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蛋白质的生物合成过程需要200多种生物大分子参加，包括核糖体、mRNA、tRNA及多种蛋白质因子。蛋白质合成后，经过折叠、剪切、修饰等加工过程才能成为有功能的蛋白质；许多蛋白质还要经易位分泌才能到达功能位置；有些还需要经装配才能发挥作用

tRNA

蛋白质生物合成中tRNA的反密码子按碱基配对关系解读mRNA上的密码子。由于密码子的简并性和tRNA分子的同工性，tRNA至少有32种，实际上有40多种。每种tRNA只代表一种AA。真核生物的tRNA基因属于丰余基因，其份数大大多于需要数。

tRNA中约有20nt的种类和位置不变，为固定核苷酸。约有20nt高度可变，其余的为中等程度保守。所有tRNA的二级结构均为三叶草结构(cloverleaf structure)，三级结构为L形

tRNA二级结构的特点

1、3’端均为CCA-OH序列。氨基酸接在腺苷酸残基上，CCA-OH序列称为氨基酸接受臂(amino acid acceptorarm)。

2、TψC环；TψC环由7nt组成，参与tRNA与核糖体表面的结合。

3、额外环或可变环(extro variable loop)：高度可变，并富含稀有碱基

4、反密码子环(anti-cordon loop)由7nt组成，处于34、35、36位的3个碱基为反密码子

5、二氢尿嘧啶环(D-loop)由8~12个碱基组成，含有1~3个修饰碱基(D)

6、TψC环、反密码子环和D-环分别连接在由4~5个碱基组成的螺旋区上，大约20个固定碱基几乎全部位于这些环上

tRNA的三维结构

1、tRNA的三维结构(three dimensional structure)是“L”形：便于同核糖体以及AARS作用。

2、氨基酸接受臂CCA序列和反密码子处于倒L的两端

3、D环和TψC环形成了倒L的角。不同tRNA倒L形的角有轻微改变，以允许tRNA在执行不同功能时改变其功能。L形夹角为AARS识别。TψC环由核糖体识别，TψC 与5S 、5.8S 的rRNA 碱基配对。

tRNA通过AARS和AA发生关系，AARS催化特定氨基酸连接在对应tRNA 3’末端。这样，tRNA的反密码子和mRNA的密码子配对，以tRNA为桥梁把密码子译为相应的AA。AARS只催化特异氨基酸与其相应的tRNA连接，这是通过tRNA的副密码子与AARS相互识别来完成的。

在蛋白质生物合成过程中，特异识别mRNA上起始密码子的tRNA被称为起始tRNA，它们参加多肽链合成的

起始；在多肽链延伸中运载氨基酸的tRNA，称为延伸tRNA。

rRNA和核糖体

核糖体(ribosome）是由rRNA和核糖体蛋白组成的亚细胞颗粒，位于细胞质内。一类核糖体附着于粗面内质网，参与分泌性蛋白质合成，另一类游离于胞浆，参与细胞固有蛋白质合成。核糖体有大、小两个亚基。大亚基含有肽基转移酶中心，小亚基含有解码中心，氨酰-tRNA在此阅读或解码mRNA的密码子

rRNA

原核生物核糖体50S大亚基由23S、5S rRNA和约30种蛋白质构成；30S小亚基由16S rRNA和约20种蛋白质构成。

真核生物核糖体60S大亚基由28S、5.8S和5S rRNA以及大约40种蛋白质组成，其中5.8S相当于原核生物23SrRNA 5’端约160nt。40S小亚基由18S rRNA和约30种蛋白构成。

核糖体蛋白质

核糖体蛋白和rRNA一样在不同生物中具有同源性。核糖体蛋白，富含碱性残基Lys和Arg，少有酸性残基，这有利于与rRNA的相互作用。核糖体蛋白对所要翻译的mRNA有选择性，核糖体蛋白参加核糖体蛋白基因表达的自我调节，一些核糖体蛋白基因突变引起发育异常。

核糖体的结构

1、核糖体的大小和形状

30S亚基为扁平不对称颗粒，50S亚基呈三叶半球形。大亚基由半球形主体和三个突起组成。rRNA主要定位于核糖体中央，蛋白质在颗粒外围

2、核糖体的体外人工构建

核糖体亚基的自我装配(self-assembly)过程不需其它任何因子参与，只要把rRNA和相应的蛋白质加入反应系统即可自动装配

3、核糖体的有关位点

rRNA与蛋白质共同构成的核糖体功能区是核糖体表现功能的重要部位

①A位点（Aminoacyl-tRNA site）

是结合新进入的AA-tRNA的位置。即AA-tRNA位或受位。它大部分位于大亚基而小部分位于小亚基

②P位点（peptidyl-tRNA site）是结合起始tRNA并向A位给出氨基酸的位置。又称肽酰-tRNA位或给位。它大部分位于小亚基，小部分位于大亚基

③E位点（exit site）为脱酰基–tRNA释放位点

④mRNA结合位点位于大、小亚基的结合面上

4、蛋白因子

蛋白质合成是以核糖体为翻译场所。tRNA为译员，同时翻译的起始、延伸和终止过程各自都要有蛋白因子的协助

1）原核中参与翻译的蛋白因子

①原核生物的起始因子有IF1、IF2和IF3：蛋白质生物合成开始时，靠IF1和IF3的作用，将核糖体的30S（动物细胞是40S）亚基结合到mRNA的含AUG（密码子）的起始部位（initiationsite）上。在IF2和GTP的参与下，甲酰甲硫氨酸-tRNA（动物细胞是甲硫氨酸-tRNA）被搬运到30SmRNA复合体上。进而与核糖体50S（动物细胞是60S）亚基结合而完成起始复合体（initiation complex）。

IF1也可增加IF2和IF3的活性，并且IF1在核糖体亚基聚合时具有活化GTP酶的作用。IF1有高度保守性。IF3在小亚基上占据的位点即是将来的E位点。IF3可以促进甲酰甲硫氨酸-tRNA的形成，但排斥延伸tRNA加入三元起始复合物。

②原核生物的延伸因子有EF-Tu、EF-Ts和EF-G

进位：EF-T由EF-Tu和EF-Ts组成，当EF-T与GTP结合后可使EF-Ts与EF-Tu分离。EF-Tu（elongation factor thermo unstable，热不稳定延伸因子）介导氨基酰-tRNA进入核糖体空出的A位。“进位”过程需消耗EF-Tu水解其复合的GTP产生的能量来完成。

转肽：EF-Ts（elongation factor thermo stable，热稳定延伸因子）是EF-Tu的鸟苷酸交换因子，能催化与EF-Tu复合的GDP转化为GTP并重新形成EF-Tu和EF-Ts的二聚体（EF-T）。

移位：EF-G（elongation factor G，延伸因子G）具有转位酶活性，由水解GTP供能，使核糖体沿mRNA向下移动一个密码子，催化核糖体A位中的肽酰-tRNA进入P位，使A位再次空出

③原核生物释放因子有RF1、RF2和RF3

RF1识别UAA、UAG，RF2识别UAA、UGA。RF1和RF2序列相似。RF3无密码子特性，不单独起终止作用，有加强RF1和RF2的作用。RF3是GTP结合蛋白（G-protein），结构与EF-Tu和EF-G相似。当终止密码子进入A位时，无相应的aa-tRNA来阅读，只有RF1或RF2结合，RF3促进RF1或RF2水解肽酰tRNA的活性把多肽释放出来，RF3失活的细胞，翻译仍能终止，但生长不能达到最适水平

原核生物中存在核糖体释放因子(ribosome release factor，RRF)或核糖体循环因子（ribosome recyclingfactor，RRF），它促使核糖体脱离翻译完成的mRNA，以便重新执行翻译任务

2）真核中参与翻译的蛋白因子

真核生物翻译起始因子、延伸因子和细菌的相似，但真核生物起始因子eIF为数较多，有些有亚基结构。

①起始因子eIF（eukaryote initiation factor, eIF）

②延伸因子为EF1、EF2和EF3

③真核生物的释放因子有eRF1和eRF3

eRF1对3种终上密码子都起作用，终止需GTP而eRF1无GTP结合结构域，所以不能直接利GTP，只能低效使翻译终止，但eRF3有GTP结合基序，eRF1和eRF3合作，由eRF1识别终止密子，eRF3水解GTP，由于eRF1无法接受由P位转肽过来的肽酰tRNA，只能停止翻译

氨酰-tRNA的合成

蛋白质合成时，各种氨基酸需经AARS活化并与特异的tRNA连接，氨基酸由tRNA携带至核糖体上以mRNA为模板缩合成肽链。

氨酰-tRNA合成酶(AARS)

AARS（Aminoacyl-tRNA Synthetase）存在于细胞浆中，按亚基结构分为单体、二聚体和同型或异型四聚体等 。AARS上有氨基酸结合位点、tRNA结合位点和ATP结合位点。aaRS具有高度的特异性，它能识别特异的氨基酸和特异tRNA。AARS可与这种氨基酸的多种同工tRNA结合。一种tRNA可能有两种AARS

氨酰-tRNA的合成

1、氨酰-AMP的形成

AARS催化ATP和氨基酸形成结合在AARS上的氨酰-AMP

2、tRNA的氨基酰化

AARS催化氨酰-AMP的氨酰基转移到特异tRNA的氨基酸臂上

AARS的识别校正机制

酶和底物的正确结合是由二者几何形状所决定的，只有适合的氨基酸和适合的tRNA进入aaRS的相应位点，才能合成正确的氨酰-tRNA。tRNA分子上决定其携带氨基酸的区域为副密码子（识别要素），一种AARS可以识别一组同工tRNA。

不同AARS对氨基酸有不同的专一性，高度专一的AARS只识别一种氨基酸；同样AARS也高度专一地识别tRNA，酶与同族的tRNA亲和力强，而与其它tRNA亲和力弱

1、AARS的校正(proofreading)机制

1）有相关tRNA结合在AARS上时，可将已生成的错误的AA-AMP水解

2）错误的氨基酸转移至tRNA上时，由于AARS的结合位点识别错误的AA-tRNA结构而将其水解

AARS的校正要求相关tRNA参与，甚至在形成氨酰-AMP前，tRNA也起着引发校正的作用。

原核生物的蛋白质合成

蛋白质的生物合成（翻译，Translation）是把mRNA分子中碱基顺序转变为蛋白质中的氨基酸顺序的过程。蛋白质是由20种氨基酸合成的。某些蛋白质中含有羟脯氨酸、羟赖氨酸、γ-羧基谷氨酸等，都是在肽链合成后的加工修饰过程中形成的

原核mRNA一般为多顺反子（polycistron）结构，5’端无帽子结构，3’端无poly(A)尾，但5’端和3’端有不翻译区。mRNA翻译方向是5’→3’。

肽链合成的起始（initiation）

起始密码子的识别

mRNA起始密码子AUG上游有10nt以上（30~40nt更好）的不译区，它是核糖体结合序列RBS，其中包括SD序列（Shine-Dalgarno sequence）。SD和16S rRNA 3’的反SD序列配对，是mRNA和30S亚基结合的一个条件。核糖体可能同时识别SD和AUG，因此SD和AUG间的距离影响mRNA与核糖体的结合（分析多种mRNA发现在起始AUG的上游8~13nt处有5’AAGGAGGU3’的共有序列，称为SD序列（现一般将GGAGG作为SD序列））

蛋白质合成的起始是在起始因子帮助下，使mRNA与核糖体进行正确定位，识别起始密码子AUG，组装成核糖体·mRNA·tRNA的起始复合物，进行蛋白质合成

30S起始复合物的形成

IF1、IF2和IF3和30S形成复合体。IF2和GTP结合，为反应提供能量。IF2在GTP参与下可特异与起始氨基酰tRNA(fMet-tRNAimet) 结合，形成三元复合物。IF3可与mRNA和30S亚基特异结合，IF3可通过促使mRNA的SD与16S rRNA上的反SD配对，让30S亚基识别mRNA上的RBS，同时刺激fMet-tRNA i Met 与30S亚基结合在AUG上。形成30S起始复合物。

70S起始复合物的形成

IF3离开30S起始复合物后，它对30S与50S亚基的缔合的阻碍作用消除，使50S与30S起始复合物形成完整的70S起始复合物，并引起GTP水解。起始肽酰-tRNA直接进入P位，IF2·GDP和IF1释放。此时暂空的A位有待于相应的AA-tRNA进入，而进入延长阶段。

肽链的延长

肽链的延长包括：进位、肽键形成、脱落和移位等过程。肽链合成的延长需延长因子(Elongation factor，EF）和GTP供能。

1、进位

结合在mRNA上的肽酰-tRNA占着P位，与mRNA第二个密码子所对应的氨酰tRNA进入核糖体A位上称为进位（entrance）,又称注册（registration）。氨酰-tRNA进入核糖体A位是由延长因子EF-Tu所介导的。

（氨酰-tRNA与EF-Tu&GTP形成三元复合物，这种三元复合物只有在核糖体的P位被肽酰-tRNA占据时才会与核糖体的A位结合，从而使肽键能够正确的形成）

2、肽键形成

进位后，核糖体的A位和P位上各结合了一个氨酰-tRNA，在肽酰转移酶（peptidyl transferse）的催化下，P位上的起始tRNA所携带的甲酰甲硫氨酰基德α-羧基与A位上的α-氨基形成肽键，从而使P位上的氨基酸连接到A位氨基酸的氨基上，这个过程就叫做转肽反应（transpeptidation）。催化转肽反应的肽酰转移酶位于核糖体大亚基。

3、脱落

在A位上的tRNA负载着二肽酰基（或肽酰基），P位上成为无负载的tRNA脱落

4、移位

EF-G和GTP可以结合核糖体，与核糖体结合后，EF-G催化GTP水解，为移位提供能量，使mRNA与核糖体相对移位一个密码子的距离，P位上的tRNA释放，A位上的肽酰-tRNA移到P位上，mRNA分子上的第三个密码子进入到A位，为下一个氨酰-tRNA进位做好准备。EF-G&GTP转变为EF-G&GDP后，EF-G即转变无活性状态，从核糖体释放。

肽链合成的终止（termination）

肽链合成的终止，需释放因子(releasing factor，RF)参与。原核生物的RF1识别UAA、UAG；RF2识别UAA、UGA，使肽链释放，核糖体解聚。原核和真核的核糖体释放因子可通过tRNA的反密码子与终止密码子互作而识别终止密码子。

当终止密码子进入A位，由于RF1/2-RF3或eRF1/eRF3可识别终止密码子而进入A位。貌似氨酰tRNA的终止密码子无法接受P位转来的肽基，翻译就此终止。

mRNA上同时结合许多核糖体，称多核糖体。两个核糖体间有一定的长度裸露的mRNA间隔，所以多核糖体可在一条mRNA上同时合成几条多肽链。

真核生物的蛋白质合成

真核生物蛋白质合成的起始

真核mRNA无SD序列而在5’端有帽子结构，翻译起始复合物形成于AUG上游的帽子结构

首先在40S亚基的基础上形成43S前起始化合物，这个时候mRNA并未与之结合，然后40S亚基与mRNA的5’帽子结合，并沿5’→3’扫描找到AUG，形成48S前起始复合物，之后在elF5的作用下，48S前起始复合物中的所有elF释出，并与60S大亚基结合，最终形成80S起始复合物（40S亚基-mRNA-Met-tRNAMet-60S亚基）。

肽链的延长和终止

肽链合成的终止仅涉及释放因子(RF)。RF可识别所有的三种终止密码子UAA，UAG和UGA。终止肽链合成。RF活化肽链酰转移酶释放新生肽链后，即从核糖体解离。

肽链的修饰加工和易位

mRNA翻译的多肽大多数为无功能的初级产物，需经折叠、修饰、剪切等加工过程后才具有活性。原核的有些蛋白质要分泌到细胞外，真核的许多蛋白质要易位到细胞器或胞液中。

蛋白质的修饰和肽链的折叠

1、蛋白质的修饰

蛋白质的修饰一般伴随着肽链合成的进行，修饰有利于折叠，也与蛋白质的易位和分泌有关。

多肽链的修饰：

①N-端的Met（fMet）残基，以及有些多肽链N-端的多个残基或C-端的残基都会被切除；

②一些多肽链还要经过一定的剪接；

③氨基酸侧链的修饰：二硫键形成、磷酸化、糖基化、脂化、核糖基化和乙酰化等。

2、蛋白质的折叠

蛋白质的折叠是由多肽链中氨基酸顺序决定的。但环境条件对折叠有影响。肽链折叠与肽链合成同步进行。随着肽链的延伸，空间构象不断调整，最终成为天然态的构象。一些酶和分子伴侣可参与肽链的折叠，分子伴侣（chaperone）是在细胞内有帮助新生肽链的正确折叠、组装和跨膜运输等作用的蛋白质分子。

蛋白质的易位

蛋白质的易位可分为共翻译易位和翻译后易位两种途径

1、共翻译（co-translation）易位

分泌蛋白和跨膜蛋白在合成过程中，N-端都有一段信号肽（signal peptide)序列，它可引导分泌蛋白和跨膜蛋白的肽链通过内质网膜，过膜后则被内质网上的信号肽酶切除。当新生肽链（70个残基左右）从核糖体上伸出，信号肽便被信号识别颗粒(Signal Recognition Particle，SRP，作用是识别信号序列并将核糖体引导到内质网上)识别，SRP与携带新生链的核糖体结合而停止翻译，SRP同时再与内质网上的船坞蛋白(docking protein，DP)结合，翻译阻滞逆转，并使正在延伸的肽链转移到内质网腔内，信号肽被切除。

SRP对翻译起负调节作用具有极重要的生物学意义：

分泌蛋白质中有许多降解酶类，如果出现在胞浆内会造成细胞内的大灾难。通过用SRP暂时中止这些蛋白质的翻译，在信号肽和SRP的共同作用下，使这些分泌蛋白进入膜性腔内，完成转运和分泌。

合成蛋白质的去向：

通过肽链上的一段锚定序列插在膜上，形成膜整合蛋白。少部分留在内质网腔内，大部分在内质网中加工后转入高尔基体，最后转运到细胞其它部位或溶酶体中。

2、翻译后易位

游离核糖体合成的蛋白质前体一般要转运至核或其它细胞器（除溶酶体），被细胞器接受后经折叠加工成结构蛋白。这些蛋白质前体是按其信号序列的不同，在分子伴侣的帮助下，分别转运至不同的细胞器中。

翻译错误

蛋白质不是遗传物质，在某些非重要区域翻译错误并不影响蛋白质的活性

AARS造成的翻译错误

造成翻译错误的原因有tRNA携带了非正确的氨基酸，这是由于AARS的原因引起的

有义密码子的误译

有义密码子的误译是常发生的事，特别在氨基酸饥饿时，误译率可增加10倍

终止密码子的解读

1、无义抑制

没有和终止密码子对应的tRNA，但tRNA的反密码子经过突变而能和终止密码子配对，则有可能读出突变的终止密码子，发生无义抑制。

2、天然tRNA解读终止密码子

3、mRNA引起的误译终止密码子

4、移码误译终止密码子

5、跳读终止密码子

6、UGA的特异解读：UGA解读为氨基酸并非错误翻译，UGA本可能是有义密码子，后因硒蛋白对氧和重金属离子都很敏感，UGA演变为Trp或终止密码子

7、标签肽的生成(peptide tags)

核糖体上的“空闲反应”（idling reaction）

当氨基酸缺乏的时候，未负载的tRNA进入核糖体A位，从而导致产生两种效应

1、空载的tRNA与mRNA密码子结合，从而中止蛋白质合成

2、relA基因开放，生成"紧缩控制"因子(stringent factor，简写为SF)SF属一种核糖体相关蛋白质，SF可促使GTP或GDP与ATP反应，在核糖体工作的"空闲"状态时，合成ppp5'-G-3'pp(鸟苷五磷酸)或pp5'-G-3'pp(鸟苷四磷酸)。当pppGpp(或ppGpp)生成后，即可抑制RNA聚合酶的活性，进一步使rRNA、tRNA的合成下降，多聚核糖体的数量及聚集状态改变

"紧缩控制"的意义在于使细胞不要浪费性地生成过多的核糖体，并通过"开源节流"去维持生存。产生该反应的关键是无负载的tRNA进入A位，而导致核糖体的"空闲"反应所致

蛋白质生物合成抑制剂

翻译抑制剂是人工合成的化合物，但大多数是从多种微生物培养液中提取出的抗生素。某些抗生素能特异地和原核生物核糖体反应

1、嘌呤霉素（puromycin）

能竞争作为转肽反应中氨基酰异常复合体而抑制蛋白质的生物合成

2、链霉素(streptomycin)

链霉素能与30S亚基结合而抑制蛋白质的合成，它结合在30S亚基上时亦能改变氨酰-tRNA在A位点上与其对应的密码子配对的精确性和效率

3、四环素(tetracyclines)

能阻断氨酰-tRNA进入A位点而抑制肽链延长；新生的肽链存留在P位点上，并能与嘌呤霉素相反应

4、氯霉素(chloramphenicol)

氯霉素能阻断70S核糖体中的50S大亚基的肽酰转移酶的活性，从而抑制肽链的延长

5、放线菌酮(cycloheximide)

与氯霉素的作用类似，但它主要作用于真核生物的80S核糖体中的60S亚基

6、红霉素(erythromycin)

与50S大亚基结合，并阻断移位作用因而将肽酰-tRNA"冻结"在A位点上