蛋白质的合成+

1、生物信息的传递（下）生物信息的传递（下）从从mRNA到蛋白质到蛋白质在真核生物中，在真核生物中，mRNA是在细胞核中合成的，是在细胞核中合成的，而蛋白质合成发生在细而蛋白质合成发生在细胞质中，是通过细胞质胞质中，是通过细胞质中游离的核糖体，或是中游离的核糖体，或是通过与内质网相连的核通过与内质网相连的核糖体合成的糖体合成的在细菌中，转录和在细菌中，转录和翻译是耦联在一起翻译是耦联在一起的。的。细菌细菌真真核核生生物物内内 容容第一节第一节 蛋白质合成体系蛋白质合成体系 第二节第二节 蛋白质合成过程蛋白质合成过程 第三节第三节 蛋白质合成后蛋白质合成后的的输送输送 蛋白质合成体系蛋白质合成体系第

2、一节第一节参与蛋白质生物合成的物质包括：参与蛋白质生物合成的物质包括：l 三种三种RNAmRNA（是蛋白质合成的直接模板是蛋白质合成的直接模板）tRNA（专一运送氨基酸至专一运送氨基酸至mRNA并与密码子配对并与密码子配对）rRNA（与蛋白质构成核糖核蛋白体，是蛋白质合成的场与蛋白质构成核糖核蛋白体，是蛋白质合成的场所所）一、蛋白质合成场所的确定一、蛋白质合成场所的确定 20世纪五十年代，世纪五十年代，Paul Zamecnik 等给小白鼠注射带放射性标记的等给小白鼠注射带放射性标记的氨基酸，然后在不同时间取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心、检测发现氨基酸，然后在不同时间取小白鼠的肝脏，经匀浆、离心

3、、检测发现注射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒上，几小时或几天后注射的氨基酸几分钟后出现在核糖核蛋白体颗粒上，几小时或几天后所有的亚细胞成分都含有放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖所有的亚细胞成分都含有放射性标记。这证明蛋白质的合成是在核糖体上进行的。体上进行的。二、二、 蛋白质合成所需蛋白质合成所需mRNAn遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。n原核原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白质，为可编码几种功能相关的蛋白质，为

4、多顺反子多顺反子(polycistron)。n真核真核mRNA只编码一种蛋白质，为只编码一种蛋白质，为单顺反子单顺反子(single cistron) 。（一（一）遗传密码是三联体密码遗传密码是三联体密码mRNA上每上每3个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这酸，这3个核苷酸就称为三联体密码个核苷酸就称为三联体密码(triplet coden) 。翻。翻译时从起始密码子译时从起始密码子AUG开始，开始，沿沿mRNA53的方向的方向连续连续阅读直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。阅读直到终止密码子，生成一条具有特定序列的多肽链。（b）结合核糖

5、体的研究）结合核糖体的研究第一个实验是第一个实验是1961年由美国的年由美国的M. Nirenberg完成。他首先利用多核完成。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和板，利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。在体外合成蛋白质。编码多聚编码多聚 Phe；编码多聚编码多聚 Lys；编码多聚编码多聚 Pro。 第二个实验是第二个实验是1964年也是由年也是由美国的美国的M. Nirenberg完成的。他首先完成的。他首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，合成一个已知序列

6、的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的聚体结合的tRNA上连接的是那一种上连接的是那一种氨基酸。氨基酸。 该实验对于几种密码编码同一该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据个氨基酸提供了直接的、最好的证据第三个实验是由第三个实验是由Jones Khorana等人完成的。等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可生成三种在体外进

7、行蛋白质合成，发现可生成三种重复的多肽链。重复的多肽链。 若从若从U翻译，则合成出多聚翻译，则合成出多聚 Ser，即，即UCA对应对应 Ser；这是因为这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或、或U、或、或C翻译，所以有三种重复的多翻译，所以有三种重复的多肽链生成。肽链生成。通过通过Nirenberg和和Khorana两位科学家的辛勤工作，于两位科学家的辛勤工作，于1966年全部密码年全部密码都被破译。共有都被破译。共有64个密码，其中个密码，其中61个密码是编码氨基酸的，其余个密码是编码氨基酸的，其余3种是种是终止密码。终止密码。遗传密码表遗传密

8、码表氨基酸中英文对照及缩写氨基酸中英文对照及缩写 酪 lo；缬 xi （二）遗传密码的特点：（二）遗传密码的特点： 1. 简并性简并性(degeneracy) 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有其余氨基酸有2、3、4个或多至个或多至6个三联体为其编码。个三联体为其编码。 意义：密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。意义：密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。2.通用性通用性(universal)n蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。 n已发现少数

9、例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。体。n密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。 3.摆动性摆动性(wobble) 密码和反密码之间碱基配对规则一般为密码和反密码之间碱基配对规则一般为A与与U配对，配对，G与与C配对，并且配对，并且配对区内的链是反平行的，但实际上存在某些变通性。配对区内的链是反平行的，但实际上存在某些变通性。Crick将这种将这种变通性称之变通性称之“ 摆动摆动” 。因此反密码的。因此反密码的5位有时也称为摆动位置。下位有时也称为摆动位置。下表给出了反密码的表给出了

10、反密码的5（摆动）位和（摆动）位和mRNA的的3位之间的碱基配对原则。位之间的碱基配对原则。结果：一种结果：一种tRNA能与多个一二位相同的三联体密码配对（简并密码子）能与多个一二位相同的三联体密码配对（简并密码子）tRNA反密码子反密码子5位碱基位碱基mRNA密码子密码子3碱基碱基次黄嘌呤核苷酸（次黄嘌呤核苷酸（I）常）常常出现在常出现在tRNA的的5（摆（摆动）位，动）位，I可以与可以与U，C和和A形成氢键形成氢键 带有反密码子带有反密码子IGC的的tRNAAla分子可以与特异分子可以与特异编码编码Ala的三个密码的三个密码（GCU，GCC，GCA）中）中的任一个结合的任一个结合 64个密

11、码中有个密码中有61个密码编码氨基酸，余下的个密码编码氨基酸，余下的3个密码个密码（UAA，UGA，和，和UAG）为终止密码。）为终止密码。 终止密码一般不能被任何终止密码一般不能被任何tRNA分子识别，分子识别，但能被特殊的蛋白质识别，引起新合成的肽链从但能被特殊的蛋白质识别，引起新合成的肽链从翻译机器上脱落。翻译机器上脱落。终止密码终止密码n甲硫氨酸密码甲硫氨酸密码AUG也常常充当蛋白质合成的起始密码，所也常常充当蛋白质合成的起始密码，所以常称以常称AUG为起始密码。为起始密码。n This codon has two important functions. nFirst, it spe

12、cifies the first amino acid to be incorporated into the growing polypeptide chain. nSecond, it defines the reading frame for all subsequent codons.Three possible reading frames of the E. coli trp leader sequence. Start codons are shaded in green and stop codons are shaded in red. The amino acid sequ

13、ence of the encoded sequence is indicated in the single letter code below each codon.reading frame开放阅读框架开放阅读框架open reading frame, ORFn从从mRNA 5 端起始密码子端起始密码子AUG到到3 端终止密码子端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列连续排列编编码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架码一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。tRNA分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的

14、翻译，是分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译，是mRNA的核苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之间的桥梁。的核苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之间的桥梁。每一个细胞内至少含有每一个细胞内至少含有20种种tRNA（一种氨基酸对应一种（一种氨基酸对应一种tRNA），就是说每种），就是说每种tRNA应当能够至少识别一个应当能够至少识别一个mRNA密码，才能满足它作为适配器的作用。密码，才能满足它作为适配器的作用。（一）（一） tRNA的三叶草型二级结构的三叶草型二级结构最早确定的最早确定的tRNA结构是丙氨酸结构是丙氨酸-tRNA，是由，是由Holley确定的。确定的。（二）（二）tRNA的的L形三级

15、结构形三级结构Conversion between the cloverleaf and the actual three-dimensional structure of a tRNA. (a) Cloverleaf representation, (b) L-shaped representation showing the location of the base-paired regions of the final folded tRNA. (c) Ribbon representation of the actual folded structure of a tRNA. （三）氨

16、酰（三）氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸结合在合成酶催化氨基酸结合在tRNA分子上分子上n一个特定的氨基酸经酶催化可以连接到相应的一个特定的氨基酸经酶催化可以连接到相应的tRNA分子的分子的3端上，端上，该酶称为该酶称为氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶，。nAA-tRNA合成酶既要能识别合成酶既要能识别tRNA，又要能识别氨基酸，氨酰，又要能识别氨基酸，氨酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。氨基酰都有高度特异性。氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性合成酶具有校正活性(proofreading activity) ，将错配的进行校正。将错配的进行校正。n蛋白质合

17、成的精确度依赖于氨酰蛋白质合成的精确度依赖于氨酰-tRNA合成酶催化正确的氨基酸连合成酶催化正确的氨基酸连接到相应的接到相应的tRNA分子上。氨酰分子上。氨酰-tRNA合成酶会引入两种错误：合成酶会引入两种错误： 一种是将错误的氨基酸加在正确的一种是将错误的氨基酸加在正确的tRNA上；另一种是将正确的氨基上；另一种是将正确的氨基酸加在错误的酸加在错误的tRNA上。前者现错的可能性更大。上。前者现错的可能性更大。 ntRNA molecules to which an amino acid is attached are said to be charged, and tRNAs that la

18、ck an amino acid are said to be uncharged. tRNAs are charged by the attachment of an amino acid to the 3 terminal adenosine nucleotide via a high-energy acyl linkage .一个成熟的一个成熟的tRNA分子的分子的3端的端的核苷酸序列总是核苷酸序列总是5-CCA-3，一，一个特异的氨基酸通过它的羧基与个特异的氨基酸通过它的羧基与tRNA的核苷酸残基的核苷酸残基3 端的端的2或或3羟基形成的共价键连接在羟基形成的共价键连接在tRNA分子上

19、。分子上。tRNA的氨酰化是通过两步反应的氨酰化是通过两步反应完成的。完成的。The two steps of aminoacyl-tRNA charging (a) Adenylylation of amino acid. The two steps of aminoacyl-tRNA charging (b) Transfer of the adenylylated amino acid to tRNA. 核糖体由一个大亚核糖体由一个大亚基和一个小亚基组成的。基和一个小亚基组成的。E.coli中的小亚基是中的小亚基是30S亚基；而大亚基是亚基；而大亚基是50S亚基。在蛋白质合成期间，两个亚

20、基结合形成一个亚基。在蛋白质合成期间，两个亚基结合形成一个70S核糖体。核糖体。Sedimentation by ultracentrifugation to separate individual ribosome subunits and the full ribosome. 31Composition of the prokaryotic and eukaryotic ribosomes. The rRNA and protein composition of the different submits are indicated. The sizes of the rRNA and t

21、he number of proteins are indicated.nFor translation to occur, the ribosome must be recruited to the mRNA. nTo facilitate binding by a ribosome, many prokaryotic open-reading frames contain a short sequence upstream (on the 5 side) of the start codon called the ribosome binding site (RBS). nThis ele

22、ment is also referred to as a Shine-Dalgarno sequence after the scientist who discovered it on the basis of comparing the sequences of multiple mRNAs. Structure of messenger RNA. (a) A polycistronic prokaryotic message. The ribosome binding site is indicated by RBS. (b) A monocistronic eukaryotic me

23、ssage. The 5 cap is indicated by a ball at the end of the mRNA.The ribosome has three tRNA binding sites. The schematic illustration of the ribosome shows the three binding sites (E, P, and A) that span the two subunits.核糖体的核糖体的A位与位与P位：位：P位和位和A位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。位，二者紧密连接，各占一个密码子的距离。n P：结合起始的氨酰：结合起始

24、的氨酰-tRNA和肽酰和肽酰-tRNA，n A：结合新掺入的氨酰：结合新掺入的氨酰- tRNA。 P位上肽酰位上肽酰- tRNA上的羧基与进入上的羧基与进入A位的氨酰位的氨酰- tRNA上的氨基形成新上的氨基形成新的肽键的肽键P位上位上tRNA卸下肽链成为无负载的卸下肽链成为无负载的tRNA核糖体核糖体移动一个移动一个密码子的距离，密码子的距离，A位上的肽酰位上的肽酰- tRNA又回到又回到P位，位，A位又空，再进行位又空，再进行下一次循环。下一次循环。原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式原核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:蛋白质生物合成过程蛋白质生物合成过程第二节第二节蛋白质的合成机制是最复杂

25、的生物合成机制蛋白质的合成机制是最复杂的生物合成机制:真核细胞中，蛋白质的合成需要：真核细胞中，蛋白质的合成需要：n 70种以上的核糖体蛋白参与；种以上的核糖体蛋白参与；n 多于多于二十种二十种的酶来激活氨基酸；的酶来激活氨基酸；n 12种或更多的辅酶和其它专一性的蛋白因子来进行肽链合成的起始、种或更多的辅酶和其它专一性的蛋白因子来进行肽链合成的起始、延伸、和终止；延伸、和终止；n 一百多种一百多种酶参与各类蛋白的最后修饰；酶参与各类蛋白的最后修饰；n 还需要多于还需要多于四十种四十种的的tRNA和核糖体和核糖体RNA。n共有共有300多种不同的生物大分子参与且协同地工作来合成多肽。多种不同的

26、生物大分子参与且协同地工作来合成多肽。整个翻译过程可分为整个翻译过程可分为 ：翻译过程从阅读框架的翻译过程从阅读框架的5 -AUG开始，按开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。至终止密码出现。 Overview of the events of translation一、原核生物的翻译过程：一、原核生物的翻译过程： （一）（一） 起始阶段起始阶段1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2.mRNA与小亚基结合；与小亚基结合；3.起始氨基酰起始氨基酰-tRNA与小亚基结合；与小亚基结合； 4.核蛋白体大亚基结合；核蛋白体大亚基结合

27、；An overview of the events of translation initiationThe 16S rRNA interacts with the ribosome binding site to position the AUG in the P site. IF-11. 核蛋白体大小亚基分离核蛋白体大小亚基分离A U G53IF-3IF-12. mRNA与小亚基结合与小亚基结合-IF-3IF-1IF-2GTP3. 起始氨基酰起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )与小亚基结合与小亚基结合A U G53IF-3IF-1IF-2GTPGDPPi4. 核蛋白体大亚

28、基结合，起始复合物形成，释放起始因子核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成，释放起始因子A U G53A summary of translation initiation in prokaryotes.A summary of translation initiation in prokaryotes.（二）（二） 延长阶段延长阶段肽链延长包括以下三步：肽链延长包括以下三步：1.进位进位(entrance)2.成肽成肽(peptide bond formation)3.转位转位(translocation)原核延长原核延长因子因子生物功能生物功能对应真核延对应真核延长因子长因子EF-Tu促进氨基

29、酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，位，结合分解结合分解GTPEF-1-EF-Ts调节亚基调节亚基EF-1-EFG有转位酶活性，促进有转位酶活性，促进mRNA-肽酰肽酰-tRNA由由A位前移到位前移到P位，位，促进卸载促进卸载tRNA释放释放EF-2肽链合成的延长因子肽链合成的延长因子 1.进位进位指根据指根据mRNA下一下一组遗传密码指导，使相组遗传密码指导，使相应氨基酰应氨基酰-tRNA进入核进入核蛋白体蛋白体A位。位。EF-Tu escorts aminoacyl-tRNA to the A site of the ribosome. Charged tRNAs are bound to

30、 EF-Tu-GTP as they first interact with the A site of the ribosome. When the correct codon-anticodon interaction occurs, EF-Tu interacts with the factor binding center, hydrolyzes its bound GTP and is released from the tRNA and the ribosome.Tu TsGTPGDPA U G53TuTsThree mechanisms to ensure correct pai

31、ring between the tRNA and the mRNA. (a) Additional hydrogen bonds are formed between two adenine residues of the 16S rRNA and the minor groove of the anticodon-codon pair only when they are correctly base-paired.Three mechanisms to ensure correct pairing between the tRNA and the mRNA. (b) Correct ba

32、se-pairing allows EF-Tu bound to the aminoacyl-tRNA to interact with the factor binding center inducing GTP hydrolysis and EF-Tu release 2.成肽是由转肽酶是由转肽酶(transpeptidase)催化的肽键形成过程。催化的肽键形成过程。具有转肽酶活性的是大亚基中的具有转肽酶活性的是大亚基中的23sRNA(核酶核酶)The peptidyl transferase reaction 3.转位fMetA U G53fMetTuGTP目目 录录进进位位转转位位成肽

33、成肽Summary of the steps of translocation（三）终止阶段（三）终止阶段终止相关的蛋白因子称为释放因子终止相关的蛋白因子称为释放因子 (release factor, RF) 。原核生物释放因子包括：。原核生物释放因子包括： RF-1，RF-2，RF-3 识别终止密码，如识别终止密码，如RF-1特异识别特异识别UAA、UAG；而；而RF-2可识别可识别UAA、UGA。 诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋诱导转肽酶改变为酯酶活性，使肽链从核蛋白体上释放。白体上释放。 释放因子的功能释放因子的功能原原核核肽肽链链合合成成终终止止过过程程 U A G53RFCOO-目目 录录二、真核生物的翻译过程：二、真核生物的翻译过程：（一）（一） 起始阶段起始阶段1.核蛋白体大小亚基分离；核蛋白体大小亚基分离；2.起始氨酰起始氨酰-tRNA(Met-tRNA)与小亚基结合与小亚基结合3.mRNA在核蛋白体小亚基就位；在核蛋白体小亚基就位；4.核蛋白体大亚基结合；核蛋白体大亚