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1、蛋白质的生物合成 （翻译） Protein Biosynthesis，Translation,第 十 三 章,复制 DNA RNA 蛋 白质,转录,翻译,逆转录,蛋白质的生物合成，即翻译，就是将核酸中由 4 种核苷酸序列编码的遗传信息，通过遗传密码破译的方式解读为蛋白质一级结构中20种氨基酸的排列顺序 。,蛋白质合成体系 Protein Biosynthesis System,第 一 节,一、翻译模板mRNA及遗传密码,mRNA是遗传信息的携带者,遗传学将编码一个多肽的遗传单位称为顺反子(cistron)。 原核细胞中数个结构基因常串联为一个转录单位，转录生成的mRNA可编码几种功能相关的蛋白
2、质，为多顺反子(polycistron) 。 真核mRNA只编码一种蛋白质，为单顺反子(single cistron) 。,原核生物的多顺反子,真核生物的单顺反子,目 录,mRNA上存在遗传密码,mRNA分子上从5至3方向，由AUG开始，每3个核苷酸为一组，决定肽链上某一个氨基酸或蛋白质合成的起始、终止信号，称为三联体密码(triplet coden)。,起始密码(initiation coden): AUG,终止密码(termination coden): UAA，UAG，UGA,遗传密码表,目 录,从mRNA 5端起始密码子AUG到3端终止密码子之间的核苷酸序列，各个三联体密码连续排列编码
3、一个蛋白质多肽链，称为开放阅读框架(open reading frame, ORF)。,关于密码子（1）,从对遗传密码性质的推论到决定各个密码子的含义，进而全部阐明遗传密码，是科学上最杰出的成就之一，科学家们设计了十分出色的遗传学和生物化学实验，经过近5年的深入研究，终于在1965年编排出了遗传密码字典。 1968年美国科学家尼伦伯格（Nirenberg）等因解释遗传密码而共同获得诺贝尔生理学或医学奖。,关于密码子（2）,1954年,Gamov首先提出遗传密码(genetic code)的问题。遗传密码是指DNA或其转录本mRNA中碱基序列和蛋白质中氨基酸序列之间的相互关系。这便存在由几个核苷
4、酸决定一个氨基酸的问题。由于蛋白质含有20种氨基酸,而核苷酸酸只有4种,所以,至少要3个核苷酸组成一个密码,这样便可以有44X4=64种密码,以满足要求。Brenner和Crick在1961年的实验证明,加入或减少1或2个核苷酸便导致形成不正常的蛋白质,但加入或减少3个核苷酸则生成的蛋白质常常具有完全的活性。因此,他们认为遗传密码是由3个核苷酸成的,这也为以后的试验所证明。,至1960年,虽然RNA如何参与蛋白质合成的总轮廓已经清楚,却仍未了解遗传密码的细节。破译遗传密码的最直接而又令人信服的途径是测定一个基因的核苷酸顺序及与其对应的多肽的氨基酸顺序,然后进行比较。但那时只有测定氨基顺序的有效
5、方法,而没有测定核苷酸顺序的成熟方法。1961年Nirenberg等在大肠杆菌提取液中,借助于添加合成的多聚尿嘧啶核苷酸而合成出只含1种氨基酸苯丙氨酸的多肽,这说明polyU中含有苯丙氨酸的密码,从而部分地破译了遗传密码。随后经过科学家们的多年努力,终于对遗传密码有了较全面地了解。,关于密码子（3）,1. 连续性(commaless),遗传密码的特点,编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码间既无间断也无交叉。,基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生插入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。,2. 通用性(universal),蛋白质生物合成的整套密码
6、，从原核生物到人类都通用。 已发现少数例外，如动物细胞的线粒体、植物细胞的叶绿体。 密码的通用性进一步证明各种生物进化自同一祖先。,植物细胞的叶绿体、真核细胞的线粒体中密码子有许多不同于通用密码，例如人线粒体中，UGA不是终止码，而是色氨酸的密码子，AGA，AGG不是精氨酸的密码子，而是终止密码子，加上通用密码中的UAA和UAG，线粒体中共有四组终止码。,3. 简并性(degeneracy),目 录,概念：一种氨基酸有几组密码子，或者几组密 码子代表一种氨基酸的现象称为密码子的 简并性。 遗传密码中，除色氨酸和甲硫氨酸仅有一个密码子外，其余氨基酸有2、3、4个或多至6个三联体为其编码。,目 录
7、,意 义,这种简并性主要是由于密码子的第三个碱基发生摆动现象形成的，也就是说密码子的专一性主要由前两个碱基决定，即使第三个碱基发生突变也能翻译出正确的氨基酸，这对于保证物种的稳定性有一定意义。 如：GCU，GCC，GCA，GCG都代表丙氨酸。,4. 摆动性(wobble),概念：在翻译过程中，有时在密码子与反密码子配对时出现不遵守碱基配对规律的情况，称为遗传密码的摆动性。 摆动现象最常见于密码子的第三位碱基对反密码子的第一位碱基；且反密码子的第一位碱基可以是IMP。 反密码子与密码子的相互作用 前二对 严格碱基配对 第三对 摆动配对,密码子、反密码子配对的摆动现象,U,摆动配对,目 录,二、核
8、蛋白体是多肽链合成的装置,目 录,不同细胞核蛋白体的组成,核蛋白体作为蛋白质的合成场所具有以下几种作用：,（1）mRNA结合位点：位于小亚基头部。 （2）P位点：（peptidyl tRNA site） 又叫做肽酰tRNA位或给位。它位于大亚基，是结合起始tRNA 并向A位给出氨基酸的位置。,（3）A位点：（Aminoacyl-tRNA site） 又叫做氨基酰 tRNA 位或受位。它位于大亚基，是结合一个新进入的氨基酰tRNA 的位置（见后节叙述）。 （4）转肽酶活性部位：位于P位和A位的连接处。 （5）结合各种蛋白质因子：起始因子（IF）、延长因子(EF)、终止因子、释放因子(RF)。,原
9、核生物翻译过程中核蛋白体结构模式:,A位：氨基酰位 (aminoacyl site),P位：肽酰位 (peptidyl site),E位：排出位 (exit site),目 录,mRNA携带的遗传信息被翻译成蛋白质一级结构，但是mRNA分子与氨基酸分子之间并无直接的对应关系。这就需要经过第三者“介绍”，而tRNA分子就充当这个角色。或者说tRNA是氨基酸的运载工具。 每种氨基酸都有1-6种各自特异的tRNA来负责转运。,三、tRNA与氨基酸的活化,反密码环,氨基酸臂,（一）氨基酰-tRNA合成酶 (aminoacyl-tRNA synthetase),氨基酸的活化,第一步反应,氨基酸 ATP-
10、E 氨基酰-AMP-E PPi,目 录,第二步反应,氨基酰-AMP-E tRNA 氨基酰-tRNA AMP E,目 录,tRNA与酶结合的模型,tRNA,氨基酰-tRNA合成酶,ATP,1.氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和tRNA都有高度特异性。 2.氨基酰-tRNA合成酶具有校正活性(proofreading activity) 。,氨基酰-tRNA合成酶的特点：,氨基酰-tRNA的表示方法,完整写法： 丙氨酰-tRNA ：ala-tRNAala 谷氨酰-tRNA ：glu-tRNAglu 简写： ala-tRNA glu-tRNA,真核生物： Met-tRNAiMet（甲硫氨酸） 原核
11、生物： fMet-tRNAfMet （甲酰甲硫氨酸）,（二）起始肽链合成的氨基酰-tRNA,注意：,AUG为起始密码，又在延长过程中为相应的氨基酸编码，因此有两种氨基酰-tRNA。 1. 在真核生物中为甲硫氨酸编码。分别为用于起始的met-tRNAimet ；用于延长的met-tRNAmet 。 2.在原核生物中作为起始密码的AUG却是为甲酰甲硫氨酸编码（N10甲酰四氢叶酸提供甲酰基）。因此分别为用于起始的fmet-tRNA fmet ；用于延长的met-tRNAmet 。 也就是说在原核生物的蛋白质合成中，第一个氨基酸为甲酰甲硫氨酸。,蛋白质生物合成过程 The Process of Pro
12、tein Biosynthesis,第 二 节,蛋白质生物合成亦称为翻译（Translation），即把mRNA分子中碱基排列顺序转变为蛋白质或多肽链中的氨基酸排列顺序过程。 参与蛋白质生物合成的成份至少有200种，主要由mRNA、tRNA、核糖核蛋白体以及有关的酶和蛋白质因子共同组成。,参与蛋白质生物合成的成份 (可溶性蛋白质因子),起始因子 延长因子 释放因子,initiation factors IF eukaryote initiation factors eIF elongation factors EF eukaryote elongation factors eEF releas
13、e factors RF,翻译的起始(initiation) 翻译的延长(elongation) 翻译的终止(termination ),整个翻译过程可分为 ：,翻译过程从阅读框架的5-AUG开始，按mRNA模板三联体密码的顺序延长肽链，直至终止密码出现。,一、肽链合成起始,指mRNA和起始氨基酰-tRNA分别与核蛋白体结合而形成翻译起始复合物 (translational initiation complex)。,（一）原核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； mRNA在小亚基定位结合； 起始氨基酰-tRNA的结合； 核蛋白体大亚基结合。,原核、真核生物各种起始因子的生物功能,IF
14、-3,IF-1,1. 核蛋白体大小亚基分离,目 录,IF-3,IF-1,2. mRNA在小亚基定位结合,目 录,原核生物中mRNA都具有核糖体结合位点，它是位于AUG上游8-13个核苷酸处的一个短片段（4-6个核苷酸）叫做SD序列。这段序列正好与核糖体 30S小亚基中的16s rRNA的3端一部分序列互补，因此SD序列也叫做核糖体结合序列。 SD序列(shine-Dalgarno序列):-原核生物 1.位于起始密码上游10个核苷酸左右的位置； 2.序列富含嘌呤(如AGGA /GAGG）的一段序列; 3.能和原核生物16s rRNA相应的富含嘧啶序列互补; 4.在IF3、IF1促进下和30S亚基
15、结合。,S-D序列,IF-3,IF-1,3. 起始氨基酰tRNA( fMet-tRNAimet )结合到小亚基,目 录,IF-3,IF-1,IF-2,GTP,GDP,Pi,4. 核蛋白体大亚基结合，起始复合物形成,目 录,IF-3,IF-1,IF-2,-GTP,GDP,Pi,目 录,（二）真核生物翻译起始复合物形成,核蛋白体大小亚基分离； 起始氨基酰-tRNA结合； mRNA在核蛋白体小亚基就位； 核蛋白体大亚基结合。,真核生物翻译起始复合物形成过程,二、肽链合成延长,指根据mRNA密码序列的指导，次序添加氨基酸从N端向C端延伸肽链，直到合成终止的过程。,肽链的延长也称为核蛋白体循环（狭义）
16、， 而广义的核蛋白体循环（ribosome cycle）指翻译的全过程。 每次循环增加一个氨基酸，包括以下三步： 进位(entrance) 成肽(peptide bond formation) 转位(translocation),延伸过程所需蛋白因子称为延长因子(elongation factor, EF) 原核生物：EF-T (EF-Tu, EF-Ts) EF-G 真核生物：EF-1 、EF-2,肽链合成的延长因子,又称注册(registration),（一）进位,指根据mRNA下一组遗传密码指导，使相应氨基酰-tRNA进入核蛋白体A位。,目 录,延长因子EF-T催化进位（原核生物）,目 录,Tu,Ts,GTP,GDP,Tu,Ts,GTP,目 录,（二）成
