13十三蛋白质的生物合成

1、 遗传密码遗传密码 核糖体核糖体 转移转移RNARNA的功能的功能 蛋白质合成的分子机制蛋白质合成的分子机制 真核生物与原核生物蛋白质合成的差异真核生物与原核生物蛋白质合成的差异The life cycle of a protein概述：概述：For eukaryotic genes that yeild protein products, genetic imformation flows from double stranded DNA to single-stranded RNA to protein遗传密码 1961年，Nirenberg等用大肠杆菌无细胞体系，外加20种标记的氨基酸混

2、合物及poly(U)结果合成了苯丙氨酸多聚体，破译了第一个密码子UUU苯丙氨酸。后来，Nirenberg和 Oehoa等又用PolyUC,polyAC为模板合成多肽，统计证明了生物遗传密码是三联密码。后来又发现三个核苷酸即可以和核糖体结合通过测定和核糖体结合的标记氨基酸即可破译所有设计的遗传密码。结果用这些方法破译了所有的遗传密码。UGUGUGUGUGUGUGU三联码应译为两种氨基酸多聚物，实验结果是半胱氨酸和颉氨酸多聚物。若为四联码或两联码则应得单一的氨基酸聚合物。v信使RNA概念的提出：F. Jacob J. Monod 1961年提出mRNA的概念。 mRNA分子中所存储的蛋白质合成信分

3、子中所存储的蛋白质合成信息，是由组成它的四种碱基（息，是由组成它的四种碱基（A、G、C和和U）以特定以特定顺序排列成三个一组的三联体代表的，即每三个碱基顺序排列成三个一组的三联体代表的，即每三个碱基代表一个氨基酸信息。代表一个氨基酸信息。v这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密这种代表遗传信息的三联体称为密码子，或三联体密码子。码子。 v因此因此mRNA分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的分子的碱基顺序即表示了所合成蛋白质的氨基酸顺序。氨基酸顺序。vmRNA的每一个密码子代表一个氨基酸。的每一个密码子代表一个氨基酸。2020种基本氨种基本氨基酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密

4、基酸的三联体密码子都已经确定。此外，还有一个密码子是肽链合成起始密码子码子是肽链合成起始密码子, , 三个是终止密码子，以三个是终止密码子，以保证蛋白质合成能够有序地进行。保证蛋白质合成能够有序地进行。二、遗传密码的基本特性 1、遗传密码是没有标点符号的，因此必须有非常准确的读码起点和终点，按一定的阅读框进行阅读。如果在其中删去一个或两个核苷酸，即可能产生移码突变。 2、在一般情况下，密码是不重叠的。只有少量的噬菌体具有重叠现象。 3、密码的简并性（degeneracy） 大多数氨基酸都具有几组不同的密码子，称此为密码子的简并性。编码同一氨基酸的密码子称为同义密码子，只有色氨酸与甲硫氨酸为单一

5、密码子。 4、密码子的第三位碱基具有较小的专一性，Crick称此为“ 摆动性(wobble)”,其规则为：A-U ；C-G； G-U,C； I-U,C,A ；U-G,C。 5、UAG、UGA、UAA为终止密码子，只被肽链释放因子阅读；AUG既是甲硫氨酸的密码子，又是起始密码子。 6、密码子是通用的，除发现人线粒体中存在非通用密码子以外，所有生物的密码子都是一样的。核糖体是蛋白质合成的部位核糖体是蛋白质合成的部位核糖体的组成和结构核糖体的组成和结构核糖体的功能核糖体的功能第三节 核糖体一、核糖体是蛋白质合成的工厂70S30S50S16S5S23S80S40S60S18S5S28S原核生物核糖体真

6、核细胞核糖体2.1 核糖体是蛋白质合成的部位核糖体是蛋白质合成的部位2.2核糖体的组成和结构核糖体的组成和结构SD-sequenceSD-sequenceSD- sequence三、多聚核糖体（polyribosome）2.3核糖体的功能核糖体的功能是合成蛋白质的机器是合成蛋白质的机器有两个有两个 tRNA的的 结合位点结合位点 : 肽酰结合位点（肽酰结合位点（P位）位） 氨酰接受位（氨酰接受位（A位）位）转移转移RNA的功能的功能四个功能性位点四个功能性位点:3端端-CCA的氨基酸臂的氨基酸臂识别氨酰识别氨酰-tRNA合成酶合成酶的位点的位点核糖体的识别位点核糖体的识别位点反密码子位点反密码

7、子位点转移转移RNATransfer RNAs Have Characteristic Structural Features1.3(-CCA) and 5(pG)2.Maxmum intrachain base pairing (A=U, GC, G=U )3.Cloverleaf like4.Three dimentional structure (twisted L )5.modifyingGeneral structure of all tRNAs.Characteristic and/or invariant residues common to all tRNAs are shad

8、ed in red. Transfer RNAs differ in length, from 73 to 93 nucleotides. Extra nucleotides occur in the extra arm or in the DHU arm.The anticodon loop, which always contains seven unpaired nucleotides. The DHU arm contains up to three DHU residues, depending on the tRNA. In some tRNAs the DHU arm has o

9、nly three hydrogen-bonded base pairs. Pu, purine nucleotide; Py, pyrimidine nucleotide; G*, guanylate or 2-Omethylguanylate. 蛋白质合成的分子机制蛋白质合成的分子机制v 氨基酸的激活氨基酸的激活v 在核糖体上合成多肽在核糖体上合成多肽v 肽链合成后的加工与处理肽链合成后的加工与处理v 蛋白质合成所需的能量蛋白质合成所需的能量v 活性肽合成的特征活性肽合成的特征 蛋白质延伸的方向是从N端到C端。 肽链延长的速度极快，兔网织红细胞一个核糖体合成一条完整的血红蛋白链(146个氨

10、基酸残基)在37C只需要3分钟，大肠杆菌每个核糖体每秒中延伸速度高达20个氨基酸。已经证实，mRNA上的阅读方向是从mRNA的5端向3端进行的。氨基酸在掺入多肽链之前必须活化以获得额外的能量，活化氨基酸在掺入多肽链之前必须活化以获得额外的能量，活化反应是在氨酰反应是在氨酰tRNA合成酶的催化下进行的。该反应在细合成酶的催化下进行的。该反应在细胞浆中进行。活化反应分两步进行：胞浆中进行。活化反应分两步进行： 氨基酰氨基酰-tRNA 合成酶合成酶氨基酸氨基酸+ATP+tRNA+H2O 氨基酰氨基酰-tRNA+AMP+PPi每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰-tRN

11、A合成酶。它合成酶。它既催化氨基酸与既催化氨基酸与ATP的作用的作用,也催化氨基酰基转移到也催化氨基酰基转移到tRNA。氨基酰氨基酰-tRNA合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰合成酶具有高度的专一性。每一种氨基酰-tRNA合成酶只能识别一种相应的合成酶只能识别一种相应的tRNA。 tRNA分子能接受相应的氨基酸分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺序决定于它特有的碱基顺序, 而这种碱基顺序能够被氨基酰而这种碱基顺序能够被氨基酰-tRNA合成酶所识别。合成酶所识别。Aminoacyl-tRNA Synthetases Attach the Correct Amino Acids to T

12、heir tRNAsThe overall reaction catalyzed by these enzymes is First step: Amino acid + ATP aminoacyl-AMP + PPiMg2+Aminoacyl-AMP + tRNA aminoacyl-tRNA + AMPMg2+ Second step四、tRNA在识别密码子上的作用(一) tRNA的接头作用tRNA分子上与多肽链合成有关的位点至少有4个：1、3 端CCA上的氨基酸接受位点；2、识别氨酰tRNA合成酶的位点；3、核糖体识别位点；4、反密码子位点。(二)、tRNA分子的突变与校正基因(supp

13、ressor gene) 有时，生物可能发生致命的突变，例如发生无义突变，则此时如果tRNA基因如果也发生一个突变，识别这个无义突变，从而即可防止蛋白质合成在不该终止的地方终止，并合成一个有活性的多肽，称此为回复突变。在核糖体上合成多肽在核糖体上合成多肽 起始起始 延长延长 终止终止五、大肠杆菌肽链合成的起始(一) 起始密码子和起始信号 1、mRNA上的起始密码子常为AUG，少数为GUG。 2、在mRNA起始密码子上游10个核苷酸的地方往往有一段富含嘌呤的序列，称为Shine-Dalgarno序列，简称SD序列。它和16SrRNA3端有一个互补的序列，它们互相识别，以保证起始的正确性。IF3I

14、F3IF3IF3IF1IF2GTPIF1GTPIF2IF1IF2GDP+P1）核糖体）核糖体30S小亚基附着于小亚基附着于mRNA起始信号部位：原核生物中每一个起始信号部位：原核生物中每一个mRNA都具有其核糖体结合位点，它是位于都具有其核糖体结合位点，它是位于AUG上游上游8-13个核苷酸处的一个短片个核苷酸处的一个短片段叫做段叫做SD序列。这段序列正好与序列。这段序列正好与30S小亚基中的小亚基中的16S rRNA3端一部分序列互端一部分序列互补，因此补，因此SD序列也叫做核糖体结合序列，这种互补就意味着核糖体能选择序列也叫做核糖体结合序列，这种互补就意味着核糖体能选择mRNA上上AUG的

15、正确位置来起始肽链的合成，该结合反应由起始因子的正确位置来起始肽链的合成，该结合反应由起始因子3（IF-3）介导，另外介导，另外IF-1促进促进IF-3与小亚基的结合，故先形成与小亚基的结合，故先形成IF-3-30S亚基亚基-mRNA三元复合物三元复合物 （2）30S前起始复合物的形成：在起始因子前起始复合物的形成：在起始因子2作用下，甲酰蛋氨酰起作用下，甲酰蛋氨酰起 始始tRNA与与mRNA分子中的分子中的AUG相结合，即密码子与反密码子配对，同时相结合，即密码子与反密码子配对，同时IF3从三元复合物中脱落，形成从三元复合物中脱落，形成30S前起始复合物，即前起始复合物，即IF-2-3S亚基

16、亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物，此步需要复合物，此步需要GTP和和Mg2+参与参与 （3）70S起始复合物的形成：起始复合物的形成：50S亚基上述的亚基上述的30S前起始复合物结合，同时前起始复合物结合，同时IF-2脱落，形成脱落，形成70S起始复合物，即起始复合物，即30S亚基亚基-mRNA-50S亚基亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着占据着50S亚基的肽酰位。而亚基的肽酰位。而A位则位则空着有待于对应空着有待于对应mRNA中第二个密码的相应氨基酰中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，从而进入延进入，从而进入延

17、长阶段长阶段 起起 始始起起 始始(图图) 延 长在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位，转肽和移位三个步骤。在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位，转肽和移位三个步骤。（1）为密码子所特定的氨基酸）为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的结合到核蛋白体的A位，称为进位。氨基酰位，称为进位。氨基酰tRNA在进位前需要有三种延长因子的作用，即，热不稳定的在进位前需要有三种延长因子的作用，即，热不稳定的EF（Unstable temperature,EF）EF-Tu,热稳定的热稳定的EF(stable temperature EF,EF-Ts)以及依赖以及依赖GTP的转位因子。的转位因子

18、。EF-Tu首先与首先与GTP结合，然后再与氨基酰结合，然后再与氨基酰tRNA结合成三元复合物，这样的三元复合物才能进结合成三元复合物，这样的三元复合物才能进入入A位。此时位。此时GTP水解成水解成GDP，EF-Tu和和GDP与结合在与结合在A位上的氨基酰位上的氨基酰tRNA分离分离（2）转肽）转肽-肽键的形成（肽键的形成（peptide bond formation）在在70S起始复合物形成过程中，核起始复合物形成过程中，核糖核蛋白体的糖核蛋白体的P位上已结合了起始型甲酰蛋氨酸位上已结合了起始型甲酰蛋氨酸tRNA，当进位后，当进位后，P位和位和A位上各结合位上各结合了一个氨基酰了一个氨基酰t

19、RNA，两个氨基酸之间在核糖体转肽酶作用下，两个氨基酸之间在核糖体转肽酶作用下，P位上的氨基酸提供位上的氨基酸提供-COOH基，与基，与A位上的氨基酸的位上的氨基酸的-NH2形成肽键，从而使形成肽键，从而使P位上的氨基酸连接到位上的氨基酸连接到A位氨位氨基酸的氨基上，这就是转肽。转肽后，在基酸的氨基上，这就是转肽。转肽后，在A位上形成了一个二肽酰位上形成了一个二肽酰tRNA。（3 ）移位（）移位（Translocation)转肽作用发生后，氨基酸都位于转肽作用发生后，氨基酸都位于A位，位，P位上无负荷氨基酸位上无负荷氨基酸的的tRNA就此脱落，核蛋白体沿着就此脱落，核蛋白体沿着mRNA向向3端

20、方向移动一组密码子，使得原来结合端方向移动一组密码子，使得原来结合二肽酰二肽酰tRNA的的A位转变成了位转变成了P位，而位，而A位空出，可以接受下一个新的氨基酰位空出，可以接受下一个新的氨基酰tRNA进入进入，移位过程需要，移位过程需要EF-2，GTP和和Mg2+的参加。的参加。大肠杆菌肽链的延伸Ts-TuGTPTu-GTPTsAa-tRNATu-GTP-aa-tRNA肽酰tRNA氨酰tRNATu-GTPGDPTu和Ts是延伸因子EFTu 和EFTs延延 长长(图图)Elongation Factor Tu-GTP complexEFGEFGGTPGDP+PiEFG即延伸因子G也称为移位酶终终

21、 止止 肽链合成的终止(termination)包括两步： 1、对mRNA上终止信号的识别； 2、肽酰tRNA酯键的水解。 mRNA上的肽链合成终止密码子是：UAA,UAG,UGA。有3种蛋白因子：RF1、 RF2、 RF3参与该过程。 RF1用于识别终止密码子UAA、UAG， RF2帮助识别UAA、UAG。 RF3不识别终止密码子，主要是协助肽的释放。一旦tRNA从核糖体上脱落，则核糖体立即离开mRNA，并解离成50S和30S亚基，核糖体可以重复使用。 论原核生物还是真核生物都有三种终止密码子论原核生物还是真核生物都有三种终止密码子UAG，UAA和和UGA。没有一个没有一个tRNA能够与终止

22、密码子作用能够与终止密码子作用，而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。这类蛋白，而是靠特殊的蛋白质因子促成终止作用。这类蛋白质因子叫做释放因子，原核生物有三种释放因子：质因子叫做释放因子，原核生物有三种释放因子：RF1，RF2T RF3。RF1识别识别UAA和和UAG，RF2识别识别UAA和和UGA。RF3的作用还不明确。真核生物中只有的作用还不明确。真核生物中只有一种释放因子一种释放因子eRF，它可以识别三种终止密码子。它可以识别三种终止密码子。 不管原核生物还是真核生物，释放因子都作用于不管原核生物还是真核生物，释放因子都作用于A位点位点，使转肽酶活性变为水介酶活性，将肽链从结合在核，使转肽

23、酶活性变为水介酶活性，将肽链从结合在核糖体上的糖体上的tRNA的的CCA末凋上水介下来，然后末凋上水介下来，然后mRNA与与核糖体分离，最后一个核糖体分离，最后一个tRNA脱落，核糖体在脱落，核糖体在IF-3作用作用下，解离出大、小亚基。解离后的大小亚基又重新参下，解离出大、小亚基。解离后的大小亚基又重新参加新的肽链的合成，循环往复，所以多肽链在核糖体加新的肽链的合成，循环往复，所以多肽链在核糖体上的合成过程又称核糖体循环（上的合成过程又称核糖体循环（ribosome cycle）。终终 止止(图图)肽链合成后的加工与处理肽链合成后的加工与处理 N端甲硫氨酸（原核生物：甲酰甲硫氨酸）的切除端甲

24、硫氨酸（原核生物：甲酰甲硫氨酸）的切除 信号肽的切除信号肽的切除 特定氨基酸的磷酸化、乙酰化等特定氨基酸的磷酸化、乙酰化等 二硫键的形成二硫键的形成 羟赖氨酸、羟脯氨酸的形成羟赖氨酸、羟脯氨酸的形成 蛋白的修饰蛋白的修饰 新生肽与辅因子的连接新生肽与辅因子的连接 新生多肽的折叠（分子伴侣）新生多肽的折叠（分子伴侣）上述只是单个核糖体的翻译过程，事实上在细胞内一条上述只是单个核糖体的翻译过程，事实上在细胞内一条mRNA链上结链上结合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核合着多个核糖体，甚至可多到几百个。蛋白质开始合成时，第一个核糖体在糖体在mRNA的起始部位结合，引入第一个蛋

25、氨酸，然后核糖体向的起始部位结合，引入第一个蛋氨酸，然后核糖体向mRNA的的3端移动一定距离后，第二个核糖体又在端移动一定距离后，第二个核糖体又在mRNA的起始部位的起始部位结合，现向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，结合，现向前移动一定的距离后，在起始部位又结合第三个核糖体，依次下去，直至终止。两个核糖体之间有一定的长度间隔，每个核糖依次下去，直至终止。两个核糖体之间有一定的长度间隔，每个核糖体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条体都独立完成一条多肽链的合成，所以这种多核糖体可以在一条mRNA链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率链上同时合成多条相同的多肽链，这就大大提高了翻译的效率。多核糖体的核糖体个数，与模板多核糖体的核糖体个数，与模板mRNA的长度有关，例如血红蛋白的的长度有关，例如血红蛋白的多肽链多肽链mNRA编码区有编码区有450个核苷酸组成，长约个核苷酸组成，长约150nm 。上面串连有上面串连有5-6个核糖核蛋白体形成多核糖体。而肌凝蛋白的重链个核糖核蛋白体形成多核糖体。而肌凝蛋白的重链mRNA由由5400个核个核苷酸组成，它由苷酸组成，它由60多个核糖体构成多核糖体完成多肽链的合成。多个核糖体构成多核糖体完成多肽链的合成