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1、蛋白质的生物合成生物化学与分子生物学教研室刘 先 俊背景环境分析一、概 述以RNA中的mRNA为模板，将mRNA的碱基所组成的遗传密码转变为蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，称为蛋白质的生物合成，也称为翻译（translation）。简言之，就是生物体以mRNA为模板合成蛋白质的过程。翻译过程中核酸的作用:背景环境分析背景环境分析二、蛋白质生物合成体系 基本原料：20种编码氨基酸 模板：mRNA 适配器：tRNA 装配机：核蛋白体 主要酶和蛋白质因子：氨基酰-tRNA合成 酶、转肽酶、起始因子、延长因子、释放 因子等 能源物质：ATP、GTP 无机离子：Mg2+、 K+背景环境分析（一）mRNA是
2、遗传信息的携带者 mRNA来源、生物遗传信息储存于DNAmRNA分子中的碱基排列序列决定了蛋白 质分子中的氨基酸排列顺序。 mRNA中相邻的3个碱基代表一个氨基酸，三个相 邻的碱基称为一组密码（coden），或称三联 体密码。 64组密码组成遗传密码表： 起始密码：1组（AUG），兼作Met的密码 终止密码：3组（UAA、UGA、UAG） 61组密码编码20种-氨基酸背景环境分析遗 传 密 码 表密码的第1 位碱基(5 端）密 码 的 第 二 位 碱 基 密码的 第3位碱 基(3端) UCAGUUUU苯丙氨酸 UUC苯丙氨酸 UUA亮氨酸 UUG亮氨酸 UCU 丝氨酸UCC 丝氨酸 UGA 丝
3、氨酸UCG 丝氨酸 UAU 酪氨酸 UAC 酪氨酸 UAA终止密码 UAG终止密码 UGU半胱氨酸 UGC半胱氨酸 UGA终止密码 UGG 色氨酸 U C A G CCUU 亮氨酸 CUC 亮氨酸 CUA 亮氨酸CUG 亮氨酸 CCU 脯氨酸 CCC 脯氨酸 CCA 脯氨酸 CCG 脯氨酸 CAU 组氨酸 CAC 组氨酸 CAA谷胺酰胺 CAG谷胺酰胺 CGU 精氨酸CGC 精氨酸CGA 精氨酸CGG 精氨酸 U C AG A AUU异亮氨酸 AUC异亮氨酸 AUA异亮氨酸 AUG甲硫氨酸 （ 兼起始密码 ）ACU 苏氨酸 ACC 苏氨酸 ACA 苏氨酸 ACG 苏氨酸 AAU天冬酰胺AAC天
4、冬酰胺 AAA赖氨酸 AAG 赖氨酸 AGU 丝氨酸 AGC 丝氨酸 AGA 精氨酸 AGG 精氨酸 U C A G G GUU 缬氨酸 GUC 缬氨酸 GUA 缬氨酸 GUG 缬氨酸 GCU 丙氨酸 GCC 丙氨酸 GCA 丙氨酸 GCG 丙氨酸 GAU天冬氨酸 GAC天冬氨酸 GAA谷氨酸GAG 谷氨酸 GGU 甘氨酸 GGC 甘氨酸 GGA 甘氨酸 GGG 甘氨酸 U C A G 背景环境分析mRNA的基本结构Start of genetic message CapEndTail5-端非翻译区 533-端非翻译区 开放阅读框架 从mRNA 5-端起始密码子AUG到3-端终止密 码子之间的
5、核苷酸序列，称为开放阅读框架 (open reading frame, ORF)。背景环境分析 原核生物的多顺反子 真核生物的单顺反子非编码序列核蛋白体结合位点起始密码子终止密码子编码序列PPP53蛋白质PPPmG -53蛋白质AAA 背景环境分析遗传密码的特点： 1连续性（commaless）编码蛋白质氨基酸序列的各个三联体密码连续阅读，密码子及密码子的各碱基之间既无间隔也无交叉。 5.5.A U GA U G G C AG C A G U AG U A C A UC A U U A AU A A 3 3AlaValHisMet终止密码背景环境分析基因损伤引起mRNA阅读框架内的碱基发生 插
6、入或缺失，可能导致框移突变(frameshift mutation)。缬 脯 苏 天冬缬 丙 酪 甘缬 丙 丝 精背景环境分析2. 方向性(sideness)翻译时遗传密码的阅读方向是53，即读码从mRNA的起始密码子AUG开始，按53的方向逐一阅读，直至终止密码子。 NC 肽链延伸方向53读码方向背景环境分析3简并性（degeneracy）在遗传密码表中，共有64组密码（43 ）。其中，3组作为翻译的终止密码（UAA 、UAG和UGA）；AUG兼作翻译的起始密码（ AUG是蛋氨酸的密码），其余61组密码（包 括AUG作为亮氨酸的密码）共同编码20种 -氨基酸。因此，必然有一种氨基酸由多组 密
7、码编码的现象，称为密码的简并性。实 际上，除色氨酸与蛋氨酸（由一个密码编 码）外，其余氨基酸均由两个或两个以上 的密码编码（26个）。背景环境分析各种氨基酸的密码子数目背景环境分析4通用性（universal）:无论原核生物如病毒、细菌等和真核 生物包括人类都共用一套遗传密码即三联 体密码。只是不同生物对密码子具有偏爱 性。背景环境分析（二）tRNA是搬运氨基酸的工具 1. tRNA的结构背景环境分析tRNA分子中与蛋白质合成有关的位点： 1）氨基酸结合位点； 2）氨酰-tRNA合成酶识别位点； 3）核糖体识别位点； 4）反密码位点：反密码与密码结合时方向相反。即反密码的 第1、2、3位碱基分
8、别与密码的第3、2、1位碱基 配对。背景环境分析反密码与密码配对时，反密码的第2、3位碱基分 别与密码的第2、1位碱基配对时严格遵循碱基配对规 则（即A与U、G与C配对），而反密码的第1位碱基与 密码的第3位碱基配对时不严格遵循碱基配对规则， 后者成为摆动配对或不稳定配对（wobble base pair ）。摆动配对情况通过摆动配对，使得携带有同种氨基 酸的不同tRNA分子可分别结合在几种同义 密码上。如反密码为IGC的丙氨酰-tRNA， 可分别结合到同义密码GCU、GCC、GCA上（ GCU、GCC、GCA均为编码丙氨酸的密码）。 摆动配对的存在对于保持生物物种的稳定 具有重要意义。反密码
9、的第1位碱基GCAUI密码的第3位碱基U或C GUA或GA、U或CtRNA是氨基酸与遗传密码间的适配器2.氨酰-tRNA各种氨基酸和对应的tRNA结合后形成 的氨基酰-tRNA表示为：氨基酸的三字母缩写-tRNA氨基酸的三字母缩写例如： 丙氨酰-tRNA：Ala-tRNAAla 精氨酰-tRNA：Arg-tRNAArg 甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAMet 起始者甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAiMet 延长甲硫氨酰-tRNA： Met-tRNAeMet在生物体内，一种tRNA只能与一种氨 基酸结合（即一种tRNA只能搬运一种氨基 酸），而一种氨基酸可与一种以上的tRNA 分子结
10、合，所以，tRNA的种类(80种以上） 比氨基酸（20种）多。(三)核糖体是蛋白质生物合成的场所核糖体是肽链合成的“装配机”。 胞质中核糖体种类： 游离的核糖体游离的核糖体-合成细胞固有蛋白合成细胞固有蛋白 与粗面内质网结合的核糖体与粗面内质网结合的核糖体-合成带有信号肽的分泌性蛋白质合成带有信号肽的分泌性蛋白质核糖体由大、小亚基组成，其组成成份包括rRNA和蛋白质。原核生物真核生物核蛋白 体小亚基大亚基核蛋 白体小亚基大亚基S值70S30S50S80S40S60SrRNA16S-rRNA23S-rRNA 5S-rRNA18S-rRNA28S-rRNA 5.8S-rRNA 5S-rRNA蛋白
11、质rpS 21种rpL 36种rpS 33种rpL 49种不同细胞核蛋白体的组成在核糖体上，与蛋白质生物合成有关的主要 结构有： 1有容纳mRNA的部位； 2有结合氨酰-tRNA的部位，称为氨酰基部位，简 称A位;有结合肽酰-tRNA的部位，称为肽酰基部 位，简称P位； 3.有结合蛋白质因子的部位； 4有转肽基酶（transpeptidase）存在，可催化 肽键的形成； 5.具有延长因子依赖的GTP酶活性。A位和P位呈紧密相邻，每个部位的宽度正好 相当于mRNA上一个遗传密码的宽度。mRNA与核糖体的结合原核生物核糖体的小亚基的rRNA（16S）的3末端有一富含嘧啶的区段，可与 mRNA分子的
12、起始部位的一段富含嘌呤的区 段互补结合，使mRNA结合至核糖体上。 mRNA分子中的这段富含嘌呤的区段称为S-D 序列（Shine-Dalgarno sequence）(通常为GGAGGU)。S-D序列位于mRNA的5端紧接 起始信号的上游。原核生物mRNA的S-D序列及其与16SrRNA的结合三、蛋白质生物合成过程蛋白质的生物合成过程包括：氨基酸的活化与转运活化氨基酸在核糖体上形成多肽链。后者 是蛋白质生物合成的中心环节，又称核糖 体循环。翻译后加工氨基酸与tRNA的结合需要氨酰tRNA合成酶催化，并需要消耗ATP。（一）氨基酸的活化与转运氨基酸 + tRNA氨基酰- tRNAATPAMPP
13、Pi氨基酰-tRNA合成酶氨基酸 ATP-E 氨基酰-AMP-E PPi 第一步反应 第二步反应氨基酰-AMP-E tRNA氨基酰-tRNA AMP E氨基酰-tRNA合成酶对底物氨基酸和 tRNA都有高度特异性。绝对专一性：绝对专一性：1 1个个A.AA.A对应对应1 1个氨基酰个氨基酰tRNAtRNA合成酶合成酶 催化反应：催化反应：活化活化A.A-A.A-活化活化“-COOH-COOH”，消耗，消耗2 2个个ATPATP， 产产 物物氨酰氨酰tRNAtRNA 酶的两个位点：酶的两个位点：结合位点结合位点- -结合正确的结合正确的A.AA.A，活化，活化水解位点水解位点- -保证保证A.A
14、A.A序列的正确性序列的正确性( (校正活性校正活性) )氨基酰-tRNA合成酶（二）原核生物核糖体循环翻译时，从mRNA的起始密码子AUG开始，按53方向逐一读码，直至终止密码子。于是，合成中的肽链从起始甲硫氨酸开始，从N-端C-端延长，直至终止密码子前一位密码子所编码的氨基酸。 （一）起始是指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的过程 。 基本过程：1. 核蛋白体大小亚基分离；2. mRNA在小亚基定位结合；3. 起始氨基酰-tRNA的结合； 4. 核蛋白体大亚基结合。 指在mRNA模板的指导下，氨基酸依次进 入核蛋白体并聚合成多肽链的过程。1. 进位(p
15、ositioning)/注册 (registration)2. 成肽(peptide bond formation)3. 转位(translocation) （二）延长 肽链延长在核蛋白体上连续循环式进行 ，包括以下三步： 每轮循环使多肽链增加一个氨基酸残基。1. 进位又称注册(registration)，是指一个氨基酰-tRNA按照mRNA模板的指令进入并结合到核蛋白体A位的过程。进位需要延长因子EF-Tu与EF-Ts参与。 2.成肽成肽是在转肽酶(peptidase)的催化下，核蛋白体P位上起始氨基酰-tRNA的N-甲酰甲硫氨酰基或肽酰-tRNA的肽酰基转移到A位并与A位上氨基酰-tRNA
16、的-氨基结合形成肽键的过程。 3. 移位转位是在转位酶（延长因子EF-G）的催化下，核蛋白体向mRNA的3-端移动一个密码子的距离，使mRNA序列上的下一个密码子进入核蛋白体的A位、而占据A位的肽酰-tRNA移入P位的过程。 移位需要延长因子EF-G参与。进 位移 位成肽肽链合成延长(核蛋白体循环)过程（三）终止指核蛋白体A位出现mRNA的终止密码子后，多肽链合成停止，肽链从肽酰-tRNA中释出，mRNA、核蛋白体大、小亚基等分离的过程。 终止阶段需要释放因子RF-1、 RF-2和 RF-3参与。 RF-3可结合核蛋白体其他部位，有GTP酶活性，能 介导RF-1、RF-2与核蛋白体的相互作用。 n释放因子的功能： 识别
