第十四章蛋白质生物合成

1、下一页上一页上一页下一页章首上一页下一页章首 (一）一）mRNA与遗传信息的传递与遗传信息的传递 (二二) 遗传密码的破译遗传密码的破译 (三三) 遗传密码的特性遗传密码的特性 上一页章首上一页下一页章首 ( (一）一）mRNAmRNA与遗传信息的传递与遗传信息的传递 蛋白质合成的信息来自于蛋白质合成的信息来自于DNA，合成的模板是，合成的模板是mRNA上一页 蛋白质的合成是在核糖体上进行的，而遗传蛋白质的合成是在核糖体上进行的，而遗传信息载体信息载体DNADNA存在于核中，必然有一种中间物存在于核中，必然有一种中间物来传递来传递DNADNA上的信息。推测这种中间物极不稳上的信息。推测这种中间

2、物极不稳定，在蛋白质合成时产生，合成结束后又分解，定，在蛋白质合成时产生，合成结束后又分解，半寿期很短。后来科学家用实验证明这种中间半寿期很短。后来科学家用实验证明这种中间物就是物就是mRNAmRNA。节首章首上一页下一页章首 ( (一）一）mRNAmRNA与遗传信息的传递与遗传信息的传递 上一页 1954 1954年年, ,物理学家物理学家Gamouv GGamouv G首先对遗传密码进行探首先对遗传密码进行探讨。他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨讨。他认为核酸分子中只有四种碱基，显然碱基与氨基酸的关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个基酸的关系不是一对一的关系。若两个碱基决定一个

3、氨基酸只能编码氨基酸只能编码1616种氨基酸，也是不够的；而三个碱种氨基酸，也是不够的；而三个碱基对一个氨基酸，四个碱基可产生基对一个氨基酸，四个碱基可产生6464个密码，足以编个密码，足以编码码2020种氨基酸，所以编码氨基酸的最低碱基数是种氨基酸，所以编码氨基酸的最低碱基数是3 3，即密码子可能是三联体。即密码子可能是三联体。 mRNA上的三个核苷酸决定一个氨基酸上的三个核苷酸决定一个氨基酸节首上一页下一页章首 ( (一）一）mRNAmRNA与遗传信息的传递与遗传信息的传递 上一页 1961 1961年，年，Crick F H CCrick F H C等人用遗传学的方法证等人用遗传学的方法

4、证明了三联密码子的学说是正确的。明了三联密码子的学说是正确的。 遗传学上把由于密码移位而造成的突变称为移遗传学上把由于密码移位而造成的突变称为移码突变码突变在在E.coli的的T4DNA上的一个基因缺失（或增加）上的一个基因缺失（或增加）一个或二个核苷酸会造成缺失（或增加）部位以一个或二个核苷酸会造成缺失（或增加）部位以后的全部氨基酸误译。若同时缺失（或增加）三后的全部氨基酸误译。若同时缺失（或增加）三个核苷酸，前后核苷酸表达仍和正常一样。必须个核苷酸，前后核苷酸表达仍和正常一样。必须假设密码子是三联体才能完满地解释以上这些实假设密码子是三联体才能完满地解释以上这些实验结果。验结果。节首上一页

5、下一页章首 ( (一）一）mRNAmRNA与遗传信息的传递与遗传信息的传递 上一页 生物化学上的证据生物化学上的证据烟草坏死卫星病毒中有一分子烟草坏死卫星病毒中有一分子RNARNA可编码可编码外壳蛋白的一个亚基，此外壳蛋白的一个亚基，此RNARNA由由12001200个核苷个核苷酸组成，而此亚基由酸组成，而此亚基由400400个氨基酸组成，也个氨基酸组成，也由此证明三个核苷酸决定一个氨基酸由此证明三个核苷酸决定一个氨基酸节首上一页下一页章首上一页(二二) 遗传密码的破译遗传密码的破译 遗传密码的概念：遗传密码的概念：mRNA mRNA 上的核苷酸顺序与蛋白质上的核苷酸顺序与蛋白质中的氨基酸之间

6、的对应关系称为中的氨基酸之间的对应关系称为遗传密码遗传密码。mRNAmRNA上每上每三个连续核苷酸对应一个氨基酸，这三个核苷酸就称三个连续核苷酸对应一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个为一个密码子密码子，或，或三联体密码三联体密码（triplet codonstriplet codons）。）。 以下是三个不同的证明遗传密码是三个不同的证明遗传密码是mRNAmRNA上上3 3个连个连续的核苷酸残基构成的实验。续的核苷酸残基构成的实验。 19611961年，年，Nirenberg Nirenberg 等人用大肠杆菌的无细胞体系等人用大肠杆菌的无细胞体系在各种在各种RNARNA的人工模板下合成多肽，

7、从而推断出各氨的人工模板下合成多肽，从而推断出各氨基酸的密码子，后来他与基酸的密码子，后来他与KhoranaKhorana以及霍利分享了以及霍利分享了19681968年诺贝尔生理学奖。年诺贝尔生理学奖。节首上一页下一页章首上一页(二二) 遗传密码遗传密码破译破译的三个实验的三个实验 第一个实验是第一个实验是19611961年由美国的年由美国的M.NirenbergM.Nirenberg等人完成等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核的。他首先利用多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苷酸组成的多核苷酸链, ,用它作模板用它作模板, ,利用大肠杆菌蛋白利用大肠杆菌

8、蛋白提取液和提取液和GTPGTP在体外合成蛋白质。发现多聚在体外合成蛋白质。发现多聚(U)(U)导致多聚导致多聚苯丙苯丙AA的合成的合成, ,表明多聚表明多聚(U)(U)编码多聚编码多聚苯丙苯丙AA ；类似；类似的实验表明的实验表明, ,多聚多聚(A)(A)编码多聚编码多聚赖赖AA；多聚；多聚(C)(C)编码多聚编码多聚脯脯AA( (下图下图A)A)。 第二个实验（核糖体结合技术）是第二个实验（核糖体结合技术）是19641964年也是由美国年也是由美国的的M.NirenbergM.Nirenberg等人完成的。他们首先合成一个已知序列等人完成的。他们首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大

9、肠杆菌核糖体和氨酰的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNAtRNA一一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNAtRNA上连上连接的是那一种氨基酸。该实验接的是那一种氨基酸。该实验对于几种密码编码同一个对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据氨基酸提供了直接的、最好的证据（下图（下图B B）。）。节首上一页下一页章首上一页 第三个实验是由第三个实验是由Jones,KhoranaJones,Khorana等人完成的。他等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序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

10、聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可以生成三种重复的多肽链（下图成，发现可以生成三种重复的多肽链（下图C C）。）。若从若从A A翻译，则合成出多聚异亮翻译，则合成出多聚异亮AAAA，即，即AUCAUC对应异亮对应异亮AA AA ；若从；若从U U翻译，则合成出多聚翻译，则合成出多聚丝丝AAAA ，即，即UCAUCA对应；对应；丝丝AAAA若从若从C C翻译，则合成出多聚组翻译，则合成出多聚组AAAA，即，即CAUCAU对应组对应组AA AA 。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从机地从A A、

11、或、或U U、或、或C C翻译，所以有三种重复的多肽翻译，所以有三种重复的多肽链生成。链生成。(二二) 遗传密码破译的三个实验遗传密码破译的三个实验节首上一页下一页章首上一页(二二) 遗传密码破译的三个实验遗传密码破译的三个实验节首苯丙苯丙赖赖脯脯异亮异亮丝丝组组上一页下一页章首上一页遗传密码表遗传密码表节首上一页下一页章首方向性：方向性：密码子的阅读方向是从密码子的阅读方向是从5 5 3 3简并性和摆动性简并性和摆动性：同一种氨基酸可以由两种或两种以上的：同一种氨基酸可以由两种或两种以上的密码子所决定，这几种密码子称为密码子所决定，这几种密码子称为同义密码子同义密码子。多数情况多数情况下同义

12、密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同，下同义密码子的第一第二个碱基相同，第三个碱基不同，说明密码的专一性主要是由第一第二个碱基决定说明密码的专一性主要是由第一第二个碱基决定.通用性：通用性：无论是病毒、原核细胞，还是真核细胞，使用的无论是病毒、原核细胞，还是真核细胞，使用的都是同一套氨基酸编码方法。都是同一套氨基酸编码方法。不重叠不重叠( (连续性连续性) )：密码间无标点，顺着核苷酸密码间无标点，顺着核苷酸5 5 3 3的的方向一个接一个地阅读。方向一个接一个地阅读。( (三三) ) 遗传密码的特性遗传密码的特性上一页节首上一页下一页章首 与转译相关的生物大分子主要有核糖体和与转译相关

13、的生物大分子主要有核糖体和tRNA两种。两种。上一页上一页下一页章首 核糖体（或称核糖核蛋白体）由蛋白质和核糖体（或称核糖核蛋白体）由蛋白质和rRNArRNA组成。是存组成。是存在于细胞质内的微小颗粒。在于细胞质内的微小颗粒。节首上一页下一页章首原核生物中核糖体与原核生物中核糖体与mRNAmRNA形成多聚核糖体形成多聚核糖体翻译方向翻译方向延长的多肽链延长的多肽链核糖体亚基的引入核糖体亚基的引入上一页节首上一页下一页章首细菌核糖体细菌核糖体真核生物核糖体真核生物核糖体上一页节首上一页下一页章首 核糖体上可区分出核糖体上可区分出4 4个功能部位个功能部位：（1 1）A A部位部位：也称氨基部位或

14、受位，主要位于大亚基上，：也称氨基部位或受位，主要位于大亚基上，是接受氨酰基一是接受氨酰基一tRNAtRNA的部位。的部位。（2 2）P P部位部位：也称肽酰基部位或供位，主要在小亚基上，：也称肽酰基部位或供位，主要在小亚基上，是肽酰基一是肽酰基一tRNAtRNA移交肽链后，移交肽链后，tRNAtRNA释放的部位。释放的部位。（3 3）肽基转移酶部位）肽基转移酶部位：肽基转移酶也称肽合成酶，简：肽基转移酶也称肽合成酶，简称称T T因子，位于大亚基上，其作用是在肽链合成过程中因子，位于大亚基上，其作用是在肽链合成过程中催化氨基酸与氨基酸间形成肽键。催化氨基酸与氨基酸间形成肽键。（4 4）GTPG

15、TP酶部位酶部位：GTPGTP酶也称转位酶，简称酶也称转位酶，简称G G因子，能分因子，能分解解GTPGTP分子，并将肽酰基一分子，并将肽酰基一tRNAtRNA由由A A部位移到部位移到P P部位。部位。上一页节首上一页下一页章首（二）tRNA的反密码子译出mRNA的密码子1 1、tRNAtRNA的活化的活化2 2、tRNAtRNA反密码子与反密码子与mRNAmRNA密码子的识别密码子的识别3 3、蛋白质因子、蛋白质因子节首上一页下一页章首节首上一页下一页章首 aa aatRNAtRNA是在蛋白质因子的作用下，通过是在蛋白质因子的作用下，通过T T CGCG环与核糖体环与核糖体5S rRNA5

16、S rRNA（真核细胞为（真核细胞为5.8S rRNA5.8S rRNA）分子的互补关系而进入核糖体）分子的互补关系而进入核糖体的。但某一特定的。但某一特定aaaatRNAtRNA的进入与否取决于的进入与否取决于aaaatRNAtRNA的反密码子的反密码子与与mRNAmRNA密码子是否能密码子是否能相互识别相互识别。 反密码子与密码子的配对并不十分严格，由于同一种氨基酸反密码子与密码子的配对并不十分严格，由于同一种氨基酸与不同与不同tRNAtRNA结合的现象，所以只是密码子的前两个碱基必需准确结合的现象，所以只是密码子的前两个碱基必需准确配对，而第三个碱基可以错配（摇摆），这就是摇摆学说所要说

17、配对，而第三个碱基可以错配（摇摆），这就是摇摆学说所要说明的现象。明的现象。 近年来，又发现了一种新的现象，如果编码蛋白质的基因近年来，又发现了一种新的现象，如果编码蛋白质的基因发生了点突变，发生了点突变，tRNAtRNA也随着发生突变以校正上述基因的突变，以也随着发生突变以校正上述基因的突变，以合成一条正常的多肽链，这种合成一条正常的多肽链，这种tRNAtRNA叫做校正叫做校正tRNAtRNA，它的作用机制，它的作用机制也是以密码子与反密码子间不十分严密的配对为基础的。也是以密码子与反密码子间不十分严密的配对为基础的。密码子与反密码子的识别节首上一页下一页章首 蛋白质的合成过程可分为蛋白质的

18、合成过程可分为起始起始、延伸和终止延伸和终止三个三个过程，每个过程部有许多蛋白质因子参加。过程，每个过程部有许多蛋白质因子参加。1.1.起始因子：起始因子：蛋白质合成的起始过程是形成核糖蛋白质合成的起始过程是形成核糖体体mRNAtRNAmRNAtRNA三元复合物的过程，必须在蛋白因三元复合物的过程，必须在蛋白因子的帮助下进行。与起始复合物形成有关的所有蛋白子的帮助下进行。与起始复合物形成有关的所有蛋白质因子统称为起始因子。质因子统称为起始因子。2.2.延伸因子：延伸因子：蛋白质合成的延伸过程包括蛋白质合成的延伸过程包括”aa-tRNAaa-tRNA进进入核糖体、肽链形成和移位等过程。在真核细跑

19、中这入核糖体、肽链形成和移位等过程。在真核细跑中这一过程需要一过程需要EFEF1 1和和EFEF一一2 2等延伸因子的作用。等延伸因子的作用。3.3.释放因子：释放因子：当当mRNAmRNA分子上密码子阅读进入终止密码分子上密码子阅读进入终止密码（UAAUAA，UAGUAG，UGAUGA）时，）时，aa-tRNAaa-tRNA不再与核糖体结合，不再与核糖体结合，此时释放因子与终止密码子结合，阻止此时释放因子与终止密码子结合，阻止mRNAmRNA的进一步的进一步阅读。阅读。节首上一页下一页章首上一页下一页章首上一页下一页章首节首上一页下一页章首节首上一页下一页章首原原核核生生物物起起始始复复合合

20、物物的的形形成成节首上一页下一页章首节首上一页下一页章首节首上一页下一页章首节首上一页下一页章首识别识别mRNAmRNA的终止密码的终止密码子，水解所合成肽链子，水解所合成肽链与与tRNAtRNA间的酯键，释间的酯键，释放肽链放肽链R1R1识别识别UAAUAA、UAGUAGR2R2识别识别UAAUAA、UGAUGAR3R3影响肽链的释放速影响肽链的释放速度度节首上一页下一页章首合成肽链的输送：合成肽链的输送：节首上一页下一页章首合成肽链的加工：合成肽链的加工： 1 1、新生多肽、新生多肽N N端氨基酸的除去端氨基酸的除去(Met(Met或或fMetfMet） 2 2、切除新生肽中不必需的肽段、

21、切除新生肽中不必需的肽段3 3、蛋白质中二硫键的形成、蛋白质中二硫键的形成 4 4、多肽中氨基酸侧链的修饰、多肽中氨基酸侧链的修饰 5 5、泛素化作用与不正常多肽的处理、泛素化作用与不正常多肽的处理 节首上一页下一页章首有的蛋白质，如循环系统的蛋白酶或一有的蛋白质，如循环系统的蛋白酶或一些功能蛋白等，其刚合成好的多肽，除些功能蛋白等，其刚合成好的多肽，除切去信号肽外，还需切去过长的末端肽切去信号肽外，还需切去过长的末端肽段或内部的连接肽等，才能成熟为有功段或内部的连接肽等，才能成熟为有功能的蛋白质或酶蛋白能的蛋白质或酶蛋白。 2 2、切除新生肽中不必需的肽段、切除新生肽中不必需的肽段返回上一页下一页章首3 3、蛋白质中二硫键的形成、蛋白质中二硫键的形成 在遗传密码中，人们尚未