13蛋白质生物合成剖析

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1、第十四章 蛋白质的生物合成,中心法则指出，遗传信息的表达最终是合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质，这种以mRNA上所携带的遗传信息,到多肽链上所携带的遗传信息的传递，就好象以一种语言翻译成另一种语言时的情形相似，所以称以mRNA为模板的蛋白质合成过程为翻译(translation)。 翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为NC端。,思考,返回,遗传信息传递的 中心法则,生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。

2、在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。,中心法则总结了生物体内遗传信息的流动规律，揭示遗传的分子基础，不仅使人们对细胞的生长、发育、遗传、变异等生命现象有了更深刻的认识，而且以这方面的理论和技术为基

3、础发展了基因工程，给人类的生产和生活带来了深刻的革命。,？,遗传信息流动示意图,核糖体,DNA,mRNA,tRNA,蛋白质合成研究早期的重要进展 1、确定了蛋白质合成的部位； 2、tRNA转运氨基酸的功能及tRNA在核酸语言和蛋白质语言转换中的适配器作用。 3、遗传密码的破译,目 录,第一节 蛋白质合成体系,第二节 蛋白质合成的分子机理,第三节 肽链合成后的折叠与加工,第四节 蛋白质投递和降解,二、核糖体,蛋白质合成体系的组分,三、t RNA,第一节 蛋白质合成体系,一、mRNA和遗传密码,四、辅助因子,mRNA,(messenger RNA)是蛋白质生物合成过程中直接指令氨基酸掺入的模板，是

4、遗传信息的载体。,原核生物和真核生物mRNA的比较,原核细胞mRNA的结构特点,5,3,先导区,AGGAGGU,SD区,特 点 半衰期短 许多原核生物mRNA以多顺反子（ciston）形式存在 AUG作为起始密码；AUG上游712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 通过16S rRNA 3- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。,真核细胞mRNA的结构特点,m7G-5ppp-N-3 p,帽子结构功能 使mRNA免遭核酸酶的破坏 使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合成蛋白质 被蛋白质合成的起始因子所识别，从而促进蛋白质的合成。,Poly(A)尾巴的功能 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的

5、形式 它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,遗 传 密 码,三联体密码的破译,遗传密码的性质,遗传密码: DNA（或mRNA）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密码。,遗传密码字典,三联体密码的破译,1954年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸 1961年Crick 等用遗传学方法证实三联体密码子学说是正确的 Nirenberg以多聚单核苷酸为模板指导多肽的合成,寻找到了破译遗传密码的途径 Khorana以具有特

6、定重复序列的多聚核糖核苷酸指导多肽的合成，加快了破译遗传密码的步伐,缺失或插入核苷酸引起三联体密码的改变,CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAC ATC ATC ATC AT CAT CAX CAT CAT CAT CAT C CAT CAC AXT CAT CAT CAT CAX TXC ATX CAT CAT CAT CAT,缺失,插入三碱基,插入,插入加缺失,以多聚单核苷酸为模板指导多肽的合成,Poly U 为模板，产生的多肽链为Poly Phe,Poly A 为模板，产生的多肽链为Poly Lys,Poly C 为模板，产生的多肽链为Poly Pro,以具有特定

7、重复序列的多聚核糖核苷酸为模板指导多肽的合成,（1）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Poly UG 为模板，合成产物为Poly Lys-Val。,（2）以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨基酸组成的多肽。如以Poly CUG 为模板，合成产物为Poly Lys-Val,核糖体结合技术,技术要点：,保温,硝酸纤维滤膜过滤,分析留在滤膜上的核糖体-AAtRNA,确定与核糖体结合的AA,以人工合成的三核苷酸为模板+核糖体+AA-tRNA,遗传密码字典,U,A,C,G,UCAG,U,C,A,G,第二位,第一位（5）,第三位（3）,UCAG,UCAG,UCAG,遗传密码的性质,1、

8、密码是无标点符号的且相邻密码子互不重叠。 2、64组密码子中，AUG既是的密码，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。 3、密码具有简并性：由一种以上密码子编码同一个 氨基酸的现象称为简并性（ dogeneracy），对应于同一氨基酸的密码子称为同义密码子(Synonymous codon)。密码的简并性可以减少有害突变 。 4、密码具有摆动性（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

9、）. 5、密码既有通用性又有变异性,遗传密码表,U,A,C,G,UCAG,U,C,A,G,第二位,第一位（5）,第三位（3）,UCAG,UCAG,UCAG,酵母tRNA Ala结构,密码子与反密码子碱基配对关系,反密码子,tRNA,5,3,A U C,5,mRNA,3,密码子,1 2 3,1966年Crick根据立体化学原理提出：,（1）mRNA上的密码子的第一、第二个碱基 总是与tRNA上 的反密码子上相应的碱基形成强有力的配对；密码的专一性主要是由这两个碱基对的 作用。 （2）有些反密码子的第一个碱基（按5-3 ）决定了该tRNA识别密码子的数目。 （3）当一种氨基酸有几个密码子时，只要他

10、们的第一 和第二个碱基中有一个不同，则需要不同的tRNA来识别。 （4）最少需要32种tRNA来翻译所有的61种密码子。,决定一个tRNA能识别几个密码子的摆动碱基,C G A U,反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基,G,U,I,识别一个密码子,识别两个密码子,识别三个密码子,人线粒体中变异的密码子及21、22种氨基酸密码子,UGA 终止信号 Trp AUA Ile Met AGA Arg 终止信号 AGG Arg 终止信号,密码子 正常情况下编码 线粒体DNA编码,UGA 终止密码子， 但如果在mRNA中有一个硒半胱氨酸插入序列 UGA就用作硒半胱氨酸的编码 。,UAG终止密码， 在产甲烷

11、菌中编码 吡咯赖氨酸,核糖体,核 糖 体,是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。,1、核糖体是一个复杂的超分子结构 2、核糖体的功能,核糖体的组成,tRNA,tRNA （transfer ribonucleic asid）在蛋白质合成中处于关键地位，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的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。充当把核酸 “语言”翻译为蛋白质“语言”的适配器(adaptor)。,1、tRNA的适配器(adaptor)作用 3-端上的氨基酸接

12、受位点 反密码子位点 氨酰- tRNA合成酶识别位点 核糖体识别位点 2、氨酰tRNA的合成酶的特殊作用 3、tRNA突变与校正基因 (无意义突变的抑制回复突变，reverse mutation),密码子与反密码子的配对关系,反密码子,tRNA,5,3,A U C,5,mRNA,3,密码子,1 2 3,氨酰tRNA合成酶(aminoncyl-tRNA synthetase)的特殊作用,氨酰tRNA合成酶催化一个氨酰tRNA合成酶不仅要识别特异的氨基酸，而且要识别特定的tRNA。对整个蛋白质生物合成的准确性来说，识别几十个不同的tRNA与对氨基酸的识别是同样重要的，这反映了它在保持蛋白质合成的精

13、确度中的关键作用。一些氨酰tRNA合成酶还具有校对功能，进一步保证氨基酸与tRNA结合的正性，确保整个蛋白质合成的正确性。,1、氨酰tRNA合成酶催化的反应(氨基酸的活化) 2、一些氨酰tRNA合成酶具有校对(proofriding)功能 3、氨酰tRNA合成酶对tRNA的识别,氨基酸的活化,氨基酸,ATP +,氨酰-AMP-E,E-AMP,PPi,第一步,AMP,第二步,E,氨基酸的活化,3-氨酰-tRNA,氨酰tRNA 合成酶(E),tRNA,氨酰-tRNA合成酶的校对功能,tRNA的氨酰化完成了两件事情：为肽链的合成活化氨基酸和将一个氨基酸系在tRNA上，这个tRNA指定该氨基酸在生长的

14、多肽链中的位置。核糖体是不检验系在tRNA上的氨基酸的身份的。因此，将正确的氨基酸与tRNA结合是整个蛋白质合成准确性的关键。 氨酰tRNA合成酶通过三次“过滤”实现校正功能，以保证这种准确性。 第一次“过滤”：准确识别被激活的起始氨基酸 第二次“过滤”：催化不正确连接的氨酰-AMP水解 第三次“过滤”：催化不正确负载的tRNA水解,氨酰tRNA合成酶结合错误氨基酸的校正,tRNA,+AMP+,腺苷酸化,tRNA结合,tRNA荷载,正确氨基酸,氨酰tRNA合成酶对tRNA的识别,一些氨酰tRNA合成酶识别tRNA的反密码子本身，也有一些氨酰tRNA合成酶识别tRNA分子中特异的核苷酸残基，如A

15、la-tRNA合成酶识别的tRNAAla的结构因子为氨基酸臂上的G-U 碱基对。,氨酰tRNA合成酶与tRNA之间的识别作用已被称作“第二遗传密码”，这反映了它在保持蛋白质合成的精确度中的关键作用，对整个蛋白质生物合成的准确性来说，识别几十个不同的tRNA ，这种“第二遗传密码”的“编码”规律显然明显比“第一密码”复杂得多。,基因间的校正突变,Glu,H2N,COOH,第一个突变：由于DNA突变使mRNA分子中GAG 变为UAG,GAG(Glu) UAG（终止密码）,H2N,COOH,原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图,P位（peptine site , 结合或接受肽基的部位）,A位（accepter site，结合或接受AA- tRNA的部位）,50S,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 C