋白质的生物合成，这些组分约占细胞干重的35%。细胞用来进行合成代谢总能量的90%消耗在蛋白质合成过程中。大肠杆菌只需要5-6秒钟就能合成一条由100个氨基酸组成的多肽。蛋白质的生物合成包括氨基酸活化、肽链的起始、延伸、终止以及新合成多肽链的折叠和加工。,蛋白质合成各阶段的主要成分简表,氨基酸的活化蛋白质合成的起始是指在模板mRNA编码区5端形成核糖体-mRNA-起始tRNA复合物并将甲酰甲硫氨酸放入核糖体P位点。原核生物中30S小亚基首先与mRNA模板相结合，再与fMet-tRNAfMet结合，最后与50S大亚基结合。真核生物中，40S小亚基首先与Met-tRNAMet相结合，再与模板mRNA结合，最后与60S大亚基结合生成80SmRNAMet-tRNAMet起始复合物。起始复合物的生成除了GTP外，还需要Mg2+、NH4+及3个起始因子（IF-1、IF-2、IF-3）。,翻译的起始翻译起始复合物的形成第一步，30S小亚基与翻译起始因子IF-1，IF-3结合，通过SD序列与mRNA模板相结合。第二步，fMet-tRNAfMet在IF-2的协同下进入小亚基的P位，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、三个翻译起始因子的小亚基复合物与50S大亚基结合，释放翻译起始因子。,真核生物翻译起始复合物的形成,肽链的延伸生成起始复合物，第一个氨基酸（fMet/Met-tRNA）与核糖体结合以后，肽链开始伸长。按照mRNA模板密码子的排列，氨基酸通过新生肽键的方式被有序地结合上去。肽链延伸中的每个循环都包括AA-tRNA与核糖体结合、肽键的生成和移位三步。,多肽链上肽键的形成缩合反应,1后续AA-tRNA与核糖体结合,细菌中肽链延伸的第一步反应：第二个氨基酰-tRNA的结合。该氨基酰-tRNA首先与EF-TuGTP形成复合物，进入核糖体的A位，水解产生GDP并在EF-Ts的作用下释放GDP并使EF-Tu结合另一分子GTP，进入新一轮循环。由于EF-Tu只能与fMet-tRNA以外的其他AA-tRNA起反应，所以起始tRNA不会被结合到A位上，mRNA内部的AUG不会被起始tRNA读出，肽链中间不会出现甲酰甲硫氨酸。,2肽键的生成细菌中肽链延伸的第二步反应：肽键的生成。,在核糖体mRNAAA-tRNA复合物中，AA-tRNA占据A位，fMet-tRNAfMet占据P位。在肽基转移酶（peptidyltransferase）的催化下，A位上的AA-tRNA转移到P位，与fMet-tRNAfMet上的氨基酸生成肽键。起始tRNA在完成使命后离开核糖体P位点，A位点准备接受新的AA-tRNA，开始下一轮合成反应。,3.移位肽键延伸的最后一步是移位，即核糖体向mRNA3端方向移动一个密码子。细菌中肽链延伸的第三步反应：移位。核糖体通过EF-G介导的GTP水解所提供的能量向mRNA模板3末端移动一个密码子，使二肽基-tRNA完全进入P位,准备开始新一轮肽链延伸。,肽链的终止当终止密码子UAA、UAG或UGA出现