遗传密码蛋白质的合成及转运

关于遗传密码蛋白质的合成及转运遗传密码(geneticcode):DNA（或RNA）中的核苷酸序列与蛋白质中氨基酸序列之间的对应关系称为遗传密码。密码子(codon)：mRNA上每3个相邻的核苷酸编码蛋白质多肽链中的一个氨基酸，这三个核苷酸就称为一个密码子或三联体(triplet)密码。第2页,共69页，2024年2月25日，星期天第一节遗传密码的破译1954年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸。1961年Crick等用遗传学方法,通过研究T4噬菌体gII位点的两个基因变异，证实三联体密码子学说是正确的，并且三联体密码是:非重叠、连续的、无标点的。缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变CATCATCATCATCATCATCAT

CA

CATCATCATCATCCATCA

CAXTCATCATCATCAXTXCATXCATCATCAT-1-1,+1+3第3页,共69页，2024年2月25日，星期天

1.1961年美国的Nirenberg等人以均聚物为模板指导多肽的合成,寻找到了破译遗传密码的途径。利用多核苷酸磷酸化酶合成一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌体外蛋白质合成系统。以均聚物为模板指导多肽的合PolyC为模板，产生的多肽链为PolyProPolyU为模板，产生的多肽链为PolyPhePolyA为模板，产生的多肽链为PolyLys

证明三联体密码的三个著名实验第4页,共69页，2024年2月25日，星期天2.核糖体结合技术1964年Nirenberg等人首先合成一个已知序列的核苷酸三聚体，然后与大肠杆菌核糖体和氨酰tRNA一起温育。由此确定与已知核苷酸三聚体结合的tRNA上连接的是那一种氨基酸。该实验确定了50多种三联体密码，对于几种密码编码同一个氨基酸提供了直接的、最好的证据第5页,共69页，2024年2月25日，星期天3.以特定的共聚物为模板指导多肽的合成1964年，

Khorana以共聚物即含有重复序列的多聚核苷酸指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐。以多聚二核苷酸作模板可合成由2个氨基酸组成的多肽,如以PolyUG为模板UGUGUGUGU

合成产物为PolyLys-Val。以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨基酸组成的多肽UCGUCGUCG

。PhePhePheSerSerSerLeuLeuLeu到1966年，经过5年的努力全部破译了20种aa的密码第6页,共69页，2024年2月25日，星期天EstablishedthechemicalstructureoftRNADevisedmethodstosynthesizeRNAswithdefinedsequencesEstablishedtheinvitrosystemforrevealingthegeneticcodes第7页,共69页，2024年2月25日，星期天遗传密码字典UACGUCAGUCAG第二位

第一位（5ˊ）

第三位（3ˊ）UCAGUCAGUCAG第8页,共69页，2024年2月25日，星期天第二节遗传密码的基本特性1、密码是无标点符号的、且相邻密码子互不重叠。2、密码的简并性：由一种以上密码子编码同一个氨基酸的现象称为简并性（degeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymouscodon)。密码的简并性可以减少有害突变3、密码的摆动性（变偶性）：密码的专一性主要是由第一第二个碱基所决定，tRNA上的反密码子与mRNA密码子配对时，密码子的第一、二位碱基是严格的，第三位碱基可以有一定的变动。Crick称这一为变偶性（wobble）.4、密码的通用性和变异性5、64组密码子中，AUG既是Met的密码，又是起始密码；有三组密码不编码任何氨基酸，而是多肽链合成的终止密码子：UAG、UAA、UGA。6、密码的防错系统第9页,共69页，2024年2月25日，星期天反密码子与密码子之间的碱基配对AUCG反密码子第一位碱基密码子第三位碱基GUCUAGIUCA第10页,共69页，2024年2月25日，星期天

次黄嘌呤核苷酸（I）常常出现在tRNA反密码子的5ˊ位，I可以与U，C和A形成氢键。带有反密码子IGC的tRNAAla分子可以与特异编码Ala的三个密码（GCU，GCC，GCA）中的任一个结合第11页,共69页，2024年2月25日，星期天人线粒体中变异的密码子UGA终止信号TrpAUAIleMetAGAArg终止信号AGGArg终止信号密码子正常情况下编码线粒体DNA编码

密码子UGA编码了第21种氨基酸—硒代半胱氨酸，密码子UAG编码了第22种氨基酸—吡咯赖氨酸。第12页,共69页，2024年2月25日，星期天关于密码的防错系统密码的简并性由第三个碱基决定氨基酸的极性由第二个碱基决定如：中间U→非极性、疏水、和有支链的aa中间C→非极性或不带电极性侧链aa中间AorG→亲水的aa第一个A或C、第二个A或G、第三个任意→可离解、亲水侧链碱性aa前两位AG、第三个任意→酸性亲水侧链aa结果：一个碱基变化后→相同aa或性质相似aa，这是进化的结果第13页,共69页，2024年2月25日，星期天第38章蛋白质的合成及转运第14页,共69页，2024年2月25日，星期天第一节蛋白质合成的分子基础蛋白质的生物合成（翻译）以氨基酸为原料以mRNA为模板以tRNA为运载工具以核糖体为合成场所起始、延长、终止各阶段蛋白因子参与合成后加工成为有活性蛋白质第15页,共69页，2024年2月25日，星期天原核细胞mRNA的结构特点5´3´顺反子顺反子顺反子先导区末端顺序SD区特点半衰期短许多原核生物mRNA以多顺反子形式存在AUG作为起始密码；AUG上游7～12个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区，16SrRNA3’-端反向互补而使mRNA与核糖体结合。AUGUAAAUGUAAAUGUAA读码框架核糖体识别位点一、mRNA是蛋白质合成的模板

mRNA(messengerRNA)是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板。AGGAGGU第16页,共69页，2024年2月25日，星期天真核细胞mRNA的结构特点5´

“帽子”PolyA

3´

顺反子m7G-5´ppp-N-3´pAAAAAAA-OH读码框架核糖体识别位点AUGUAA

真核生物的18SrRNA与原核生物的16SrRNA在其3‘末端有很大的同源性。由于18SrRNA缺少CCUCC序列(与mRNA上的SD序列互补),因此真核生物mRNA可能并不存在SD序列。大多数真核生物mRNA起始密码子AUG附近“上下文”为CCACCAUGG。在帽子结构上形成的40S亚基起始复合物向3‘方向移动时,如发现AUG密码子处于这样的“上下文”中,就不再向前移动,而是与60S亚基结合成为完整的核糖体,于是从AUG上开始合成蛋白质。第17页,共69页，2024年2月25日，星期天tRNA（transferribonucleicasid）在蛋白质合成中起重要作用，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还为准确无误地将活化氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。1、tRNA的结构特征2、tRNA的功能（1）tRNA的接头(adaptor)作用

3´-端上的氨基酸接受位点

识别氨酰-tRNA合成酶的位点

反密码子位点（2）tRNA的突变与校正基因

(回复突变，reversemutation)二、tRNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上第18页,共69页，2024年2月25日，星期天核糖体（ribosome）是由rRNA（ribosomalribonucleicacid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。2、核糖体的功能1、核糖体的结构和组成三、核糖体是蛋白质合成的工场第19页,共69页，2024年2月25日，星期天核糖体的组成34protein21protein23SRNA5SRNA16SRNA50Ssubunit70Sribosome30Ssubunit原核生物核糖体结构示意图30Ssubunit50Ssubunit原核生物核糖体的组成第20页,共69页，2024年2月25日，星期天16SrRNA的二级结构第21页,共69页，2024年2月25日，星期天多核糖体第22页,共69页，2024年2月25日，星期天原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图30S与mRNA结合部位P位（结合肽基的部位—肽酰基位点）A位（结合AA-tRNA的部位—氨酰基位点）50S5

3

mRNA第23页,共69页，2024年2月25日，星期天第二节蛋白质合成的步骤氨基酸的活化与转运肽链合成的起始肽链的延长肽链合成的终止第24页,共69页，2024年2月25日，星期天氨基酸的活化氨基酸ATP+氨酰腺苷酸E-AMPPPi第一步AMP第二步E3-氨酰-tRNA

一、氨基酸的活化与转运第25页,共69页，2024年2月25日，星期天氨酰-tRNA合成酶特点专一性：1）对氨基酸有极高的专一性，每种氨基酸都有专一的酶，只作用于L-氨基酸，不作用于D-氨基酸。2）对tRNA具有极高专一性。校对作用：氨酰-tRNA合成酶的水解部位可以水解错误活化的氨基酸。第26页,共69页，2024年2月25日，星期天二、肽链合成的起始所需的条件：游离的核糖体大小亚基mRNA5’端的起始信号起始tRNA—tRNAimet

（原核生物fmet-tRNAifmet）GTP三种可溶性起始因子(IF)第27页,共69页，2024年2月25日，星期天N-甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet的形成CHO-HN-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-

+H2N-CH-COO-tRNACH2CH2SCOO-Met-tRNAiMetfMet-tRNAtfMetN10-CHO-FH4FH4转甲酰酶第28页,共69页，2024年2月25日，星期天三种起始因子IF1IF2

IF3与IF2一起促进fmet-tRNAifmet

与mRNA及30S小亚基结合与IF1一起促进fmet-tRNAifmet

与mRNA及30S小亚基结合有GTP酶活性(起始时消耗1GTP)特异识别fmet-tRNAifmet形成fmet-tRNAifmet-IF2-GTP终止时：促使核糖体解离（真核生物起始因子－eIF有9－11种）第29页,共69页，2024年2月25日，星期天30S起始复合物形成1.核糖体亚基的拆离2.mRNA在小亚基上就位3.fmet-tRNAifmet的结合

IF3起始序列（SD序列）30S小亚基与mRNA识别、结合IF1、IF3协助fmet-tRNAifmet-IF2-GTP通过其反密码与mRNA上的起始密码AUG相配对第30页,共69页，2024年2月25日，星期天SD序列(shine-Dalgarno序列):—原核生物1.位于起始密码上游10个核苷酸左右。2.序列富含嘌呤(如AGGA/GAGG）的一段序列。3.能和原核生物16srRNA3’端7个相应的富含嘧啶序列互补。4.在IF3、IF1促进下和30S亚基结合。第31页,共69页，2024年2月25日，星期天起始密码SD序列第32页,共69页，2024年2月25日，星期天70s起始复合物形成1.IF3脱落2.50S大亚基结合3.GTPGDP+Pi

4.IF2、IF1脱落70s起始复合物组成1.小亚基2.mRNA3.fmet-tRNAifmet

结合于核糖体的P位第33页,共69页，2024年2月25日，星期天30S亚基•mRNAIF3-IF1复合物30S•mRNA•GTP-fMet–tRNA-IF2-IF1复合物70S起始复合物codonanticodonA位P位

mRNA

+30S亚基-IF3A位IF-35

3

IF2GTPP位IF3IF2IF1IF2-GTP-fMet-tRNAIF350S亚基IF2+IF1+GDP+PiIF-1IF170S起始复合物第34页,共69页，2024年2月25日，星期天

三.肽链的延长（进位、成肽、移位）所需的条件70S起始复合物tRNA转运氨基酸延长因子(EF）原核生物—EF－Tu、EF－Ts

（真核生物EF1，多亚基，具有Tu和Ts的功能）GTP第35页,共69页，2024年2月25日，星期天1.进位

氨基酰-tRNA根据遗传密码的指引，进入核糖体的A位。参与的延长因子EF-TuEF-Ts协助AA-tRNA进入A位具有GTP酶活性促进EF-Tu的再利用第36页,共69页，2024年2月25日，星期天Tu\Ts循环TsTs-GDP第37页,共69页，2024年2月25日，星期天2.转肽

肽键位置转肽酶（大亚基上）催化形成肽键P位：f-met-（肽酰）的α-COO-+A位：氨基酰的α-NH4+

形成肽键A位：反应在此位上进行生成的二肽在A位上。P位：无负载tRNA第38页,共69页，2024年2月25日，星期天

肽基转移酶（peptidyltransferase）使一个酯键变成了肽键。肽基转移酶的活性由核糖体大亚基的23srRNA承担（肽基转移酶是一种ribozyme）。嘌呤霉素对蛋白质的抑制作用就发生在肽键形成这一步。嘌呤霉素的结构非常类似于氨酰-tRNA的3’末端AMP的结构。因为结构上的相似，嘌呤霉素可以进入核糖体的A位。肽酰转移酶催化新生成的多肽转移至嘌呤霉素的游离的氨基上。由于肽酰－嘌呤霉素在A位处的结合弱，很快就从核糖体上解离，因此就可终止蛋白质的合成。

第39页,共69页，2024年2月25日，星期天第40页,共69页，2024年2月25日，星期天3.移位

在A位的二肽链连同mRNA进入P位移位因子位置方向EF－G（真核生物EF－2）有GTP酶活性游离tRNA释放P位：肽-tRNA-mRNAA位：空留,下一个AA进入mRNA：从5’3’移动1个带有肽链的tRNA：从A位P位肽链合成：从N端C端延长第41页,共69页，2024年2月25日，星期天4.肽链延长过程的能量消耗每合成一个肽键，消耗4个高能磷酸键活化：2个ATP进位：1个GTP移位：1个GTP第42页,共69页，2024年2月25日，星期天肽链的延长12122323进位转肽移位进位(Tu\Ts)GTPGTPN-端235´3´C-端转肽15´3´（EF-G）

第43页,共69页，2024年2月25日，星期天四.肽链合成的终止终止密码的辨认肽链从肽酰-tRNA水解出mRNA从核糖体中分离及大小亚基的拆开蛋白质因子的参与（释放因子）UAA、UAG、UGAGTPGDP+PiIF3结合30小亚基RF1：作用于UAA、UAGRF2：作用于UAA、UGARF3：刺激RF1、RF2活性

第44页,共69页，2024年2月25日，星期天肽链合成的终止

（1）释放因子RF1或RF2

进入核糖体A位。（2）多肽链的释放（3）70S核糖体解离5

3

UAG30S亚基50S亚基5

3

UAGtRNARF第45页,共69页，2024年2月25日，星期天五、真核生物多肽链的合成1.真核细胞核糖体比原核细胞核糖体更大更复杂；2.起始氨基酸为Met，不是fMet；3.肽链合成的起始：由40S核糖体亚基首先识别mRNA的5’端-帽子，然后沿mRNA移动寻找AUG（扫描,AUG附近“上下文”为

CCACCAUGG），这过程要消耗ATP，核糖体结合位点（RBS）在AUG附近；4.起始因子(IF)有9-11种，但只有2种延长因子和1种终止因子5.真核细胞种线粒体、叶绿体的核糖体大小、组成及蛋白质合成过程都类似于原核细胞。第46页,共69页，2024年2月25日，星期天真核和原核细胞参与翻译的蛋白质因子阶段原核

真核功能

IF1

IF2

eIF2

参与起始复合物的形成

IF3

eIF3、eIF4C起始CBPI与mRNA帽子结合

eIF4ABF参与寻找第一个AUG

eIF5

协助eIF2

、eIF3、eIF4C的释放

eIF6

协助60S亚基从无活性的核糖体上解离

EF-Tu

eEF1

协助氨酰-tRNA进入核糖体延长EF-Ts

eEF1

帮助EF-Tu、eEF1

周转

EF-G

eEF2

移位因子

RF-1终止eRF释放完整的肽链

RF-2第47页,共69页，2024年2月25日，星期天六、蛋白质生物合成抑制剂1、抗菌素类阻断剂

氯霉素:与50S（70S）核糖体结合,抑制肽酰转移酶。

链霉素、新霉素、卡那霉素：与30S核糖体结合。可以广泛用作治疗细菌感染的药物。环己亚胺：与80S核糖体结合可抑制真核生物蛋白质合成。第48页,共69页，2024年2月25日，星期天2、作为蛋白质合成阻断剂的毒素

细菌毒素—白喉毒素：是已知的毒性最大的毒素，只要一分子的白喉毒素就足可以使真核细胞内的延伸因子eEF-2失活，对真核生物有剧毒的毒素，抑制蛋白质的合成，几个微克即可致人于死命。

第49页,共69页，2024年2月25日，星期天第三节蛋白质的运输及翻译后修饰第50页,共69页，2024年2月25日，星期天一、蛋白质的运输

在核糖体上新合成的多肽被送往细胞的各个部分，以行使各自的生物功能。大肠杆菌新合成的多肽，一部分仍停留在胞浆之中，一部分则被送到质膜、外膜或质膜与外膜之间的空隙。有的也可分泌到胞外。真核细胞中新合成的多肽被送往溶酶体、线粒体、叶绿体、胞核等细胞器。所以新合成的多肽的输送是有目的地、定向地进行的。第51页,共69页，2024年2月25日，星期天1.蛋白质通过信号肽引导到目的地信号肽(signalpeptide):未成熟白质中可被细胞转运系统识别的特征性氨基酸序。

特征：

通常在N末端。N末端至少有一个带正电荷的氨基酸。10－40个氨基酸范围内，其中部由10-15个疏水氨基酸组成。在C末端有一个可被信号肽酶识别的位点。

作用：把合成的蛋白质移向粗面内质网膜。信号肽对靶向输送有决定作用。第52页,共69页，2024年2月25日，星期天

一些真核细胞多肽链上N-端的信号肽的结构

第53页,共69页，2024年2月25日，星期天

识别信号肽的是一种核蛋白体,称为信号识别体(signalrecognitionparticle,SRP)。分子量:396kD

由一分子7SLRNA(300bp)6个不同的多肽分子两个功能域(domain):一个用以识别信号肽，一个用以干扰进入的氨酰-tRNA和肽酰移位酶的反应，以终止多肽链的延伸作用。第54页,共69页，2024年2月25日，星期天(dockingprotein)第55页,共69页，2024年2月25日，星期天2.新合成多肽的定向运输Proteinsaresynthesizedintwotypesoflocation:Thevastmajorityofproteinsaresynthesizedbyribosomesinthecytosol.Asmallminorityaresynthesizedbyribosomeswithinorganelles(mitochondriaorchloroplasts).Proteinssynthesizedinthecytosolcanbedividedintotwogeneralclasseswithregardtolocalization:Thosethatarenotassociatedwithmembranes;Thosethatareassociatedwithmembranes第56页,共69页，2024年2月25日，星期天Proteinsthatarelocalizedpost-translationallyarereleasedintothecytosolaftersynthesisonfreeribosomes.Somehavesignalsfortargetingtoorganellessuchasthenucleusormitochondria.ProteinsthatarelocalizedcotranslationallyassociatewiththeERmembraneduringsynthesis,sotheirribosomesare"membrane-bound".Theproteinspassintotheendoplasmicreticulum,alongtotheGolgi,andthenthroughtheplasmamembrane,unlesstheyhavesignalsthatcauseretentionatoneofthestepsonthepathway.Theymayalsobedirectedtootherorganelles,suchasendosomesorlysosomes.第57页,共69页，2024年2月25日，星期天ProteinsthatentertheER-Golgipathwaymayflowthroughtotheplasmamembraneormaybedivertedtootherdestinationsbyspecificsignals.第58页,共69页，2024年2月25日，星期天内质网高尔基体泡泡泡融入质膜核糖体芽泡分泌蛋白质的合成第59页,共69页，2024年2月25日，星期天3.一些线粒体和叶绿体蛋白质是翻译完成后被运输的

线粒体和叶绿体基因组只编码一小部分自身的蛋白质，大部分是由和基因组编码的。由细胞游离核糖体合成，在运送到这些细胞器中。这些蛋白质通常在N末端有一段多肽分别称为线粒体定向肽和叶绿体转移肽。起到信号肽的作用。第60页,共69页，2024年2月25日，星期天线粒体外膜线粒体内膜带有线粒体定向肽（导肽）的线粒体蛋白质前体跨膜运送过程示意图内外膜接触位点的蛋白质通道受体蛋白PCB定向肽蛋白酶切除定向肽第61页,共69页，2024年2月25日，星期天二、蛋白质的翻译后修饰、加工1、肽链末端的修饰：

N-端fMet或Met的切除2、信号序列的切除3、二硫键的形成4、部分肽段的切除5、个别氨基酸的修饰6、糖基侧链的添加7、辅基的加入

这些翻译后修饰、加工多数是在内质网和高尔基体中完成的。第62页,共69页，2024年2月25日，星期天N端甲酰基或N端aa的除去：

原核生物fMet-(aa)n

Met(aa)n

（aa）nor(aa)n-m

去甲酰基酶氨肽酶

多数情况下，在肽链合成中，即当肽链的N端游离出核糖体后，立即进行去甲酰化。

真核生物N端Met常常在肽链的其他部分还未完全合成时,就已经水解下来。第63页,共69页，2024年2月25日，星期天二硫键的形成氨基酸的修饰

乙酰化、甲基化、磷酸化、羟基化、泛酸化、糖基化等

切去新生肽链中非功能所需的肽段：

如胰岛素原→胰岛素，胰蛋白酶原→胰蛋白酶，胰凝乳蛋白酶原→胰凝乳蛋白酶

高级结构的形成蛋白质的一级结构决定高级结构，多肽链的折叠在肽链合成没有结束时就已经开始（1）不需要分子伴侣（molecularchaperone）（2）需要分子伴侣

第64页,共69页，2024年2月25日，星期天ProteinGlycosylationintheERandGolgiComplex

Mostplasma-membraneandsecretoryproteinscontainoneormorecarbohydratechains;indeed,theadditionandsubsequentprocessingofcarbohydrates—glycosylation，istheprincipalchemicalmodificationtomostsuchproteins.Someglycosylationreactionsoccurinthelumenofthe