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1、蛋白质的合成及转运,内 容,第一节 遗传密码 第二节 蛋白质合成的分子基础 第三节 蛋白质合成的步骤 第三节 蛋白质的运输及翻译后修饰,第一节 遗传密码,遗传密码(genetic code): 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(triplet)密码。,一、遗传密码密码的破译,1954年Gamov确认核酸分子中三个碱基决定一个氨基酸。 1961年Crick等用遗传学方法也证实三联体密码子学说是正确的。,缺失或插入核苷酸引起三联体
2、密码的改变,CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAT CAC ATC ATC ATC ATC CAT CAC AXT CAT CAT CAT CAX TXC ATX CAT CAT CAT,-1,-1,+1,+3,1.1961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 Poly C 为模板，产生的多肽链为Poly Pro Poly U 为模板，产生的多肽链为Poly Phe Poly A 为模板，产生的多肽
3、链为Poly Lys,证明三联体密码的三个著名实验,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,3. 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。 以特定的共聚物为模板指导多肽的合成 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 UGU GUG UGU 合成产物为P
4、oly Lys-Val 。 以多聚三核苷酸作为模板，可得三种氨基酸组成 的多肽 UCG UCG UCG 。,Phe Phe Phe,Ser Ser Ser,Leu Leu Ser,Established the chemical structure of tRNA,Devised methods to synthesize RNAs with defined sequences,Established the in vitro system for revealing the genetic codes,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）
5、,UCAG,UCAG,UCAG,二、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(Synonymous codon)。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
6、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,反密码子与密码子之间的碱基配对,A U C G,反密码子第一位碱基 密码子第三位碱基,G,U C,U,A G,I,U C A,次黄嘌呤核苷酸（I）常常出现在tRNA的5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,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A or G亲水的a
7、a 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,人线粒体中变异的密码子,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,第二节 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,原核细胞mRNA的结构特点,5,3,顺反子,顺反子,先导区,SD区,特
8、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712个核苷酸处有一被称为SD序列的保守区， 16S rRNA3- 端反向互补而使mRNA与核糖体结合。,AUG UAA AUG UAA AUG UAA,读码框架,核糖体识别位点,一、mRNA是蛋白质合成的模板,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。,AGGAGGU,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
9、。,Poly(A)尾巴的功能 是mRNA由细胞核进入细胞质所必需的形式 它大大提高了mRNA在细胞质中的稳定性,AAAAAAA-OH,读码框架,核糖体识别位点,AUG UAA,tRNA,（transfer ribonucleic asid）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的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，reverse mut
10、ation),二、t RNA转运活化的氨基酸至mRNA模板上,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,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,核糖体（ribosome）是由rRNA（ribosomal ribonucleic acid）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,核糖体的组成,原
11、核生物核 糖体的组成,16S rRNA 的二级结构,多核糖体,原核细胞70S核糖体的A位、P位及mRNA结合部位示意图,mRNA,第三节 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,氨基酸的活化,氨基酸,ATP +,氨酰腺苷酸,E-AMP,PPi,第一步,AMP,第二步,E,3-氨酰-tRNA,一、氨基酸的活化与转运,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。,二、肽
12、链合成的起始,所需的条件：,游离的核糖体大小亚基 mRNA 5端的起始信号 起始tRNAtRNAimet （原核生物fmet-tRNAifmet） GTP 三种可溶性起始因子(IF),N-甲酰甲硫氨酰-tRNAiMet的形成,Met-tRNAiMet,fMet-tRNAtfMet,N10-CHO-FH4,FH4,转甲酰酶,三种起始因子 IF1 IF2 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 特异识别fmet-tRNAifmet 形成fmet-tRNAifmet
13、- IF2-GTP 终止时：促使核糖体解离,（真核生物起始因子eIF有911种）,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,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16s rRNA相应的富含嘧啶序列 互补。 4.在IF3
14、、IF1促进下和30S亚基结合。,起始密码,SD序列,70s起始复合物形成 1.IF3脱落 2.50S大亚基结合 3.GTP GDP+Pi 4.IF2、IF1脱落,70s起始复合物组成 1.大小亚基 2.mRNA 3. fmet-tRNAifmet （结合于核糖体的 给位）,30S亚基 mRNA IF3- IF1复合物,30S mRNA GTP- fMet tRNA- IF2- IF1复合物,70S起始复合物,mRNA +30S亚基-IF3,IF-1,70S起始复合物,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EFTu、EF
15、Ts （真核生物EF1，多亚基， 具有Tu 和Ts的功能） 2GTP,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-Tu EF-Ts,协助AA-tRNA进入A位 具有GTP酶活性 促进EF-Tu的再利用,TuTs循环,Ts,Ts-GDP,核糖体,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-COO- + A位：氨基酰的-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,肽基转移酶（peptidyl transferase）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23s rRNA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。,3. 移位 在A位的二肽链连同mRNA从受位进入P位,移位因子 位置 方向,EFG（真核生物EF2） 有GTP酶活性 游离tRNA释放 P位：肽-tRNA-mRNA A位：空留,下一个AA进入 mRNA：
