巫蛋白质的生物合成

巫蛋白质的生物合成第1页/共89页

第十三章蛋白质的生物合成第2页/共89页翻译翻译(translation)：根据mRNA链上的遗传信息合成蛋白质的过程。第3页/共89页第一节RNA在蛋白质生物合成中的重要功能第4页/共89页一、mRNA和遗传密码

真核mRNA在核质内合成时是一种大分子量的mRNA前体，叫核内不均一RNA（hnRNA）。hnRNA经过细胞内加工为成熟的mRNA，转移到细胞质行使其功能。mRNA是蛋白质合成的直接模板，其核苷酸排列顺序取决于相应DNA的碱基排列顺序，它又决定了所形成的蛋白质多肽链中的氨基酸的排列顺序。第5页/共89页原核生物mRNA为多顺反子第6页/共89页SD序列SD序列富含嘌呤碱基，可与16srRNA的3’末端富含嘧啶碱基的序列互补，这与mRNA对核糖体的快速识别有关。第7页/共89页真核生物mRNA为单顺反子

5’-末端有一个甲基化的鸟苷酸，称为“帽结构”

3’-末端有一段长达200个核苷酸左右的聚腺苷酸(polyA)，称为

“尾结构”。第8页/共89页

（一）、遗传密码的破译mRNA都是由4种核苷酸构成，而组成多肽的氨基酸有20种；4种核苷酸与20种氨基酸怎样对应起来？

显然，必须是几个核苷酸的组合编码一个氨基酸才能应付局面。用数学方法很容易算出：3个相邻的核苷酸→1种氨基酸，有43种排列→64种密码子破译了64种密码子第9页/共89页

在mRNA链上以相邻的三个核苷酸为一组，起编码多肽链中一种氨基酸的作用，叫密码子(codon)。由于它是相邻的三个核苷酸又称三联体密码(tripletcode)。第10页/共89页

早在1961年，Nirenberg等人在大肠杆菌的无细胞体系中外加poly(U)模板、20种标记的氨基酸，经保温后得到了多聚phe-phe-phe，于是推测UUU编码phe。利用同样的方法得到CCC编码pro，GGG编码gly，AAA编码lys。

如果利用poly(UC)，则得到多聚Ser-Leu-Ser-Leu，推测UCU编码Ser，CUC编码Leu，因为poly(UC)有两种读码方式：UCU－CUC和CUC－UCU。第11页/共89页EstablishedthechemicalstructureoftRNAEstablishedtheinvitrosystemforrevealingthegeneticcodesDevisedmethodstosynthesizewelldefinednucleicacids第12页/共89页第13页/共89页

在64个密码子中有61个编码氨基酸，3个不编码任何氨基酸而起肽链合成的终止作用，称为终止密码子，它们是UAA、UAG、UGA，密码子AUG（编码Met）又称起始密码子。第14页/共89页

（二）、遗传密码的特性1.密码的无标点性、无重叠性

编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个的线形排列，密码子之间既不重叠也不间隔，从起始密码子到终止密码子构成一个完整的读码框架（不包括终止子），又称开放阅读框架（ORF）。那么如果在阅读框中插入或删除一个碱基就会使其后的读码发生移位性错误，称为移码。第15页/共89页第16页/共89页

几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。编码同一个氨基酸的一组密码子称为同义密码子。如GGN（GGA、GGU、GGG、GGC）都编码Gly，那么这4种密码子就称为Gly的简并密码，一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。只有Met和Trp没有简并密码。2.密码子的简并性问：密码子简并性的生物学意义？第17页/共89页

密码子的专一性主要由前两位碱基决定的，而第三位碱基有较大的灵活性，Click将第三位碱基的这一特性称为摆动性（wobble）。3.密码子的摆动性第18页/共89页反密码子:tRNA中每三个相邻的碱基与密码子配对的,为之.密码子与反密码子配对,但方向相反.摆动性：密码子与反密码配对时出现不遵从碱基配对规律的情况。主要表现为密码子第三位碱基与反密码子第一碱基不严格互补，但不影响翻译正确。第19页/共89页第20页/共89页第21页/共89页tRNA反密码子碱基IUC（第一位）mRNA密码子碱基

A,C,UA,GC,G,U

（第三位）

密码子与反密码子配对的摇摆现象第22页/共89页密码的摆动性有什么生物学意义?第23页/共89页问：细胞内有几种tRNA？

当遗传密码破译后，由于有61个密码子编码氨基酸，于是人们预测细胞内有61种，但事实上绝大多数细胞内只有50种左右，Crick也正是在这种情况下提出了摇摆假说并合理解释了这种情况。

根据摇摆性和61个密码子，经过仔细计算，要翻译61个密码子至少需要31种tRNA，外加1个起始tRNA，共需32种。但是，在叶绿体和线粒体内，由于基因组很小用到的密码子少，因此，叶绿体内只有30种左右tRNAs，线粒体只有24种。第24页/共89页

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病毒、原核细胞、真核细胞都用同一套遗传密码子表，叫密码的通用性。目前只发现线粒体和叶绿体内有例外情况4.密码子的通用性第26页/共89页二、tRNAtRNA起运载氨基酸的作用，将氨基酸按照mRNA链上的密码子所决定的氨基酸顺序搬运到蛋白质合成的场所（即核糖体）的特定部位。

每一种氨基酸可以有一种以上tRNA作为运载工具，人们把携带相同氨基酸而反密码子不同的一组tRNA称为同功受体tRNA

(isoacceptingtRNAs)第27页/共89页tRNA的二、三级结构第28页/共89页tRNA的功能

（一）、3’端接受氨基酸氨基酸tRNA氨酰tRNA第29页/共89页

（二）、识别mRNA链上的密码子反密码子密码子

反密码子与mRNA链上密码子反向互补配对，保证了氨基酸按照密码子所规定的顺序进入肽链。第30页/共89页一种tRNA经常能识别一种以上的同义密码子第31页/共89页

（三）、连接多肽链和核糖体核糖体多肽链tRNA在多肽链合成过程中，多肽链通过tRNA暂时结合在核糖体的正确位置，直到多肽合成终止才从核糖体上脱落下来。第32页/共89页可以说tRNA是一个万能接头：（1）对氨酰-tRNA合成酶的识别位点（接头合成酶）（2）3端-CCA上的氨基酸运载位点（接头氨基酸，装载）（3）对核糖体的识别位点（将氨基酸运送到目的地）（4）反密码子位点（接头mRNA，验货并卸载）第33页/共89页三、rRNA及核糖体核糖体是蛋白质合成的场所。由rRNA和几十种蛋白质分子组成的一个巨大的复合体。不同类型生物中核糖体的结构高度保守，尽管其rRNA和核糖体蛋白的一级结构有所不同，但其三级结构却惊人的相似。第34页/共89页核糖体

大亚基

小亚基原核生物

70S50S5SrRNA23SrRNAL1～L34蛋白30S16SrRNAS1～S21蛋白真核生物80S60S5SrRNA5.8SrRNA28SrRNAL1～L49蛋白40S18SrRNAS1～S33蛋白每个核糖体是由大小两个亚基组成，每个亚基都有自己不同的rRNA和蛋白质分子。第35页/共89页第36页/共89页原核生物真核生物第37页/共89页30S50S原核生物rRNA第38页/共89页核糖体的有两个重要的功能部位：A部位：氨酰基部位，接受氨酰基tRNAP部位：肽酰基部位，起始氨酰tRNA或延伸的肽基tRNA结合的部位，及tRNA被释放的部位。第39页/共89页A位P位氨酰基tRNA肽酰基tRNA第40页/共89页

不论原核细胞还是真核细胞，一条mRNA可以被同时几个核糖体阅读，把同时结合并翻译同一条mRNA的多个核糖体称为多核糖体。第41页/共89页第二节原核生物蛋白质的合成过程第42页/共89页翻译的过程十分复杂，几乎涉及到细胞内所有种类的RNA和几十种蛋白质因子。原料：20种L-氨基酸；

3种RNA：mRNA,tRNA,rRNA酶：氨基酰tRNA合成酶、转肽酶两种高能核苷酸：ATP、GTP金属离子：K+、Mg2+（促进肽键形成)第43页/共89页多种蛋白质因子:

起始因子:IF或eIF

延长因子：EF或eEF

释放因子：RF或eRF

方向：氨基端→羧基端第44页/共89页

氨基酸活化起始阶段进位过程延长阶段成肽终止阶段转位翻译从mRNA5′→3′起始密码子：5′AUG

→3′；终止密码子：

UAA、UAG、UGA

肽链延长方向N→C第45页/共89页一、氨基酸的活化氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步，由氨酰tRNA合成酶催化。氨酰tRNA合成酶:既能识别氨基酸，又能识别tRNA。第46页/共89页1.氨基酸的活化

AA+ATP+酶→[AA•AMP•酶]+ppi2.氨酰tRNA的形成

[AA•AMP•酶]+tRNA→AMP+AA-tRNA+酶

1种AA可由几种tRNA（同工受体tRNA）运载氨酰tRNA合成酶对氨基酸、tRNA两种底物都有高度特异地识别作用，还有水解酯键的催化作用，发挥酶的校正活性。第47页/共89页第48页/共89页ATP氨基酸氨酰AMPtRNA氨酰tRNA①

氨基酸+ATP+E→

[氨酰-AMP-E]+ppi②

[氨酰-AMP-E]+tRNA→

氨酰-tRNA+AMP+E第49页/共89页第50页/共89页第51页/共89页3个结合位点氨酰tRNA合成酶氨酰AMP氨酰tRNA①②③第52页/共89页氨酰tRNA合成酶既能识别相应的氨基酸，又能识别与此氨基酸相对应的一个或多个tRNA分子。把这种氨酰tRNA合成酶与tRNA分子间的相互作用称为第二套遗传密码（secondgeneticcodon）。第53页/共89页二、合成起始内部密码子：tRNAMet

→

Met-tRNAMet起始密码子：tRNAfMet

→

fMet-tRNAfMet(原核生物)

AUG既是起始密码子，又是肽链内部甲硫氨酸密码子。如何区分：①起始AUG处于mRNA的特殊部位，比如原核生物5’有SD序列；②携带甲硫氨酸的tRNA不同，分别是tRNAfMet

、tRNAMet

。甲酰甲硫氨酸第54页/共89页①

甲硫氨酸+tRNAf+ATP

→

Met-tRNAf+AMP+PPi转甲酰酶N10甲酰四氢叶酸四氢叶酸1.甲酰甲硫氨酸的形成②

N10甲酰四氢叶酸+Met-tRNAf

→四氢叶酸+

fMet-tRNAf第55页/共89页2.

蛋白质合成起始需要：30S核糖体亚基；50S核糖体亚基；mRNA；fMet-tRNAfMet；

3个起始因子（IF1、IF2、IF3）；

Mg2+等。3个起始因子的功能：IF1：无专一功能，增加IF-2，IF-3活性。IF2：促进fMet-tRNAf与30S亚基结合。IF3：与30S亚基结合，阻止30S亚基与50S亚基过早结合。第56页/共89页甲酰甲硫氨酸—tRNA进人

P位点第57页/共89页①②③3.

蛋白质合成起始过程第58页/共89页第59页/共89页30s.IF1.IF3.mRNAIF2.GTP.fMet-tRNAfmRNA.30s.fMet-tRNAf

.IF2.GTP.IF1.IF3IF-3mRNA.70s.fMet-tRNAf50SIF-1IF-2.GDP第60页/共89页见动画1第61页/共89页三、肽链的延伸

肽链的延伸需要：70S起始复合体、第二个氨酰tRNA、3种延伸因子（EF-Tu、EF-Ts、EF-G）、GTP等。EF-TU,EF-TS:共同促使氨酰-tRNA进入核糖体的A位，具有GTP酶活性EF-G:具有GTP酶活性，促使肽酰-tRNA位移至P位及空的tRNA离开核糖体。第62页/共89页翻译过程中的肽链延长又称核糖体循环（ribosomalcycle）。分三步骤：

进位(结合）

核糖体循环

转肽（转肽酶）

移位第63页/共89页

肽链的延伸第64页/共89页1.进位氨酰-tRNA与核糖体A位结合。消耗1分子GTP。第65页/共89页2转肽（形成肽键）肽酰转移酶：转肽酶，P位点A位点形成肽键：P位点的fMet-tRNAf（或肽酰-tRNA）的羧基与A位点的AA-tRNA的氨基结合形成肽键不消耗GTP，可能来自AA~tRNA（或肽酰~tRNA）间的酯键水解第66页/共89页2.转肽核糖体A位和P位上的氨基酸间形成肽键。第67页/共89页3移位肽酰基-tRNA从核糖体的A位移到P位的过程核糖体沿mRNA的5’----3’方向移动与移位过程相偶联（每次移动距离是1个密码子）移位酶

，EF-G（G因子）消耗1个GTP第68页/共89页3.移位核糖体延mRNA的5’→3’方向移动一个密码子。移位酶第69页/共89页见动画2第70页/共89页肽链的延伸进入转肽移位第71页/共89页

肽链的延伸•进位•转肽•移位PA5’3’MetAGUPA5’3’MetAUGffAUG第72页/共89页3’PA5’MetAUG23’PA5’MetAUG2进位ff第73页/共89页3’PA5’metAUG23PA3’5’AUGmet2转肽移位ff第74页/共89页PA3’5’AUGMet23PA3’5’AUGMet234

进位转肽ff第75页/共89页PA3’5’AUGMet234PA3’5’AUGMet234ff第76页/共89页第77页/共89页见动画3第78页/共89页四、肽链的终止释放因子(RF)：终止肽链合成并将其从核糖体上释放出来的一类蛋白质因子。终止密码子：UAA、UAG、UGARF1:UAA、UAGRF2:UAA、UGARF3:

不识别终止密码子，与GTP结合，并促进RF1和RF2与A位点结合。第