第五章 蛋白合成(一)

1、BAG-TJU人工基因组的设计与合成人工基因组的设计与合成李炳志2014-03BAG-TJU中心法则蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制DNADNARNARNA复制复制BAG-TJU温故温故 知新知新BAG-TJU第五章第五章 蛋白合成蛋白合成李炳志2014-03BAG-TJU第五章 蛋白合成（一） 蛋白合成的基本概念 密码子 核糖体 tRNA 蛋白质因子BAG-TJU5.15.1蛋白质蛋白质生物合成的概念生物合成的概念蛋白质蛋白质生物合成生物合成(protein biosynthesis)(protein biosynthesis)也称也称翻译翻译(translation)(trans

2、lation)，是生物细胞以，是生物细胞以mRNAmRNA为模板，为模板，按照按照mRNAmRNA分子中核苷酸的排列顺序所分子中核苷酸的排列顺序所组成的密码信息合成蛋白质的过程。组成的密码信息合成蛋白质的过程。 n定义定义BAG-TJUmRNAmRNA是蛋白质生物合成的直接模板是蛋白质生物合成的直接模板nmRNAmRNA的基本结构的基本结构Start of genetic messageStart of genetic messageCapCapEndEndTailTail5-5-端非翻译区端非翻译区 5 5 3 3 3-3-端非翻译区端非翻译区 开放阅读框架开放阅读框架 从从mRNA 5mR

3、NA 5 - -端起始密码子端起始密码子AUGAUG到到3 3 - -端终止密码端终止密码子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架子之间的核苷酸序列，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)(open reading frame, ORF)。BAG-TJU原核生物的多顺反子原核生物的多顺反子真核生物的单顺反子真核生物的单顺反子非编码序列非编码序列核蛋白体结合位点核蛋白体结合位点起始密码子起始密码子终止密码子终止密码子编码序列编码序列PPPPPP5 5 3 3 蛋白质蛋白质PPPPPPm mG -G -5 5 3 3 蛋白质蛋白质AAA AAA BAG-TJU 遗传密码遗传

4、密码 (genetic code): (genetic code): DNA DNA（或（或mRNAmRNA）中核苷酸序列与蛋白质中氨基）中核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系。酸序列之间的对应关系。 密码子密码子( (codoncodon) )： mRNAmRNA上每上每3 3个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基酸，个相邻核苷酸编码多肽链中一个氨基酸，这三个核苷酸称这三个核苷酸称一个密码子或三联体密码一个密码子或三联体密码。5.25.2密码子密码子BAG-TJU（1 1）19541954年年GamowGamow首先对遗传密码进行了探讨；首先对遗传密码进行了探讨； （2 2）1961196

5、1年年Crick Crick 证明三联体密码子是正确的；证明三联体密码子是正确的；（3 3）19611961年，年，NirenbergNirenberg以均聚物、随机共聚物、以均聚物、随机共聚物、特定序列的共聚物作模板合成多肽，破译遗特定序列的共聚物作模板合成多肽，破译遗传密码；传密码；（4 4）19641964年年Nirenberg Nirenberg 用核糖体结合技术研究遗用核糖体结合技术研究遗传密码，传密码，直接测出三联体对应的氨基酸直接测出三联体对应的氨基酸；（5 5）到）到19661966年，遗传密码全部破译。年，遗传密码全部破译。 遗传密码遗传密码破译简史破译简史BAG-TJU密码

6、子是三联体的推测密码子是三联体的推测 1954年俄裔美国大爆炸理论物理学家伽莫夫（G.Gamow）提出遗传密码的构想，认为在的双螺旋结构中，四个碱基中由三个碱基决定一种氨基酸，因为氨基酸有20种. 一个碱基决定一种氨基酸时只能决定41 = 4种 两个碱基决定一个氨基酸时只能决定42=16种 三个碱基决定一个氨基酸时能决定43=64种 四个碱基决定一个氨基酸时能决定44=256种BAG-TJU 遗传密码遗传密码是三联体的证实是三联体的证实 19611961年，克里克与布伦纳合作，利用大肠杆菌的年，克里克与布伦纳合作，利用大肠杆菌的T T4 4 噬菌体作实验。噬菌体作实验。 T4T4噬菌体噬菌体r

7、 r+ +：能在大肠杆菌能在大肠杆菌B B菌株生长形成嗜菌斑菌株生长形成嗜菌斑 能在大肠杆菌能在大肠杆菌K K菌株上生长形成嗜菌斑菌株上生长形成嗜菌斑 T4T4噬菌体噬菌体 r r: : 不能在不能在K K菌株上生长，不形成嗜菌斑菌株上生长，不形成嗜菌斑 用可以引起移码突变的丫啶类药物处理野生型噬菌用可以引起移码突变的丫啶类药物处理野生型噬菌 体，在此噬菌体体，在此噬菌体DNADNA发生缺失发生缺失1 1个、个、2 2个、个、3 3个或插入个或插入1 1 个、个、2 2个、个、3 3个核苷酸的各种突变类型个核苷酸的各种突变类型BAG-TJU 1 1、缺失一个核苷酸时、缺失一个核苷酸时 在在K

8、K菌株上不生长菌株上不生长 ABC ABABC ABC C ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABA BCA BCA BCA BCA BC ABC ABA BCA BCA BCA BCA BC 插入一个核苷酸时插入一个核苷酸时 在在K K菌株上不生长菌株上不生长 ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC C CAB CAB CAB CAB CAB C AB CAB CAB CAB CAB C 2 2、缺失两个核苷酸时、缺失两个核苷酸时 在在K

9、 K菌株上不生长菌株上不生长 ABC ABABC ABC C A ABC ABC ABC ABCBC ABC ABC ABC ABC ABB CAB CAB CAB C ABC ABB CAB CAB CAB C 插入两个核苷酸时插入两个核苷酸时 在在K K菌株上不生长菌株上不生长 ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC C CAB CAB CAB CAB CC CA BCA BCA BCA BCA BCA BCBAG-TJU 3 3 、缺失三个核苷酸时、缺失三个核苷酸时 在在K K菌株上生长

10、（拟野生型）菌株上生长（拟野生型） ABC ABABC ABC C AB ABC C AB ABC C ABC ABC ABC ABC ABC ABA BAB ABC ABC ABC ABA BAB ABC ABC 插入三个核苷酸时插入三个核苷酸时 在在K K菌株上生长（拟野生型）菌株上生长（拟野生型） ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABCABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC ABC C CAB CAB CAB CAB CC CA BCA BCC C ABC ABC ABC ABC 为四联体时为四联体时 插入三个核苷酸则不在插入三个核

11、苷酸则不在K K菌株上生长菌株上生长 ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCDABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD ABCD D DABC DABC DABC DABC DD DAB CDAB CDD DA A BCDA BCD BCDA BCD 以上实验证明遗传密码是三联体，因为，若是二联以上实验证明遗传密码是三联体，因为，若是二联 体时，缺失或插入三个核苷酸时不会成为拟野生型体时，缺失或插入三个核苷酸时不会成为拟野生型 的的 ，既不能在，既不能在K K菌株上生长菌株上生长BAG-TJU（b b）结合核糖体的研究）结合核糖

12、体的研究BAG-TJU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等人完成的。他等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合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成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和用大肠杆菌蛋白提取液和GTPGTP在体外合成蛋白质。在体外合成蛋白质。多聚（多聚（U U）编码多聚）编码多聚 PhePhe；多聚（多聚（A A）编码多聚）编码多聚 LysLys；多聚（多聚（C C）编码多聚）编码多聚 ProPro。BAG-TJU 第二个实验是第二

13、个实验是19641964年年也是由美国的也是由美国的M. NirenbergM. Nirenberg等等人完成的。他们首先合成一个人完成的。他们首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNAtRNA一起温育。由此确定与已一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的知核苷酸三聚体结合的tRNAtRNA上上连接的是那一种氨基酸。连接的是那一种氨基酸。 该实验对于几种密码该实验对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的的、最好的证据。证据。BAG-TJU第三个实验是由第三个实验是由Jones,Kh

14、oranaJones,Khorana等人等人完成的。他们利用有机化学和酶法制完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可生成三种重复的多肽链。合成，发现可生成三种重复的多肽链。 若从若从U U翻译，翻译，则合成出多聚则合成出多聚 SerSer，即，即UCAUCA对应对应 SerSer；这是因为体外合成是这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从无调控的合成，可以随机地从A A、或、或U U、或或C C翻译，所以有三种重复的多肽链翻译，所以有三种重复的多肽链生成。生成

15、。BAG-TJU通过通过NirenbergNirenberg和和KhoranaKhorana两位科学家的辛勤工作，于两位科学家的辛勤工作，于19661966年全部密码都年全部密码都被破译。共有被破译。共有6464个密码，其中个密码，其中6161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 3种是终止种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。BAG-TJUn遗传密码的特点遗传密码的特点1. 1. 方向性方向性(directional)(directional)翻译时遗传密码的阅读方向是翻译时遗传密码的阅读方向是5353，即读码从即读码从mRNAmRNA的起

16、始密码子的起始密码子AUGAUG开始，按开始，按5353的方向逐一阅读，直至终止密码子。的方向逐一阅读，直至终止密码子。 NC肽链延伸方向肽链延伸方向53读码方向读码方向BAG-TJU2. 2. 连续性连续性(non-punctuated)(non-punctuated)编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。既无间隔也无交叉。 AlaValHisMet终止密码终止密码BAG-TJU基因损伤引起基因损伤引起mRNAmRNA阅读框架内的碱基发生阅读框架内的碱基发生插入或缺失，

17、可能导致插入或缺失，可能导致框移突变框移突变(frameshift (frameshift mutation)mutation)。缬缬 脯脯 苏苏 天冬天冬缬缬 丙丙 酪酪 甘甘缬缬 丙丙 丝丝 精精BAG-TJU3. 简并性简并性(degenerate)一种氨基酸可具有2个或2个以上的密码子为其编码。这一特性称为遗传密码的简并性。除色氨酸和甲硫氨酸仅有1个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。为同一种氨基酸编码的各密码子称为简并性密码子，也称同义密码子 。BAG-TJU各种氨基酸的密码子数目各种氨基酸的密码子数目BAG-TJU 氨基酸的同义密码子个数与在蛋白中出现的频率

18、有相关性。BAG-TJU同义密码子 大部分氨基酸的不同密码子有两个碱基相同。BAG-TJU简并性分析 性质相似的氨基酸的密码子相似度高。 疏水性 电荷BAG-TJU4. 4. 通用性通用性(universal)(universal)从简单的病毒到高等的人类，几乎使用同一套遗传密码，因此，遗传密码表中的这套“通用密码”基本上适用于生物界的所有物种，具有通用性。密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。BAG-TJU已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 通用密码通用密码 线粒体密码线粒体密码AUA 异亮异亮 蛋、起始蛋、起始AGA 精精 终止终止AGG 精精 终止终止UGA

19、终止终止 色色BAG-TJU5. 5. 摆动性摆动性(wobble)(wobble) 反密码子与密码子之间的配对有时反密码子与密码子之间的配对有时并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现并不严格遵守常见的碱基配对规律，这种现象称为象称为摆动配对摆动配对(wobble base pairing)(wobble base pairing)。 tRNA反密码子反密码子第第1位碱基位碱基IUGACmRNA密码子密码子第第3位碱基位碱基U, C, AA, GU, CUGBAG-TJUU3 2 11 2 3摆摆动动配配对对BAG-TJU6.6.遗传密码遗传密码的偏爱的偏爱性（性（bias or prefer

20、ence)bias or preference)多数氨基酸有一个以上的密码子多数氨基酸有一个以上的密码子但这些但这些密码子使用的频率各密码子使用的频率各不相同，不相同，称之称之遗传密码的偏爱性。遗传密码的偏爱性。密码子使用的频率与细胞内相应密码子使用的频率与细胞内相应的的tRNAtRNA含量有关含量有关BAG-TJU5.35.3核蛋白体核蛋白体n核蛋白体的组成核蛋白体的组成核蛋白体又称核糖体，是由核蛋白体又称核糖体，是由rRNArRNA和多种蛋和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，是蛋白质生物合成的场所。蛋白质生物合成的场所。BAG-TJU核蛋白

21、体的核蛋白体的组成组成原核生物原核生物真核生物真核生物核蛋白核蛋白体体小亚基小亚基大亚基大亚基核蛋白核蛋白体体小亚基小亚基大亚基大亚基S值值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA5.8S-rRNA5S-rRNA蛋白质蛋白质rpS 21种种rpL 36种种rpS 33种种rpL 49种种BAG-TJU大小亚基的生物学功能大小亚基的生物学功能小亚基： 通过密码子与反密码子的配对，识别并结合模板mRNA，蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等。大亚基： 结合多肽链，催化肽键形成、蛋白质合成中A位、P位、E位的一部分等

22、。BAG-TJU核糖体的分类 核糖体分两类，一类游离于细胞质内，另一类附着在内质网上。BAG-TJU核糖体连接mRNA和tRNABAG-TJU核糖体重要位点 A位点：AA-tRNA的结合位点 P位点：肽酰tRNA的结合位点 E位点：脱酰基tRNA释放位点 mRNA结合位点BAG-TJUtRNAtRNA是氨基酸的运载工具及蛋白质生物是氨基酸的运载工具及蛋白质生物合成的适配器合成的适配器1 1）特异性运载氨基酸；）特异性运载氨基酸；2 2）充当）充当“适配器适配器”。BAG-TJU二级结构ntRNA的二级结构的二级结构tRNA分子的分子的5端和端和3端附近的碱基配对端附近的碱基配对形成形成tRNA

23、分子的分子的一个臂，该臂称为一个臂，该臂称为氨基酸氨基酸臂臂。一个成熟的。一个成熟的tRNA分子的分子的3端的核苷端的核苷酸序列总是酸序列总是CCA（3），一个特异的氨基），一个特异的氨基酸通过它的羧基与酸通过它的羧基与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分子上分子上。5端的核苷酸都是磷酸化端的核苷酸都是磷酸化的，大多数的，大多数tRNA分子分子5端的核苷酸残基端的核苷酸残基为鸟苷酸残基（为鸟苷酸残基（pG）。）。 在氨基酸臂对面的单链环称为在氨基酸臂对面的单链环称为反密码反密码环环，该环含有由三个核苷酸残基组成的该环含有由三个

24、核苷酸残基组成的反反密码子密码子，反密码子与，反密码子与mRNA中的互补密码中的互补密码结合。含有反密码子的臂称为结合。含有反密码子的臂称为反密码臂反密码臂。BAG-TJUtRNAtRNA的三级结构示意图的三级结构示意图BAG-TJUtRNA 的种类 （1 1）起始起始tRNAtRNA和延伸和延伸tRNAtRNA 能特异地识别mRNA模板上起始密码子的tRNA叫起始tRNA，其他tRNA统称为延伸tRNA。原核生物起始tRNA携带甲酰甲硫氨酸（fMet），真核生物起始tRNA携带甲硫氨酸（Met）。 （2 2）同工同工tRNAtRNA 代表同一种氨基酸的tRNA称为同工tRNA，同工tRNA既

25、要有不同的反密码子以识别该氨基酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被AA- tRNA合成酶识别。到目前为止，科学家还无法从一级结构上解释tRNA在蛋白质合成中的专一性。有证据说明，tRNA的二级和三级结构对它的专一性起着举足轻重的作用。 （3 3）校正校正tRNAtRNA 校正tRNA分为无义突变及错义突变校正。在tRNA上发生突变，在翻译过程中通过与普通tRNA或释放因子竞争对DNA的突变进行校正。 BAG-TJU密码子相关突变 错义突变 无义突变 同义突变BAG-TJU氨基酸活化 氨基酸与特异的tRNA结合形成氨基酰-tRNA的过程称为氨基酸的活化。 参与氨基酸的活化的酶：氨基酰

26、-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase)(aminoacyl-tRNA synthetase)。氨基酸氨基酸 + tRNA+ tRNA氨基酰氨基酰- tRNA- tRNAATPATP AMP AMPPPiPPi氨基酰氨基酰-tRNA-tRNA合成酶合成酶BAG-TJU第一步反应第一步反应氨基酸氨基酸 ATP-E ATP-E 氨基酰氨基酰-AMP-E -AMP-E PPiPPiBAG-TJU第二步反应第二步反应氨基酰氨基酰-AMP-E -AMP-E tRNA tRNA 氨基酰氨基酰-tRNA -tRNA AMPAMP E EBAG-TJU 氨基酰-tRNA合成酶对底

27、物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。 氨基酰-tRNA的表示方法： Ala-tRNAAla Ser-tRNASer Met-tRNAMet tRNA氨基酰氨基酰-tRNA合成酶合成酶ATPBAG-TJU蛋白质合成真实性主要决定于： tRNA能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置。 氨酰-tRNA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tRNA上；另一种是将正确的氨基酸加在错误的tRNA上。前者现错的可能性更大。 氨氨酰酰-tRNA-tRNA合成酶引入的两种错误合成酶引入的两种错误BAG-TJU

28、BAG-TJU具有起始功能的具有起始功能的tRNAfMettRNAfMet与甲硫氨酸结合与甲硫氨酸结合后，甲硫氨酸很快被甲酰化为后，甲硫氨酸很快被甲酰化为N-N-甲酰甲硫氨酸甲酰甲硫氨酸(N-formyl methionine, fMet)(N-formyl methionine, fMet)，于是形成，于是形成N-N-甲甲酰甲硫氨酰酰甲硫氨酰-tRNA(fMet-tRNA-tRNA(fMet-tRNAf fMetMet) )，可以在，可以在mRNAmRNA的起始密码子的起始密码子AUGAUG处就位，参与形成翻译起始复处就位，参与形成翻译起始复合物。起始密码子只能辨认合物。起始密码子只能辨认f

29、Met-tRNAfMet-tRNAf fMetMet。 原核生物的原核生物的起始起始氨基酰氨基酰-tRNA: -tRNA: fMet-tRNAfMet-tRNAf fMetMet BAG-TJUfMet-tRNAfMet-tRNAf fMetMet的生成是一碳化合物转移和利用的生成是一碳化合物转移和利用的过程之一，反应由转甲酰基酶催化，甲酰基从的过程之一，反应由转甲酰基酶催化，甲酰基从N N1010- -甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的甲酰四氢叶酸转移到甲硫氨酸的-氨基上。氨基上。 BAG-TJUfMet-tRNAfMet-tRNAf f 结构特征结构特征BAG-TJU真核生物起始氨基酰-tRNA

30、是Met-tRNAiMet起始氨基酰起始氨基酰-tRNA: Met-tRNAiMet 参与肽链延长的甲硫氨酰参与肽链延长的甲硫氨酰-tRNA：Met-tRNAMetBAG-TJU蛋白质蛋白质因子因子起始因子（起始因子（initiation factorinitiation factor，IFIF）延长因子（延长因子（elongation factorelongation factor，EFEF）释放因子（释放因子（release factorrelease factor，RFRF）BAG-TJU参与原核生物翻译参与原核生物翻译的蛋白质的蛋白质因子因子及其功能及其功能种类种类生物学功能生物学功能起始因子起始因子IF-1占据占据A位防止结合其他位防止结合其他tRNAIF-2促进起始促进起始tRNA与小亚基结合与小亚基结合IF-3促进大小亚基分离，提高促进大小亚基分离，提高P位对结合起始位对结合起始tRNA的的敏感性敏感性延长因子延长因子EF-Tu促进氨基酰促进氨基酰-tRNA进入进入A位，结合并分解位，结