第四章 生物信息的传递（下）从mRNA到蛋白质

1、第四章第四章 生物信息的传递（下）生物信息的传递（下）从从mRNAmRNA到蛋白质到蛋白质第一节、遗传密码第一节、遗传密码第二节、第二节、tRNAtRNA第三节、核糖体第三节、核糖体第四节、蛋白质合成的生物学机制第四节、蛋白质合成的生物学机制第五节、蛋白质运转机制第五节、蛋白质运转机制蛋白质的生物合成步骤蛋白质的生物合成步骤o翻译的起始翻译的起始 核糖体与核糖体与mRNAmRNA结合并与氨酰结合并与氨酰-tRNA-tRNA生成起始生成起始复合物。复合物。o肽链的延伸肽链的延伸 由于核糖体沿由于核糖体沿mRNA5mRNA5端向端向33端移动，开端移动，开始了从始了从N N端向端向C C端的多肽合

2、成，这是蛋白质合成过程中速端的多肽合成，这是蛋白质合成过程中速度最快的阶段。度最快的阶段。o肽链的终止及释放肽链的终止及释放 核糖体从核糖体从mRNAmRNA上解离，准备新一轮上解离，准备新一轮合成反应。合成反应。蛋白质的生物合成步骤蛋白质的生物合成步骤o核糖体是蛋白质合成的场所。核糖体是蛋白质合成的场所。omRNAmRNA是蛋白质合成的模板。是蛋白质合成的模板。o转移转移RNA(transfer RNARNA(transfer RNA，tRNA)tRNA)是模板与氨基酸之间的是模板与氨基酸之间的接合体。接合体。o在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶和其他生物大分子在合成的各个阶段有许多蛋白质、酶

3、和其他生物大分子参与。参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干重的参与。参与蛋白质合成的各种组分约占细胞干重的35%35%。在真核生物中有将近在真核生物中有将近300300种生物大分子与蛋白质的生物种生物大分子与蛋白质的生物合成有关。合成有关。o蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参蛋白质合成是一个需能反应，要有各种高能化合物的参与。细胞用来进行合成代谢的总能量的与。细胞用来进行合成代谢的总能量的90%90%消耗在蛋白消耗在蛋白质合成过程中。质合成过程中。蛋白质生物合成体系蛋白质生物合成体系41 遗传密码遗传密码三联子三联子遗传密码：遗传密码： mRNA mRNA上每上每3 3个核苷酸翻译

4、成蛋白质多肽链上个核苷酸翻译成蛋白质多肽链上的一个氨基酸，这的一个氨基酸，这3 3个核苷酸称为密码，也叫三个核苷酸称为密码，也叫三联子密码。联子密码。41 遗传密码遗传密码三联子三联子411 三联子密码及其破译三联子密码及其破译o首先从数学的角度来考虑：以一种核苷酸代表首先从数学的角度来考虑：以一种核苷酸代表一种氨基酸则蛋白质中只能有一种氨基酸则蛋白质中只能有4 4种氨基酸，不行。种氨基酸，不行。o以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码以两种核苷酸作为一个氨基酸的密码( (二联子二联子) )，它们能代表的氨基酸只有它们能代表的氨基酸只有4 42 21616种，不足种，不足2020种，种，也不行。也不

5、行。o以以3 3个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有个核苷酸代表一个氨基酸，则可以有4 43 36464种密码，可以满足编码种密码，可以满足编码2020种氨基酸的需要。种氨基酸的需要。o在模板在模板mRNAmRNA中插入或删除一个碱基，会改变该中插入或删除一个碱基，会改变该密码子以后全部氨基酸序列。密码子以后全部氨基酸序列。o若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删若同时对模板进行插入和删除试验，插入和删除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，除的碱基数一样，后续密码子序列就不会变化，翻译得到的蛋白质序列就保持不变翻译得到的蛋白质序列就保持不变( (除了发生突除了发生突变的那个密码子所代表的氨基

6、酸之外变的那个密码子所代表的氨基酸之外) )。o如果同时删去如果同时删去3 3个核苷酸，翻译产生少一个氨基个核苷酸，翻译产生少一个氨基酸的蛋白质，序列不发生变化。酸的蛋白质，序列不发生变化。三联子密码及其破译三联子密码及其破译三联子密码及其破译三联子密码及其破译o对烟草坏死卫星病毒的研究发现。其外壳蛋白对烟草坏死卫星病毒的研究发现。其外壳蛋白亚基由亚基由400400个氨基酸组成，而相应的个氨基酸组成，而相应的RNARNA片段长片段长约约12001200个核苷酸，与假设的密码三联子体系正个核苷酸，与假设的密码三联子体系正好相吻合。好相吻合。o在在2020世纪世纪6060年代，由于体外蛋白质合成体

7、系的年代，由于体外蛋白质合成体系的建立和核酸人工合成技术的发展，科学家花了建立和核酸人工合成技术的发展，科学家花了几年时间破译了遗传密码，即确定了代表每种几年时间破译了遗传密码，即确定了代表每种氨基酸的具体密码。氨基酸的具体密码。 三联子密码及其破译三联子密码及其破译三联子密码及其破译三联子密码及其破译3、核糖体结合技术破译遗传密码、核糖体结合技术破译遗传密码2、从遗传学的角度证实三联子密码的构想、从遗传学的角度证实三联子密码的构想1、首先从数学的角度来考虑密码中的核苷酸数、首先从数学的角度来考虑密码中的核苷酸数412 遗传密码的性质遗传密码的性质1、密码的连续性密码的连续性 mRNA mRN

8、A的读码方向从的读码方向从5353，两个密码子之间，两个密码子之间无任何核苷酸隔开。无任何核苷酸隔开。mRNAmRNA链上碱基的插入、缺失链上碱基的插入、缺失和重叠，均造成框移突变。和重叠，均造成框移突变。412 遗传密码的性质遗传密码的性质2 2、密码的简并性（、密码的简并性（degeneracydegeneracy） 按照按照1 1个密码子由个密码子由3 3个核苷酸组成的原则，个核苷酸组成的原则，4 4种种核苷酸可组成核苷酸可组成6464个密码子，现在已经知道其中个密码子，现在已经知道其中6161个是编码氨基酸的密码子，另外个是编码氨基酸的密码子，另外3 3个即个即UAAUAA、UGAUG

9、A和和UAGUAG不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能不代表任何氨基酸，它们是终止密码子，不能与与tRNAtRNA的反密码子配对，能被终止因子或释放因的反密码子配对，能被终止因子或释放因子识别，终止肽链的合成。子识别，终止肽链的合成。遗遗传传密密码码表表 遗传密码的性质遗传密码的性质o密码子有密码子有6161种而氨基酸只有种而氨基酸只有2020种。所以除色氨酸种。所以除色氨酸和甲硫氨酸只有一个密码子外，其他氨基酸都有和甲硫氨酸只有一个密码子外，其他氨基酸都有一个以上的密码子。一个以上的密码子。o由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并（简并（

10、degeneracydegeneracy），对应于同一种氨基酸的几），对应于同一种氨基酸的几个密码子称为同义密码子。个密码子称为同义密码子。oAUGAUG和和GUGGUG既是既是metmet和和valval的密码子又是起始密码子。的密码子又是起始密码子。 遗传密码的性质遗传密码的性质o同义密码子第一、二第位核苷酸往往是相同的，同义密码子第一、二第位核苷酸往往是相同的，而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的氨而第三位核苷酸的改变不一定影响所编码的氨基酸。基酸。o一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该一般说来，编码某一氨基酸的密码子越多，该氨基酸在蛋白质中出现的频率也越高。精氨酸氨基酸在蛋白质中

11、出现的频率也越高。精氨酸是个例外，因为在真核生物中是个例外，因为在真核生物中CGCG双联子出现的双联子出现的频率较低，所以尽管有频率较低，所以尽管有6 6个同义密码子，蛋白质个同义密码子，蛋白质中精氨酸的出现频率仍然不高。中精氨酸的出现频率仍然不高。o对同义密码的理解有助于对同义密码的理解有助于PCRPCR引物设计。引物设计。遗传密码的性质遗传密码的性质412 遗传密码的性质遗传密码的性质3 3、 密码的普遍性与特殊性密码的普遍性与特殊性 蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物蛋白质生物合成的整套密码，从原核生物到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细到人类都通用。但已发现少数例外，如动物细胞的

12、线粒体、植物细胞的叶绿体胞的线粒体、植物细胞的叶绿体.3 3、 密码的普遍性与特殊性密码的普遍性与特殊性 遗传密码的性质遗传密码的性质412 遗传密码的性质遗传密码的性质4 4、密码的摆动性、密码的摆动性mRNAmRNA上的密码子与上的密码子与tRNAtRNA上的反密码子配对辨认上的反密码子配对辨认时，大多数情况遵守碱基配对规律，但也可出现不时，大多数情况遵守碱基配对规律，但也可出现不严格配对，尤其是密码子的第严格配对，尤其是密码子的第3 3位碱基与反密码子位碱基与反密码子的第的第1 1位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种位碱基配对时常出现不严格碱基互补，这种现象称为摆动配对。例如现象称为摆

13、动配对。例如mRNAmRNA密码子第密码子第3 3位碱基位碱基A(A(或或C C、U)U)可与可与tRNAtRNA反密码子第反密码子第1 1位碱基位碱基I I配对。配对。4、密密码码的的摆摆动动性性412 遗传密码的性质遗传密码的性质 在蛋白质生物合成过程中，在蛋白质生物合成过程中，tRNAtRNA的反密码的反密码子在核糖体内是通过碱基的反向配对与子在核糖体内是通过碱基的反向配对与mRNAmRNA上上的密码子相互作用的。的密码子相互作用的。5 5、密码子与反密码子的相互作用、密码子与反密码子的相互作用5 5、密码子与反密码子的相互作用、密码子与反密码子的相互作用5、密码子与反密码子的相互作用、

14、密码子与反密码子的相互作用 遗传密码的性质遗传密码的性质5 5、密码子与、密码子与反密码子的相反密码子的相互作用互作用 遗传密码的性质遗传密码的性质5 5、密码子与反密码子的相互作用、密码子与反密码子的相互作用 在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵在密码子与反密码子的配对中，前两对严格遵守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可守碱基配对原则，第三对碱基有一定的自由度，可以以 摆动摆动 ，因而使某些，因而使某些tRNAtRNA可以识别可以识别1 1个以上的密码个以上的密码子。一个子。一个tRNAtRNA究竟能识别多少个密码子是由反密码究竟能识别多少个密码子是由反密码子的第一位碱基的性质决

15、定的，反密码子第一位为子的第一位碱基的性质决定的，反密码子第一位为A A或或C C时只能识别时只能识别1 1种密码子，为种密码子，为G G或或U U时可以识别时可以识别2 2种密种密码子，为码子，为I I时可识别时可识别3 3种密码子。种密码子。5 5、密码子与反密码子的相互作用、密码子与反密码子的相互作用 遗传密码的性质遗传密码的性质o如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是如果有几个密码子同时编码一个氨基酸，凡是第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独第一、二位碱基不同的密码子都对应于各自独立的立的tRNAtRNA。第一、二位碱基相同的密码子，则。第一、二位碱基相同的密码子，则共用一种共用

16、一种tRNAtRNA。o原核生物中有原核生物中有30304545种种tRNAtRNA。o真核细胞中存在真核细胞中存在5050种左右种左右tRNAtRNA。 遗传密码的性质遗传密码的性质5 5、密码子与反密码子的相互作用、密码子与反密码子的相互作用42 tRNA42 tRNA42 tRNAo tRNA在蛋白质合成中为每个三联密码子翻译在蛋白质合成中为每个三联密码子翻译成氨基酸提供接合体，为准确无误地将所需氨成氨基酸提供接合体，为准确无误地将所需氨基酸运送到核糖体上提供运送载体，它又被称基酸运送到核糖体上提供运送载体，它又被称为第二遗传密码。各种为第二遗传密码。各种tRNA在结构上存在大在结构上存

17、在大量的共性。由于小片段碱基互补配对，形成三量的共性。由于小片段碱基互补配对，形成三叶草形的二级结构。三叶草形叶草形的二级结构。三叶草形tRNA分子上有分子上有4条根据它们的结构或已知功能命名的手臂。条根据它们的结构或已知功能命名的手臂。o受体臂受体臂：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；：链两端碱基序列互补形成的杆状结构；33端有未配对的端有未配对的3 34 4个碱基；个碱基；33端的端的CCACCA，最，最后一个碱基后一个碱基22烃基可被氨酰化。烃基可被氨酰化。oTCTC臂臂：其中：其中表示拟尿嘧啶，是表示拟尿嘧啶，是tRNAtRNA分子所分子所拥有的不常见核苷酸。拥有的不常见核苷酸。o反密

18、码子臂反密码子臂：位于套索中央有三联反密码子。：位于套索中央有三联反密码子。oD D臂臂：含有二氢尿嘧啶。：含有二氢尿嘧啶。42 tRNA tRNA的结构的结构o最常见最常见tRNAtRNA有有7676个碱基。所有个碱基。所有tRNAtRNA含含74749595个核个核苷酸。苷酸。tRNAtRNA长度的不同主要是由其中的两条手臂长度的不同主要是由其中的两条手臂引起。在引起。在D D臂中存在多至臂中存在多至3 3个可变核苷酸位点。个可变核苷酸位点。otRNAtRNA分子中最大的变化发生多余臂上。只含有一分子中最大的变化发生多余臂上。只含有一条仅为条仅为3 35 5个核苷酸的多余臂的个核苷酸的多余

19、臂的tRNAtRNA占所有占所有tRNAtRNA的的75%;75%; 其余是有较大多余臂的其余是有较大多余臂的tRNAtRNA ，包括杆状，包括杆状结构上的结构上的5 5个核苷酸和套索结构上的个核苷酸和套索结构上的3 31111个核苷个核苷酸。酸。42 tRNAo tRNAtRNA富含稀有碱基（约富含稀有碱基（约7070余种）。每个余种）。每个tRNAtRNA分分子至少含有子至少含有2 2个稀有碱基，最多有个稀有碱基，最多有1919个，在反密个，在反密码子码子33端邻近部位出现的频率最高，这对于维端邻近部位出现的频率最高，这对于维持反密码子环的稳定性及密码子、反密码子之持反密码子环的稳定性及密

20、码子、反密码子之间的配对是很重要的。间的配对是很重要的。o当当tRNAtRNA与核糖体的与核糖体的P P位点和位点和A A位点结合时，位点结合时，tRNAtRNA分子三叶草形顶端突起部位通过反密码子和密分子三叶草形顶端突起部位通过反密码子和密码子的配对与码子的配对与mRNAmRNA相结合，其相结合，其33末端恰好将所末端恰好将所运转的氨基酸送到正在延伸的多肽上。运转的氨基酸送到正在延伸的多肽上。42 tRNA42 tRNAotRNAtRNA的三级结构，都呈的三级结构，都呈L L形折叠式，而这种结构形折叠式，而这种结构是靠二级结构中未配对碱基间所形成的氢键来是靠二级结构中未配对碱基间所形成的氢键

21、来维持的。维持的。tRNAtRNA的三级结构与氨酰的三级结构与氨酰-tRNA-tRNA合成酶对合成酶对tRNAtRNA的识别有关的识别有关。tRNA的的L形三级结构形三级结构o受体臂和受体臂和TCTC臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，臂的杆状区域构成了第一个双螺旋，D D臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。臂和反密码子臂的杆状区域形成了第二个双螺旋。TCTC臂和臂和D D臂的套索状结构位于臂的套索状结构位于LL的转折点。所的转折点。所以，受体臂顶端的碱基位于以，受体臂顶端的碱基位于LL的一个端点，反密的一个端点，反密码子臂的套索状结构生成了码子臂的套索状结构生成了LL的另一个端点。的另一

22、个端点。42 tRNAtRNA的的L形三级结构形三级结构42 tRNAtRNA的的L形三级结构形三级结构o tRNAtRNA高级结构上的特点是研究其生物学功能的重高级结构上的特点是研究其生物学功能的重要线索：要线索：tRNAtRNA上所运载的氨基酸必须靠近位于核上所运载的氨基酸必须靠近位于核糖体大亚基上的多肽合成位点，而反密码子必须糖体大亚基上的多肽合成位点，而反密码子必须与小亚基上的与小亚基上的mRNAmRNA相配对，所以分子中两个不同相配对，所以分子中两个不同的功能基团是最大限度分离的。这个结构形式满的功能基团是最大限度分离的。这个结构形式满足了蛋白质合成过程中对足了蛋白质合成过程中对tR

23、NAtRNA的各种要求而成为的各种要求而成为tRNAtRNA的通式，研究证实的通式，研究证实tRNAtRNA的性质是由反密码子的性质是由反密码子而不是它所携带的氨基酸所决定的。而不是它所携带的氨基酸所决定的。42 tRNA42 tRNAo转录：转录：DNADNARNARNA；结构上相似；碱基配对；一结构上相似；碱基配对；一对一。对一。o翻译：翻译：mRNA mRNA 蛋白质；结构极不相同；复杂。蛋白质；结构极不相同；复杂。信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子信息是以能被翻译成单个氨基酸的三联密码子形式存在的，形式存在的，tRNAtRNA的解码机制完成翻译。的解码机制完成翻译。tRNAtRN

24、A的功能的功能o氨基酸在合成蛋白质之前先通过氨基酸在合成蛋白质之前先通过AAAAtRNAtRNA合成合成酶活化，在消耗酶活化，在消耗ATPATP的情况下结合到的情况下结合到tRNAtRNA上，生上，生成有蛋白质合成活性的成有蛋白质合成活性的AA-tRNAAA-tRNA，由由AAAAtRNAtRNA上上的反密码子与的反密码子与mRNAmRNA上的密码子相互识别并配对，上的密码子相互识别并配对，将将AAAA带到带到mRNA-mRNA-核糖体复合物上，插入到正在合核糖体复合物上，插入到正在合成的多肽链的适当位置上。成的多肽链的适当位置上。42 tRNAo将将 1414C-Cys-tRNAC-Cys-

25、tRNACysCys，经经NiNi催化生成催化生成 1414C-Ala-C-Ala-tRNAtRNACysCys，再把再把 1414C-Ala-tRNAC-Ala-tRNACysCys加进含血红蛋白加进含血红蛋白mRNAmRNA的兔网织细胞核糖体的蛋白质合成系统中，的兔网织细胞核糖体的蛋白质合成系统中，结果发现结果发现 1414C-Ala-tRNAC-Ala-tRNACysCys插入了血红蛋白分子插入了血红蛋白分子通常由半胱氨酸占据的位置上，这表明在这里起通常由半胱氨酸占据的位置上，这表明在这里起识别作用的是识别作用的是tRNAtRNA而不是氨基酸。而不是氨基酸。 42 tRNAo有一类能特异

26、地识别有一类能特异地识别mRNAmRNA模板上起始密码子的模板上起始密码子的tRNAtRNA叫起始叫起始tRNAtRNA，其他其他tRNAtRNA统称为延伸统称为延伸tRNAtRNA。o原核生物起始原核生物起始tRNAtRNA携带甲酰甲硫氨酸携带甲酰甲硫氨酸( (fMet)fMet)，原核生物中原核生物中Met-tRNAMet-tRNAfMetfMet必须首先甲酰化生成必须首先甲酰化生成fMetfMet一一tRNAtRNAfMetfMet才能参与蛋白质的生物合成。才能参与蛋白质的生物合成。o真核生物起始真核生物起始tRNAtRNA携带甲硫氨酸携带甲硫氨酸( (Met)Met)。11起始起始tR

27、NAtRNA和延伸和延伸tRNAtRNA42 tRNAtRNAtRNA的种类的种类42 tRNAo一种氨基酸可能有多个密码子，代表一种氨基一种氨基酸可能有多个密码子，代表一种氨基酸的多个酸的多个tRNAtRNA以不同的反密码子为特征，从而以不同的反密码子为特征，从而可以识别可以识别mRNAmRNA上代表一种氨基酸的多个密码子。上代表一种氨基酸的多个密码子。几个代表相同氨基酸的几个代表相同氨基酸的tRNAtRNA称为同工称为同工tRNAtRNA。2同工同工tRNAtRNA的种类的种类o在一个同工在一个同工tRNAtRNA组内，所有组内，所有tRNAtRNA均专一于相同均专一于相同的氨酰的氨酰-

28、-tRNAtRNA合成酶，即在一个同工合成酶，即在一个同工tRNAtRNA组内组内tRNAtRNA只专一地结合一种氨基酸。只专一地结合一种氨基酸。o同工同工tRNAtRNA既要有不同的反密码子以识别该氨基既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酸的各种同义密码，又要有某种结构上的共同性，能被相同的性，能被相同的AAAAtRNAtRNA合成酶识别。同工合成酶识别。同工tRNAtRNA组内具备了区分其他组内具备了区分其他tRNAtRNA组的特异构造，组的特异构造，保证合成酶准确无误进行选择。保证合成酶准确无误进行选择。tRNAtRNA的二级和的二级和三级结构对它的专

29、一性起了重要作用三级结构对它的专一性起了重要作用。42 tRNA22同工同工tRNAtRNA42 tRNAo1 1、 无义突变的校正无义突变的校正tRNAtRNA：在蛋白质的结构基在蛋白质的结构基因中，一个核苷酸的改变使代表某个氨基酸的因中，一个核苷酸的改变使代表某个氨基酸的密码子变成终止密码子密码子变成终止密码子( (UAGUAG、UGAUGA、UAA)UAA)，使蛋使蛋白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的白质合成提前终止，合成无功能的或无意义的多肽，这种突变称为无义突变。无义突变的校多肽，这种突变称为无义突变。无义突变的校正正tRNAtRNA可通过改变其反密码子区校正无义突变可通过改变

30、其反密码子区校正无义突变而依然合成原氨基酸。而依然合成原氨基酸。33校正校正tRNAtRNA42 tRNA1、无义突变无义突变的校正的校正tRNAtRNA42 tRNAo错义突变错义突变是由于结构基因中某个核苷酸的变化是由于结构基因中某个核苷酸的变化使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码。使一种氨基酸的密码变成另一种氨基酸的密码。错义突变的校正错义突变的校正tRNAtRNA通过反密码子区的改变把通过反密码子区的改变把正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质。正确的氨基酸加到肽链上，合成正常的蛋白质。2 2、错义突变的校正、错义突变的校正tRNAtRNAo如某大肠杆菌细胞色氨酸合成酶中的一个甘

31、氨酸如某大肠杆菌细胞色氨酸合成酶中的一个甘氨酸密码子密码子GGAGGA错义突变成错义突变成AGA(AGA(编码精氨酸编码精氨酸) )，指导合，指导合成错误的多肽链。甘氨酸校正成错误的多肽链。甘氨酸校正tRNAtRNA的校正基因突的校正基因突变使其反密码子从变使其反密码子从CCUCCU变成变成UCUUCU，它仍然是甘氨酸它仍然是甘氨酸的反密码子但不结合的反密码子但不结合GGAGGA而能与突变后的而能与突变后的AGAAGA密码密码子相结合，把正确的氨基酸子相结合，把正确的氨基酸( (甘氨酸甘氨酸) )放到放到AGAAGA所所对应的位置上。对应的位置上。42 tRNA42 tRNA氨酰氨酰- -tR

32、NAtRNA合成酶合成酶o蛋白质合成的真实性主要决定于蛋白质合成的真实性主要决定于tRNAtRNA能否把正能否把正确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而确的氨基酸放到新生多肽链的正确位置上，而这一步主要决定于这一步主要决定于AAAAtRNAtRNA合成酶是否使氨基合成酶是否使氨基酸与对应的酸与对应的tRNAtRNA相结合。相结合。oAA-tRNAAA-tRNA合成酶既要能识别合成酶既要能识别tRNAtRNA，又要能识别氨又要能识别氨基酸，它对两者都具有高度的专一性基酸，它对两者都具有高度的专一性。42 tRNA氨酰氨酰- -tRNAtRNA合成酶合成酶氨酰氨酰-tRNA合成酶合成酶43 核糖

33、体核糖体o核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离核糖体是一个致密的核糖核蛋白颗粒，可以解离为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质为大小两个亚基，大亚基约为小亚基相对分子质量的二倍。每个亚基都含有一个分子质量较大的量的二倍。每个亚基都含有一个分子质量较大的rRNArRNA和许多蛋白质分子。和许多蛋白质分子。o原核生物核糖体由约原核生物核糖体由约2/32/3的的RNARNA及及1/31/3的蛋白质组的蛋白质组成。真核生物核糖体中成。真核生物核糖体中RNARNA占占3/53/5，蛋白质占，蛋白质占2/52/5。43 核糖体核糖体o大肠杆菌核糖体小亚基由大肠杆菌核糖体小亚基由2121种蛋白质组

34、成；大种蛋白质组成；大亚基由亚基由3636种蛋白质组成。真核细胞核糖体大亚种蛋白质组成。真核细胞核糖体大亚基含有基含有4949种蛋白质；小亚基有种蛋白质；小亚基有3333种蛋白质。种蛋白质。o核糖体分子可容纳两个核糖体分子可容纳两个tRNAtRNA和约和约4040bpbp长的长的mRNAmRNA。431 核糖体核糖体4.3.1 核糖体的结构核糖体的结构4.3.1 核糖体的结构核糖体的结构RNA 1、5S rRNA 细菌细菌5S rRNA含有含有120或或116个核苷酸。个核苷酸。5S rRNA有两个高度保守的区域，其中一个区域含有有两个高度保守的区域，其中一个区域含有保守序列保守序列CGAAC

35、，这是与这是与tRNA分子分子TC环上的环上的GTCG序列相互作用的部位，是序列相互作用的部位，是5S rRNA与与tRNA相互识别的序列。另一个区域含有保守序列相互识别的序列。另一个区域含有保守序列GCGCCGAAUGGUAGU，与与23S rRNA中的一中的一段序列互补，这是段序列互补，这是5S rRNA与与50S核糖体大亚基核糖体大亚基相互作用的位点，在结构上有其重要性。相互作用的位点，在结构上有其重要性。o其长度在其长度在1475-1544个核苷酸之间，含有少量个核苷酸之间，含有少量修饰碱基。该分子全部压缩在修饰碱基。该分子全部压缩在30S小亚基内。小亚基内。o16S rRNA的结构十

36、分保守，其中的结构十分保守，其中3端一段端一段ACCUCCUUA的保守序列，与的保守序列，与mRNA5端翻译端翻译起始区富含嘌呤的序列互补。起始区富含嘌呤的序列互补。o在在16S rRNA靠近靠近3端处还有一段与端处还有一段与23SrRNA互补的序列，在互补的序列，在30S与与50S亚基的结合中起作用。亚基的结合中起作用。RNA2、16S rRNA2、16S rRNARNA2、16S rRNA-SD序列序列RNARNAo23S rRNA包括包括2904个核苷酸，在大肠杆菌个核苷酸，在大肠杆菌23S rRNA第第19842001核苷酸之间，存在核苷酸之间，存在一段能与一段能与tRNAMet序列互

37、补的片段，表明核糖体序列互补的片段，表明核糖体大亚基大亚基23S rRNA与与tRNAMet的结合有关。的结合有关。3、23S rRNAo在在23S rRNA靠近靠近5端端(143-157位核苷酸位核苷酸之间之间)有一段有一段12个核苷酸的序列与个核苷酸的序列与5S rRNA上第上第72-83位核苷酸互补，表明在位核苷酸互补，表明在50S大亚基大亚基上这两种上这两种RNA之间可能存在相互作用。核糖体之间可能存在相互作用。核糖体50S大亚基上约有大亚基上约有20种蛋白质能不同程度地与种蛋白质能不同程度地与23S rRNA相结合。相结合。3、23S rRNARNARNARNARNA 4、5.8S

38、rRNA 这是这是真核生物核糖体大亚基特有的真核生物核糖体大亚基特有的rRNA，长度长度为为160个核苷酸，含有修饰碱基。它还含有与原核生个核苷酸，含有修饰碱基。它还含有与原核生物物5S rRNA中的保守序列中的保守序列CGAAC相同的序列，可相同的序列，可能是与能是与tRNA作用的识别序列，这说明作用的识别序列，这说明5.8S rRNA可能与原核生物的可能与原核生物的5S rRNA具有相似的功能。具有相似的功能。 o5、18S rRNA 酵母酵母18S rRNA由由1789个核个核苷酸组成，它的苷酸组成，它的3端与大肠杆菌端与大肠杆菌16S rRNA有有广泛的同源性。其中酵母广泛的同源性。其

39、中酵母18S rRNA、大肠杆大肠杆菌菌16S rRNA和人线粒体和人线粒体12S rRNA在在3端端有有50个核苷酸序列相同。个核苷酸序列相同。o6、28S rRNA 长度约在长度约在38904500bp左左右，目前还不清楚该右，目前还不清楚该rRNA的功能的功能 。RNA433 核糖体的功能核糖体的功能 核糖体包括核糖体包括5 5个以上活性中心，即个以上活性中心，即mRNAmRNA结合结合部位、接受部位、接受AA-tRNAAA-tRNA部位部位( (A A位位) )、结合肽基、结合肽基tRNAtRNA的部位、肽基转移部位的部位、肽基转移部位( (P P位位) )及形成肽键的及形成肽键的部位

40、部位( (转肽酶中心转肽酶中心) )。此外，还有负责肽链延伸此外，还有负责肽链延伸的各种延伸因子的结合位点。的各种延伸因子的结合位点。一、核糖体的活性中心一、核糖体的活性中心o核糖体小亚基负责对模板核糖体小亚基负责对模板mRNAmRNA进行序列特异性进行序列特异性识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子识别，如起始部分的识别、密码子与反密码子的相互作用等，的相互作用等，mRNAmRNA的结合位点也在小亚基上。的结合位点也在小亚基上。o大亚基负责携带大亚基负责携带AA-tRNAAA-tRNA、肽键的形成、肽键的形成、AA-AA-tRNAtRNA与肽链的结合、与肽链的结合、A A位、位、P P位、

41、转肽酶中心等位、转肽酶中心等在大亚基上。在大亚基上。433 核糖体的功能核糖体的功能二、核糖体大小亚基的功能二、核糖体大小亚基的功能433 核糖体的功能核糖体的功能oA A位点位点( (aminoacyl site)aminoacyl site)氨酰氨酰-tRNA-tRNA结合位点；结合位点；oP P位点位点( (Peptidyl site)Peptidyl site) 肽酰肽酰-tRNA-tRNA结合位点；结合位点；oE E位点位点 ( (exit site)exit site)去氨酰去氨酰-tRNA-tRNA结合位点。结合位点。三、核糖体的三、核糖体的3 3个个tRNAtRNA结合位点结合

42、位点mRNA的结构的结构原核生物原核生物mRNAmRNA的结构的结构mRNA的结构的结构真核生物真核生物mRNA的结构的结构44 蛋白质合成的生物学机制蛋白质合成的生物学机制 蛋白质的生物合成包括：蛋白质的生物合成包括：o氨基酸活化；氨基酸活化；o肽链的起始、伸长；肽链的起始、伸长；o肽链的终止及新合成多肽链的折叠和加工。肽链的终止及新合成多肽链的折叠和加工。4.4.1 氨基酸的活化氨基酸的活化1、Met+tRNAfMet+ATP Met-tRNAfMet+AMP+PPi 2、N10-甲酰四氢叶酸甲酰四氢叶酸+Met-tRNAfMet 四氢叶酸四氢叶酸+Met-tRNAfMet氨基酸的活化由以

43、下两步反应合成氨基酸的活化由以下两步反应合成4.4.1 氨基酸的活化氨基酸的活化o蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、起始蛋白质合成的起始需要核糖体大小亚基、起始tRNAtRNA和几和几十个蛋白因子。在十个蛋白因子。在mRNAmRNA编码区编码区55端形成核糖体端形成核糖体- -mRNA-mRNA-起起始始tRNAtRNA复合物并将甲硫氨酸放入核糖体复合物并将甲硫氨酸放入核糖体P P位点。位点。o原核生物的起始原核生物的起始tRNAtRNA是是fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet，而真核生物是而真核生物是Met-tRNAMet-tRNAMetMet。原核生物中原核生物中3030

44、S S小亚基首先与小亚基首先与mRNAmRNA相结合，相结合，再与再与fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet结合，最后与结合，最后与5050S S大亚基结合。大亚基结合。o在真核生物中，在真核生物中，4040S S小亚基首先与小亚基首先与Met-tRNAMet-tRNAMetMet相相结合，再与模板结合，再与模板mRNAmRNA结合，最后与结合，最后与6060S S大亚基结大亚基结合生成合生成8080SmRNAMet-tRNASmRNAMet-tRNAMetMet起始复合物。起起始复合物。起始复合物的生成需要始复合物的生成需要GTPGTP提供能量，需要提供能量，需要MgMg2 2

45、、NHNH4 4及及3 3个起始因子个起始因子( (IF-lIF-l、IF-2IF-2、IF-3)IF-3)的参与。的参与。4.4.1 氨基酸的活化氨基酸的活化o氨基酸是生物合成蛋白质的原料，氨基酸在氨酰氨基酸是生物合成蛋白质的原料，氨基酸在氨酰- -tRNAtRNA合成酶的作用下生成活化氨基酸合成酶的作用下生成活化氨基酸AA-tRNAAA-tRNA才能被准才能被准确地运送到核糖体中，参与多肽链的起始或延伸。确地运送到核糖体中，参与多肽链的起始或延伸。o存在存在2020种以上具有氨基酸专一性的氨酰种以上具有氨基酸专一性的氨酰RNARNA合成酶，合成酶，能够识别并通过氨基酸的竣基与能够识别并通过

46、氨基酸的竣基与tRNA3tRNA3端腺苷酸核糖基端腺苷酸核糖基上上33OHOH缩水形成二酯键。同一氨酰缩水形成二酯键。同一氨酰- -tRNAtRNA合成酶具有合成酶具有把相同氨基酸加到两个或更多个带有不同反密码子把相同氨基酸加到两个或更多个带有不同反密码子tRNAtRNA分子上的功能。分子上的功能。4.4.1 氨基酸的活化氨基酸的活化otRNAtRNA与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的关键与相应氨基酸的结合是蛋白质合成中的关键步骤，只有步骤，只有tRNAtRNA携带了正确的氨基酸，多肽合成携带了正确的氨基酸，多肽合成的准确性才有保障。的准确性才有保障。o 在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；所

47、以，在细菌中，起始氨基酸是甲酰甲硫氨酸；所以，与核糖体小亚基相结合的是与核糖体小亚基相结合的是N-N-甲酰甲硫氨酰甲酰甲硫氨酰- -tRNAtRNAfMetfMet，可以与延伸中的可以与延伸中的Met-tRNAMet-tRNAMetMet区分开。区分开。 4.4.1 氨基酸的活化氨基酸的活化o真核生物中，多肽合成是从生成甲硫氨酰真核生物中，多肽合成是从生成甲硫氨酰tRNAitRNAiMetMet开始的，体内存在两种开始的，体内存在两种tRNAtRNAMetMet。只有甲只有甲硫氨酰硫氨酰tRNAitRNAiMetMet能与能与4040S S小亚基相结合，起始小亚基相结合，起始肽链合成，普通肽链

48、合成，普通tRNAtRNAMetMet携带的甲硫氨酸只能被携带的甲硫氨酸只能被掺入正在延伸的肽链中。掺入正在延伸的肽链中。4.4.1 氨基酸的活化氨基酸的活化4.4.1 氨基酸的活化氨基酸的活化甲硫氨酰甲硫氨酰tRNAiMet4.4.2 翻译的起始翻译的起始o细菌中翻译的起始需要如下细菌中翻译的起始需要如下7 7种成分种成分: :3030S S小亚小亚基，模板基，模板mRNAmRNA，fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet，3 3个翻译个翻译起始因子起始因子( (IF-lIF-l、IF-2IF-2和和IF-3)IF-3)，GTPGTP，50S50S大亚基，大亚基，MgMg2 2。

49、翻译起始又可被分成翻译起始又可被分成3 3步。步。o第一步，第一步，3030S S小亚基与翻译起始因子小亚基与翻译起始因子IF-lIF-l，IF-3IF-3的作用下通过的作用下通过mRNA mRNA 的的SDSD序列与之相结合。序列与之相结合。o第二步，在第二步，在IF-2IF-2和和GTPGTP的帮助下，的帮助下，fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet进入小亚基的进入小亚基的P P位，位，tRNAtRNA上的反密码子与上的反密码子与mRNAmRNA上上的起始密码子配对。的起始密码子配对。o第三步，带有第三步，带有tRNAtRNA、mRNAmRNA及及3 3个翻译起始因子的个翻译

50、起始因子的小亚基复合物与小亚基复合物与5050S S大亚基结合；然后，释放翻大亚基结合；然后，释放翻译起始因子。译起始因子。4.4.2 翻译的起始翻译的起始4.4.2 翻译的起始翻译的起始4.4.2 翻译的起始翻译的起始o3030S S亚基具有专一性的识别和选择亚基具有专一性的识别和选择mRNAmRNA起始位点起始位点的性质，而的性质，而IF-3IF-3能协助该亚基完成这种选择。能协助该亚基完成这种选择。3030S S亚基通过其亚基通过其1616S rRNAS rRNA的的33端与端与mRNA5mRNA5端起端起始密码子上游碱基配对结合。所有原核生物始密码子上游碱基配对结合。所有原核生物mRN

51、AmRNA上都有一个上都有一个5-5-AGGAGGU-3AGGAGGU-3序列，这个富序列，这个富嘌呤区与嘌呤区与3030S S亚基上亚基上1616S rRNA3S rRNA3端的富嘧啶区端的富嘧啶区序列序列5-5-GAUCACCUCCUUA-3GAUCACCUCCUUA-3相互补。相互补。4.4.2 翻译的起始翻译的起始o各种各种mRNAmRNA的核糖体结合位点中能的核糖体结合位点中能与与1616S rRNAS rRNA配配对的核苷酸数目及这些核苷酸到起始密码子之对的核苷酸数目及这些核苷酸到起始密码子之间的距离间的距离是不一样的，这反映了起始信号的不是不一样的，这反映了起始信号的不均一性。互

52、补的核苷酸越多，均一性。互补的核苷酸越多，3030S S亚基与亚基与mRNAmRNA起起始位点结合的效率也越高。互补的核苷酸与始位点结合的效率也越高。互补的核苷酸与AUGAUG之间的距离也会影响之间的距离也会影响mRNA-mRNA-核糖体复合物的形成核糖体复合物的形成及其稳定性。及其稳定性。4.4.2 翻译的起始翻译的起始o细菌核糖体上一般存在细菌核糖体上一般存在3 3个与氨酰个与氨酰tRNAtRNA结合的结合的位点，即位点，即A A位点位点( (aminoacyl site)aminoacyl site)，P P位点位点( (Peptidyl site)Peptidyl site)和和E E

53、位点位点( (exit site)exit site)。只有只有fMet-tRNAfMet-tRNAfMetfMet能与第一个能与第一个P P位点相结合，其他所位点相结合，其他所有有tRNAtRNA都必须通过都必须通过A A位点到达位点到达P P位点，再由位点，再由E E位点位点离开核糖体。离开核糖体。oIF-2IF-2对于对于3030S S起始复合物与起始复合物与5050S S亚基的连接是必亚基的连接是必需的，需的，IF-lIF-l在在7070S S起始复合物生成后促进起始复合物生成后促进IF-2IF-2的的释放，从而完成蛋白质合成的起始过程。释放，从而完成蛋白质合成的起始过程。4.4.2

54、翻译的起始翻译的起始进位进位核糖体移位核糖体移位肽链的形成肽链的形成翻译的起始翻译的起始famation of 70s initiation complexo真核生物翻译的起始机制与原核生物基本相同，其差异是真核生物翻译的起始机制与原核生物基本相同，其差异是核糖体较大、起始因子较多、核糖体较大、起始因子较多、mRNAmRNA有有m7GpppNpm7GpppNp帽子、帽子、Met-Met-tRNAtRNAMetMet不甲酰化，不甲酰化，mRNA5mRNA5端的帽子和端的帽子和33端的多聚端的多聚A A都参都参与形成翻译起始复合物。与形成翻译起始复合物。o首先，甲硫氨酰首先，甲硫氨酰tRNAitR

55、NAiMetMet与与4040S S小亚基相结合；接着核糖小亚基相结合；接着核糖体上专一位点识别体上专一位点识别mRNAmRNA的帽子，使的帽子，使mRNAmRNA与核糖体结合，帽与核糖体结合，帽子在子在mRNAmRNA与与4040S S亚基结合过程中起稳定作用。带帽子的亚基结合过程中起稳定作用。带帽子的mRNA5mRNA5端与端与1818S rRNAS rRNA的的33端序列之间存在碱基配对型相端序列之间存在碱基配对型相互作用。互作用。4.4.2 翻译的起始翻译的起始翻译的起始翻译的起始o除了识别帽子结构以外，除了识别帽子结构以外，4040S S小亚基还能识别小亚基还能识别mRNAmRNA上

56、的起始密码子上的起始密码子AUGAUG。40S40S小亚基先结合在小亚基先结合在mRNA5mRNA5端端的任何序列上，然后沿的任何序列上，然后沿mRNAmRNA移动直至遇到移动直至遇到AUGAUG发生发生较为稳定的相互作用，最后与较为稳定的相互作用，最后与6060S S亚基一道生成亚基一道生成8080S S起始复合物。起始复合物。4040S S小亚基之所以能在小亚基之所以能在AUGAUG处停下，是处停下，是由于由于Met-tRNAiMet-tRNAiMetMet的反密码子与的反密码子与AUGAUG配对的结果。配对的结果。4.4.2 翻译的起始翻译的起始443 肽链的延伸肽链的延伸o起始复合物形

57、成以后，第二个起始复合物形成以后，第二个AA-tRNAAA-tRNA在延伸因在延伸因子子EF-TuEF-Tu及及GTPGTP的作用下，生成的作用下，生成AA-tRNAEF-AA-tRNAEF-TuGTPTuGTP复合物，然后结合到核糖体的复合物，然后结合到核糖体的A A位上。位上。1 1、后续、后续AA-tRNAAA-tRNA与核糖体结合与核糖体结合443 肽链的延伸肽链的延伸443 肽肽链链的的延延伸伸o模板上的密码子决定了哪种模板上的密码子决定了哪种AA-tRNAAA-tRNA能被结合到能被结合到A A位上。由于位上。由于EF-TuEF-Tu不能与不能与fMetfMettRNAtRNA起反

58、应，起反应，所以起始所以起始tRNAtRNA不会被结合到不会被结合到A A位上，这就是位上，这就是mRNAmRNA内部的内部的AUGAUG不会被起始不会被起始tRNAtRNA读出，肽链中间不会读出，肽链中间不会出现出现fMetfMet的原因。的原因。443 肽链的延伸肽链的延伸443 肽链的延伸肽链的延伸o经过上一步反应后，在核糖体经过上一步反应后，在核糖体mRNAAAmRNAAAtRNAtRNA复合物中，复合物中，AA-tRNAAA-tRNA占据占据A A位，位，fMet-tRNA fMet-tRNA fMetfMet占据占据P P位。在肽基转移酶的催化下，位。在肽基转移酶的催化下，A A位

59、上位上的的AA-tRNAAA-tRNA转移到转移到P P位，与位，与fMet-tRNA fMet-tRNA fMetfMet上的氨上的氨基酸生成肽键。基酸生成肽键。A A位点腾空准备接受新的位点腾空准备接受新的AA-AA-tRNAtRNA，进行下一轮合成反应。起始进行下一轮合成反应。起始tRNAtRNA则离开则离开了核糖体了核糖体P P位点。位点。2 2、肽键的生成、肽键的生成o肽键延伸过程中最后一步，核糖体向肽键延伸过程中最后一步，核糖体向mRNA3mRNA3端方端方向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子相向移动一个密码子。此时，仍与第二个密码子相结合的二肽基结合的二肽基tRNAtRNA，

60、从从A A位进入位进入P P位，去氨酰位，去氨酰- -tRNAtRNA被挤入被挤入E E位，位，mRNAmRNA上的第三位密码子则对应于上的第三位密码子则对应于A A位。位。443 肽链的延伸肽链的延伸33移位移位443 肽链的延伸肽链的延伸3 3 移位移位444 肽链的终止肽链的终止o肽链在延伸过程中，当终止密码子出现在核糖肽链在延伸过程中，当终止密码子出现在核糖体的体的A A位时，没有相应的位时，没有相应的AA-tRNAAA-tRNA能与之结合，能与之结合，而释放因子能识别终止密码子并与之结合，水而释放因子能识别终止密码子并与之结合，水解解P P位上多肽链与位上多肽链与tRNAtRNA之间