[王镜岩生物化学第三版笔记]第十五章 蛋白质合成

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1、 第十五章 蛋白质的合成第十五章 蛋白质的合成 第一节第一节 MRNA一、 原核生物MRNA的结构二、 真核生物MRNA的结构第二节第二节 遗传密码遗传密码一、 遗传密码的破译二、 遗传密码的特点第三节第三节 核糖体核糖体一、 核糖体的结构与组成二、 RRNA与核糖体蛋白的结构与功能(一)、 rRNA的结构与功能(二)、 核糖体蛋白的结构与功能第四节第四节 蛋白质合成的机理蛋白质合成的机理一、 氨酰TRNA合成酶： 氨基酸的活化和氨酰TRNA的合成(一)、 活化(二)、 连接二、 蛋白质合成的一般过程(一)、 翻译起始(二)、 延伸(三)、 终止(四)、 翻译后加工三、 原核生物的蛋白质合成(

2、一)、 翻译起始(二)、 延伸1、 新氨酰tRNA入位2、 肽键形成（转肽）3、 核糖体移位。(三)、 终止(四)、 原核生物的翻译后加工1、 切除加工2、 糖基化3、 甲基化4、 磷酸化(五)、 原核生物的翻译调控四、 真核生物的蛋白质合成(一)、 翻译起始(二)、 延伸1、 入位2、 肽键形成（转肽）3、 移位(三)、 终止(四)、 真核生物的翻译后加工1、 切除加工2、 糖基化3、 羟基化4、 磷酸化5、 亲脂修饰6、 甲基化7、 二硫键形成(五)、 真核生物的翻译调控1、 mRNA向细胞质的运输2、 mRNA的稳定性3、 翻译的负调控4、 起始因子磷酸化。5、 translationa

3、l frameshifting五、 蛋白质合成后的定向转运(一)、 信号肽: 翻译转运同步机制(二)、 翻译后转运机制（posttranslational translocation）六、 蛋白质的折叠第十五章蛋白质的合成2 0B 对于终产物为 RNA 的基因， 只要进行转录及转录后的处理， 就完成了基因表达的全过程。而对于终产物是蛋白质的基因，还必须将 mRNA 翻译成蛋白质。 因此，蛋白质是基因表达的最终产物（基因表达的最终产物还包括 tRNA、rRNA 及其他RNA） ，蛋白质的生物合成过程实质上也是基因表达的一个过程，它包括转录和翻译。从化学的角度讲， 蛋白质的合成就是 20 种基酸按

4、照特定地顺序聚合成多肽并按照一定的折叠机制折叠成最终的活性构象状态。那么，我们要问，在生物体内是谁直接决定着蛋白质合成的氨基酸顺序从而最终主宰了它的高级结构和功能的呢？mRNA。 根据中心法则，DNA 特定的碱基次序 A、T、G、C 就象一串密码（称为遗传密码） ，首先经过转录作用，DNA 的 A、T、G、C 碱基序列严格按照碱基配对原则被复制成 mRNA 的A、U、G、C 序列，于是 mRNA 就直接充当了蛋白质合成的模板，mRNA 的 A、U、G、C序列被转变成蛋白质的氨基酸序列，这种转变是一个质的飞跃，称为翻译，就好象把一种语言（碱基序列）翻译成另一种语言（氨基酸序列） 。 那么在翻译过

5、程中就有两个关键性地问题： （1）遗传密码（碱基序列）到底是怎样决定氨基酸序列的呢？也就是说什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？（2）通过什么样的方式或机制实现碱基序列到氨基酸序列的转变？因为氨基酸不能与碱基配对，因此一个碱基序列显然不能象转录一样简单地直接转换成氨基酸序列，而必须通过一种中间分子（又称接头分子）的媒介作用来实现，而且这种接头分子要能同时识别碱基序列和它所决定的氨基酸序列。这种接头就是 tRNA 分子。 需要指出的是蛋白质的合成是一个复杂的过程，包括翻译、翻译后加工和定向输送以及正确折叠，而且到现在为止，其中的许多重要方面仍在研究之中。 真核生物蛋白质的合成，需要 300

6、 多种生物大分子协同工作：核糖体 RNA 及结合蛋白、各种酶、各种 tRNA、加工修饰酶等。 蛋白质合成的场所：标记各种 a.a，注入大鼠体内，在不同时间取出肝脏，匀浆，离心分离各种亚细胞器，分析放射性蛋白的分布，证实蛋白质的合成是在核糖体上进行的。 首先认识一下 mRNA、遗传密码、和核糖体，然后再深入学习蛋白质合成的细节过程。 第一节 第一节 mRNA mRNA 的概念首先是由 F.Jacob 和 J.Monod1965 年提出来的因为当时已经知道编码蛋白质的遗传信息载体是在细胞核中，而蛋白质的合成是在细胞质中，于是就推测，应该有一种中间信使在细胞核中合成后携带上遗传信息进入细胞质中指导蛋

7、白质的合成，后来经过众多科学家的实验， 发现了除 rRNA 和 tRNA 之外的第三种 RNA,它起着这种遗传信息传送的功能, 称为信使 RNA(mRNA)。mRNA 的半衰期很短,很不稳定,一旦完成其使命后很快就第十五章蛋白质的合成3 0B 被水解掉。 原核生物和真核生物 mRNA 的结构差异教大，尤其是在 5端。 一、 原核生物一、 原核生物mRNA的结构的结构 （1） 5端 SD 序列 P404-P405 在起始密码子 AUG 上游 9-13 个核苷酸处，有一段可与核糖体 16S rRNA 配对结合的、富含嘌呤的 3-9 个核苷酸的共同序列，一般为 AGGA，此序列称 SD 序列。它与核

8、糖体小亚基内 16S rRNA 的 3端一段富含嘧啶的序列 GAUCACCUCCUUA-OH（暂称反 SD 序列）互补，形成氢键。使得结合于 30S 亚基上的起始 tRNA 能正确地定位于 mRNA 的起始密码子AUG。 （2） 原核 mRNA 分子，许多是多顺反子。 转译时，各个基因都有自己的 SD 序列、起始密码子、终止密码子，分别控制其合成的起始与终止，也就是说，每个基因的翻译都是相对独立的。如 E.coli，一个 7000b 的 mRNA编码 5 种与 Trp 合成有关的酶 二、 真核生物二、 真核生物mRNA的结构的结构 （1） 真核生物 mRNA5端均具有 m7GpppN 帽子结构

9、，无 SD 序列。 帽子结构具有增强翻译效率的作用。若起始 AUG 与帽子结构间的距离太近（小于 12 个核苷酸） ，就不能有效利用这个 AUG，会从下游适当的 AUG 起始翻译。当距离在 17-80 个核苷酸之间时，离体翻译效率与距离成正比。 （2） 真核生物 mRNA 通常是单顺反子。 真核 mRNA 具有“第一 AUG 规律” ，即当 5端具有数个 AUG 时，其中只有一个 AUG为主要开放阅读框架的翻译起点。起始 AUG 具有二个特点： （1）AUG 上游的 -3 经常是嘌呤，尤其是 A。 （2）紧跟 AUG 的 +4 常常是 G。 起始 AUG 邻近序列中，以 ANNAUGGN 的频

10、率最高。若-3 不是 A，则+4 必须是 G。无此规律的 AUG，则无起始功能。 有关 mRNA 发现及其证实的细节看书 P391. 第十五章蛋白质的合成4 0B 第二节 遗传密码第二节 遗传密码 我们已经知道,多肽上氨基酸的排列次序最终是由 DNA 上核苷酸的排列次序决定的，而直接决定多肽上氨基酸次序的是 mRNA 上的核苷酸的排列次序,不论是 DNA 还是 mRNA 都是由 4 种核苷酸构成，而组成多肽的氨基酸有 20 种,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,如果每 2 个核苷酸编码 1 个氨基酸,那么 4 种核苷酸只有 16 中编码方式，显然不行

11、,如果每 3 个核苷酸编码 1 个氨基酸,则有 64 种编码方式,很理想,如果 4 对 1 则有 256 种,太没必要也太复杂了,时刻记住生物体是一个最理想的体系.而且科学家们用生物化学实验已经证实是 3 个碱基编码 1 个氨基酸,称为三联体密码或密码子。那么让我们看一下遗传密码是如何破译的。 一、 遗传密码的破译一、 遗传密码的破译 在遗传密码的破译中,美国科学家 M.W.Nirenberg 等人做出了重要贡献 ,并于 1968 年获得了诺贝尔生理医学奖. 早在 1961 年，M.W.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

12、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：UCUCUC 和 CUCUCU 采用这种方式，到 1965 年就全部破译了 64 组密码子，见表 P394。 二、 遗传密码的特点二、 遗传密码的特点 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 UAG、UAA、UG

13、A，密码子 AUG（编码 Met）又称起始密码子。 密码子：mRNA 上由三个相邻的核苷酸组成一个密码子，代表肽链合成中的某种氨基酸或合成的起始与终止信号。 （1）方向性：从 mRNA 的 5到 3 （2）连读性 编码一个肽链的所有密码子是一个接着一个地线形排列， 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） 。 第十五章蛋白质的合成5 0B 需要指出的是，两个基因之间或两个 ORF 之间可能会互相部分重叠（共用部分序列） 。 （3）简并

14、性 几种密码子编码一种氨基酸的现象称为密码子的简并性。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。只有 Met 和 Trp 没有简并密码。一般情况下密码子的简并性只涉及第三位碱基。 问题：简并性的生物学意义？ A、可以降低由于遗传密码突变造成的灾难性后果 试想，如果每种氨基酸只有一个密码子，那么剩下的 44 个密码子都了终止子，如果一旦哪个氨基酸的密码子发生了单碱基的点突变，那么极有可能造成肽链合成的过早终止。如GUU 编码 Ala，由于简并性的存在，不论第三位的 U 变成什么，都仍然编码 Ala B、可以使 DNA 上的碱基组成

15、有较达的变化余地，而仍然保持多肽上氨基酸序列不变（意思基本同上） 。 （4）摇摆性 密码子中第三位碱基与反密码子第一位碱基的配对有时不一定完全遵循 A-U、G-C的原则，也就是说密码子的碱基配对只有第一、二位是严谨的，第三位严谨度低，Crick 把这种情况称为摇摆性，有人也称摆动配对或不稳定配对。显然，密码子的第三位和反密码子的第一位是摇摆位点。 具体说来，反密码子第一位的 G 可以与密码子第三位的 C、U 配对，U 可以与 A、G 配对，另外反密码子中还经常出现罕见的 I，可以和密码子的 U、C、A 配对，这使得该类反密码子的阅读能力更强。见表 P396 问题：细胞内有几种 tRNA？ 当遗

16、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，那么，叶绿体内就有 30 种左右 tRNAs，线粒体只有 24 种。 （5）通用性：密码子在不同物种间几乎是完全通用的。 目前只发现线粒体和叶绿体内有列外情况，这也是如火如荼的转基因的前提。但要注意的是不同生物往往偏爱某一种密码子。 第十五章蛋白质的合成6 0B 第三节 核糖体第三节 核糖体 核糖体又称核蛋白体，它是蛋白质合成的场所：标记各种 a.a，注入大鼠体内，在不同时间取出肝脏，匀浆，离心分离各种亚细胞器，分析放射性蛋白的分布，证实