分子生物学 第五章 蛋白质的生物合成

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1、 第五章 蛋白质的生物合成第一节 遗传密码蛋白质的生物合成过程，就是将DNA传递给mRNA的遗传信息，再转变成蛋白质中氨基酸排列顺序的过程 ，这一过程被称为翻译(translation)。 一. 遗传密码1.遗传密码 DNA 或 mRNA中的核苷酸序列与蛋白质 中氨基酸序列的对应关系。2. 密码子由三个相邻的碱基编码一种氨基酸或翻译的 终止信号的核苷酸三联体。遗传密码的简并性和通用性3. 遗传密码的特点 （1）通用性：动植物微生物都可使用 （2）简并性：一种氨基酸可有多种密码子编码的现象 。只有Met 和 Trp 没有。同义密码：编码同一种氨基酸的密码子。 （3）读码的连续性：不重叠无间隔。

2、（4）有起始密码 AUG 和终止密码 UAA （ocher，赭 色密码子） 、UAG （amber，琥珀密码子） 、 UGA （opal，蛋白石密码子）。 （5）方向性：密码子的阅读方向为5-3。 （6）变偶性（摆动性）：密码子的前两个碱基相同， 决定了其专一性，而第三个碱基可以发生变化。意义：1 若突变发生在第三个碱基上翻译仍可进行 。 2 利于mRNA上的密码子与 tRNA 上反密码 子配对时，使 tRNA上稀有碱基可与反密码 子配对。IMP可与AMP、UMP、CMP配对。 遗传密码的连续性遗传密码的摆动配对密码的简并性具有的生物学意义它允许生物体的DNA碱基有较大变异 的余地，使基因突变

3、可能造成的为害降至 最低程度，而不影响物种形状的表达，对 环境的适应和物种遗传的稳定。例如细菌DNA中G+C含量变动很大， 但不同G+C含量的细菌却可以编码出相同 的多肽链。这归因于同义密码子的分布规则。1989年F.J.R.Taylor证明氨基酸的极性 通常由密码子的第二位（中间）碱基决定 ，简并性由第三位碱基决定：中间碱基是U，它编码的氨基酸是非 极性、疏水的和支链的。中间碱基是C，相应的氨基酸是非极 性的或具有不带电荷的极性侧链。中间碱基是A或G，其相应氨基酸具 有亲水性。这种分布使得密码子中一个碱基被置换 ，其结果或是仍然编码相同的氨基酸；或 是以物理化学性质最接近的氨基酸相取代 ，从

4、而减少有害突变。密码子中第二位核苷酸决定氨基酸性质 的特点也被称为广义密码（GGC，general genetic codon）或密码中的密码（codon in codon）。关于密码简并现象的机制主要有：摇 摆假说：反密码子和密码子在一定范围内 的可选择配对现象。同功受体：负载同 一氨基酸，但识别不同密码子的tRNA。摇摆假说由于同义密码子的第1、2个碱基是保守的，第3个碱 基是可变的，因此解读同义密码子的tRNA的反密码子的 第1个碱基必定具有最小的专一性，也就是说它与密码子 第3个碱基之间的配对原则具有一定范围的灵活性。由于反密码子位于tRNA的突环上，因此反密码子三 联体的排列就会呈弯

5、曲弧线，不能与密码子保持完全的平 行，加上反密码子的第1个核苷酸位于非双链结构的松弛 环内，摇摆的自由度较大，从而导致密码子的第3个核苷 酸和反密码子的第1个核苷酸之间可能形成非标准的碱基 配对，反密码子的这一位点也被称为摇摆位点（一般为第 34位碱基）。如果tRNA的摇摆位点是被修饰的碱基，就可能出现 更多的选择配对关系。这种假说被称为“摇摆假说”（wobble hypothesis）密 码子的这一性质则被称为变偶性或摇摆性。摇摆假说最早由F.Crick在1966提出，并在以 后得到证实。摇摆配对使得tRNA与mRNA的双链核酸间的 Watson配对原则得到发展，其重要的生物学意义 在于仅需

6、32种tRNA便可以解读61个氨基酸密码， 例如只要有两个tRNA就可以解读编码丙氨酸的4 个密码子。大大减少了tDNA的基因种数。由于线粒体中tRNA较通用密码子的tRNA在 结构上具有较多的差异，线粒体tRNA中没有典型 的TC环；一些线粒体中没有典型的DHU环，线 粒体tRNA中具有较多的U含量，因此tRNA的二级 结构较为松弛，对密码子的识读具有更大的摇摆 ，对密码子家族采用“三中读二”（two of three reading）的识读原则。二. 参与蛋白质生物合成的物质 生物体内的各种蛋白质都是生物体内利用约20 种氨基酸为原料自行合成的。参与蛋白质生物合成的 各种因素构成了蛋白质合

7、成体系，该体系包括以下物 质。 mRNA：作为蛋白质生物合成的模板，决定多肽链中 氨基酸的排列顺序； tRNA：搬运氨基酸的工具； 核糖体（又名核蛋白体）：蛋白体生物合成的场所； 酶及其他蛋白质因子； 供能物质及无机离子。 （一） mRNA作为指导蛋白质生物合成的模板。 mRNA中每三个相邻的核苷酸组成三联 体，代表一个氨基酸的信息，此三联体 就称为密码子(coden)。共有64种不同的密码子。（二）tRNA在氨基酸tRNA合成酶催化下， 特定的tRNA可与相应的 氨基酸结合 ，生成氨基酸tRNA，从而携带氨基 酸参与蛋白质的生物合成。tRNA反密码环中部的三个核苷 酸构成三联体，可以识别mR

8、NA上 相应的密码，此三联体就称为反密 码子(anticoden)。 反密码对密码的识别，通常也是根据碱基 互补原则，即AU，GC配对。但反密码的 第一个核苷酸与第三核苷酸之间的配对，并不 严格遵循碱基互补原则。如反密码第一个核苷 酸为（次黄嘌呤），则可与A、U或C配对， 如为U，则可与A或G配对，这种配对称为不稳 定配对。 能够识别mRNA中5端起始密码AUG的 tRNA是一种特殊的tRNA，称为起始tRNA。在原核生物中，起始tRNA是一种携带甲酰 蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起始tRNA是一种携带蛋 氨酸的tRNA，即tRNAimet。在原核生物和真核生物中，

9、均存在另一种 携带蛋氨酸的tRNA，识别非起始部位的蛋氨 酸密码，AUG。 tRNA在将密码的信息及排列转换为多肽链中 的氨基酸序列的过程中起着中心及桥梁的作用。最简单的tRNA只有74个核苷酸，而最大的也 很少超过94个核苷酸。这个特点使得tRNA成为最 先被定序的核酸。序列测定的结果揭示tRNA是同源性相对较高 的RNA分子，tRNA分子含有大量修饰核苷酸和可 能存在各种碱基配对的二级结构。除了少数例外（如脊椎动物线粒体基 因组编码的tRNA），所有tRNA分子都有三 叶草式的二级结构。这种结构上的一致性是其功能所必需的 ，即不同的tRNA具有相同的功能特征，例 如均能结合核糖体的A位点和

10、P位点、具有 相似的氨基酸承受臂、DHU环、TC环以 及反密码子环等。tRNA分子的结构特征和有关部位的功能分子的5端和3端的7个碱基对形成 氨基酸承受臂（amino acid acceptor）。氨 基酸被连接到tRNA的3端的一个高度保守 的CCA序列的腺苷酸残基的3-OH上。DHU环（D loop）：即环中含有修 饰碱基二氢尿嘧啶。直接与氨基酰tRNA合成酶结合。反密码子环（anticodon loop）：含 有能在翻译期间与mRNA三联体密码子进行 碱基配对的反密码子（第34，第35，第36 位核苷酸），担负识读密码的功能。其中第34位的核苷酸表现为对密码子 中的第3位核苷酸的摇摆选择

11、配对，也被称 为摇摆位点。额外环或可变环（extra loop或 variable loop）含有35个核苷酸（类 tRNA）或1321个核苷酸（类tRNA）， 用于tRNA分类。TC环：该环的命名是因为环中始 终含有胸腺嘧啶-假尿嘧啶-胞嘧啶的序列。 其功能主要表现为与构成核糖体大亚 基的5S rRNA结合，稳定蛋白质翻译装置。同工受体tRNA（isoaccepting tRNA）摇摆假说的相对性说明了摇摆范围的局 限，在通用三联体密码中一个密码子家族 必须由两种tRNA识读。能解读同义密码子的不同tRNA被定义 为同工受体tRNA。例如丝氨酸有CGU，CGC，CGA， CGG，AGA，AG

12、G等6个密码子，分别由3 个同工受体tRNA识读，它们的反密码子分 别为GCG，GCU，UCU每一个tRNA在摇 摆原则的支配下可以识读两个密码。密码利用率（codon usage）从一般规律看，当密码子的第1、2碱基 为嘧啶碱基，生物在进化过程中往往选择 第3碱基为嘌呤碱基的密码子来编码结构基 因的氨基酸信息。了解不同生物的密码子使用率对实施遗 传转化，基因表达，基因工程以及蛋白质 工程研究具有重要的理论指导意义。（三）rRNA和核蛋白体原核生物中的核糖体大小为70S，可分为 30S小亚基和50S大亚基。其中，小亚基由16SrRNA和21种蛋白质 构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和3

13、5种蛋 白质构成。真核生物中的核糖体大小为80S，也分 为40S小亚基和60S大亚基。其中，小亚基由18SrRNA和30多种蛋 白质构成，大亚基则由5S rRNA，28S rRNA和50多种蛋白质构成，在哺乳动物中 还含有5.8 S rRNA。 rRNA的GC含量在60%左右，其基因 rDNA通常是中度重复序列，不同生物的重 复频率相差较大，从几百到几万个拷贝不 等。其中5S rRNA与tRNA的TC环存在部 分序列同源，可以氢键配对的方式稳定氨 基酰tRNA与核糖体的结合。原核生物中16S rRNA的3端具有CCU 保守序列，可与mRNA5AGG的Shine- Dilgarno序列（S.D.

14、序列）配对，以保证核 糖体对蛋白质合成的准确起译。SD序列又称为核糖体结合位点（ ribosomal binding site，RBS）。真核生物的18S rRNA3端序列尽管与 原核生物高度同源，但没有富含CCU的保 守序列，因为真核生物mRNA的5端没有 S.D.序列。23S rRNA在第2660左右的核苷酸位点 上有一个-环（alpha sarcin loop），能 与准备进入核糖体A位点的氨基酰tRNA-EF -Tu-GTP复合体结合，从而引起核糖体变构 ，有利于肽链的合成和空载tRNA的释放。当第2661个核苷酸由G突变为C后，氨 基酰tRNA-EF-Tu-GTP复合体进入A位的速

15、度明显减慢，当第2252、第2253位的G双 突变为C，将对转肽酶的活性产生抑制。核糖体的组装 大肠杆菌核糖体的 空间结构为一椭圆 球体，其30S亚基 呈哑铃状，50S亚 基带有三角，中间 凹陷形成空穴，将 30S小亚基抱住， 两亚基的结合面为 蛋白质生物合成的 场所。 核糖体的主要作用一是提供tRNA，mRNA和相关蛋白质因子的 结合位置，使它们在核糖体上保持正确的相对位 置；二是包括rRNA在内的组分具有催化功能，能 执行翻译中许多关键的化学反应。核糖体在胞内除了以多聚核糖体形式参 与蛋白质合成外，还有一部分以游离状态 存在，游离状态的核糖体占总核糖体20% 左右。核糖体通常被循环利用，核

16、糖体库中 的核糖体被释放出来后，与mRNA结合进行 蛋白质合成，然后再回到库中准备进行下 一个循环。核糖体的功能域或位点小亚基与mRNA的结合位点。大亚基与氨基酰tRNA结合位点A（ aminoacyl-tRNA site）。在肽链延长过程大亚基与肽链（肽 酰tRNA ？）结合的位点P（peptide site） 。空载tRNA离开核糖体的出口位点E （exit site）。大亚基的肽基转移酶结构域，提供肽 键形成的催化活性（peptidyl transferase site）。延伸因子-氨基酰-tRNA-GTP复合体 进入核糖体位点（EF-Tu-aa-tRNAaa-GTP site）。肽链转位因子结合位点（EF-G site ）。核糖体大亚基与5S rRNA结合位点 （5S rRNA site）。与mRNA结合的核糖体能覆盖约20个 核苷酸区域。 在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核糖体 结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但 每两