蛋白质的生物合成-1

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1、第十五章 蛋白质的合成,DNA: ATGCATGCATGC,RNA: AUGCAUGCAUGC,PROTEIN: aa1 aa2 aa3 aa4,什么样的碱基序列决定什么样的氨基酸序列呢？,如何实现碱基序列到氨基酸序列的转变？,第一节 蛋白质生物合成的理论基础 一、 mRNA （一）、 原核生物mRNA的结构 （1） 5端SD序列 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。 它与核糖体小亚基内16S rRNA的3端一段富含嘧啶的序列 GAUCACCUCCUUA-OH互补，使得结合于

2、30S亚基上的起始tRNA能正确地定位于mRNA的起始密码子AUG。,（2）许多原核mRNA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7000bp的mRNA编码5种与Trp合成有关的酶,（二）、 真核生物mRNA的结构 （1） 真核mRNA5端具有m7GpppN帽子结构，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

3、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： AUG上游的 -3经常是嘌呤，尤其是A。 紧跟AUG的 +4常常是G。 起始AUG邻近序列中，以ANNAUGGN的频率最高。若-3不是A，则+4必须是G。无此规律的AUG，则无起始功能。,二、 遗传密码 3个碱基编码1个氨基酸,称为三联体密码或密码子 （一）、 遗传密码的特点 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、UGA，密码子

4、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（不包括终止子）构成一个完整的读码框架，又称开放阅读框架（ORF）。 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）。 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、GG

5、G、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。,（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，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。 密码子的第三位和反密码子的第一位是摇摆位点。 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，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。,（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

6、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。,三、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mRNA上相应的密码，此三联体就称为反密码(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，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端起动密码AUG的tRNA是一

7、种特殊的tRNA，称为起动tRNA。在原核生物中，起动tRNA是一种携带甲酰蛋氨酸的tRNA，即tRNAifmet；而在真核生物中，起动tRNA是一种携带蛋氨酸的tRNA，即tRNAimet。 在原核生物和真核生物中，均存在另一种携带蛋氨酸的tRNA，识别非起动部位的蛋氨酸密码，AUG。,四、rRNA和核蛋白体 原核生物中的核蛋白体大小为70S，可分为30S小亚基和50S大亚基。小亚基由16SrRNA和21种蛋白质构成，大亚基由5SrRNA，23SRNA和35种蛋白质构成。 真核生物中的核蛋白体大小为80S，也分为40S小亚基和60S大亚基。小亚基由18SrRNA和30多种蛋白质构成，大亚基则

8、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。,核蛋白体的组装,大肠杆菌核蛋白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。,核蛋白体的大、小亚基分别有不同的功能： 1小亚基：可与mRNA、GTP和起动tRNA结合。 2大亚基： （1）具有两个不同的tRNA结合点。A位（右） 受位或氨酰基位，可与新进入的氨基酰tRNA结合；P位（左）给位或肽酰基位，可与延伸中的肽酰基tRNA结合。 （2）具有转肽酶活性：将给位上的肽酰基转移给受位上的氨基酰tRNA

9、，形成肽键。 （3）具有GTPase活性，水解GTP，获得能量。 （4）具有起动因子、延长因子及释放因子的结合部位。,在蛋白质生物合成过程中，常常由若干核蛋白体结合在同一mRNA分子上，同时进行翻译，但每两个相邻核蛋白之间存在一定的间隔，形成念球状结构。 由若干核蛋白体结合在一条mRNA上同时进行多肽链的翻译所形成的念球状结构称为多核蛋白体。,五、起动因子（IF） 这是一些与多肽链合成起动有关的蛋白因子。原核生物中存在3种起动因子，分别称为IF1-3。在真核生物中存在9种起动因子（eIF）。其作用主要是促进核蛋白体小亚基与起动tRNA及模板mRNA结合。,六、延长因子（EF） 原核生物中存在3

10、种延长因子（EFTU，EFTS，EFG），真核生物中存在2种（EF1，EF2）。其作用主要促使氨基酰tRNA进入核蛋白的受体，并可促进移位过程。,七、释放因子（RF） 原核生物中有4种，在真核生物中只有1种。其主要作用是识别终止密码，协助多肽链的释放。,八、氨基酰tRNA合成酶 该酶存在于胞液中，与特异氨基酸的活化以及氨基酰tRNA的合成有关。 每种氨基酰tRNA合成酶对相应氨基酸以及携带氨基酸的数种tRNA具有高度特异性，这是保证tRNA能够携带正确的氨基酸对号入座的必要条件。 目前认为，该酶对tRNA的识别，是因为在tRNA的氨基酸臂上存在特定的识别密码，即第二套遗传密码。,九、供能物质和

11、无机离子 多肽链合成时，需ATP、GTP作为供能物质，并需Mg2+、K+参与。 氨基酸活化时需消耗2分子高能磷酸键，肽键形成时又消耗2分子高能磷酸键，故缩合一分子氨基酸残基需消耗4分子高能磷酸键。,第二节 蛋白质的合成过程 一、蛋白质合成的一般过程 （一）、氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成 氨基酸的活化和氨酰tRNA的合成是蛋白质生物合成的第一步，由氨酰tRNA合成酶催化。 每一种氨酰tRNA合成酶既能识别自己的配体氨基酸，又能识别对应的tRNA。,1、 活化 氨酰tRNA合成酶首先识别并结合专一的配体氨基酸，然后氨基酸的羧基与细胞环境中的ATP发生反应形成一个酸酐型的高能复合物（氨酰AMP）

12、。该中间复合物暂时结合在酶上。,2、 连接 由于氨酰tRNA合成酶上还存在专一的tRNA识别位点，因此特定的游离tRNA就会识别并结合到氨酰AMP-酶复合物的活性部位，此时氨基酸就会被转移到tRNA的3端，其羧基与tRNA 3端的自由-OH形成氨酰酯键，从而形成氨酰tRNA，这也是一个高能化合物，其能量足以形成肽键。,由于氨酰tRNA能量低于氨酰AMP，所以这一过程是可以自发的。,氨基酸一旦与tRNA形成氨酰tRNA后，进一步的去向就由tRNA来决定了。 tRNA凭借自身的反密码子与mRNA上的密码子相识别，从而把所携带的氨基酸送到肽链的一定位置上。,（二）、 翻译起始 （1）小亚基与mRNA

13、结合 （2）起始氨酰tRNA进入P位点，它的反密码子与mRNA上的起始密码子AUG碱基配对。 （3）大亚基与小亚基结合形成起始复合物。,（三）、 延伸 mRNA： 5/ 3/， 新生肽： N/ C/ （1）入位：第二个氨酰tRNA通过密码子反密码子的配对作用进入核糖体的A位点（氨基位点）。 （2）转肽：在大亚基上肽酰转移酶的作用下，A位点氨基酸的A-氨基亲核攻击P位点氨基酸的羧基基团并形成肽键，结果两个氨基酸均连到了A位点的tRNA上，该过程称为转肽作用，此时，P位点上卸载的tRNA从核糖体上离开。 （3）移位（也可称转位）：核糖体沿着mRNA移动1个密码子位置，携带肽链的tRNA转位到P位点

14、，A位点空出以便接纳下一个氨基酸。,（四）、 终止 由于终止密码子不能结合任何氨酰tRNA，于是肽链合成的终止因子（又称释放因子）识别并结合到终止密码子上，接着肽酰转移酶的酯化酶功能转变成水解功能，将肽链从P位点tRNA上水解掉，核糖体释放掉mRNA并解体成大小亚基，翻译结束。 在翻译过程中除了核糖体大小亚基、 mRNA和氨酰tRNA外，还需要GTP和许多蛋白辅助因子。这些辅助因子有的起催化作用，有的起改变和稳定构象作用。,（五）、 翻译后加工 不论原核生物还是真核生物，翻译完成后，一些肽链能直接折叠成最终的活性形式，不需要加工修饰，然而经常的情况是新生肽链需要加工修饰（称为翻译后加工或修饰）

15、包括：（1）切除部分肽段（蛋白酶）、（2）在特定氨基酸残基的侧链上添加一些基团（共价修饰）、（3）插入辅因子，还有些单肽要聚合成多亚基蛋白。 翻译后加工有两方面目的： （1）功能需要 （2）定向转运的需要（这在真核生物中尤为复杂，合成的蛋白要定向运输到细胞质、质膜、各种细胞器如叶绿体、线粒体、溶酶体、过氧化物酶体等）。,尽管原核生物与真核生物在蛋白质合成方面有许多相似之处，但也存在差异，这些差异正是一些抗生素治疗和研究应用的基础。,表 蛋白质合成的选择性抗生素抑制剂,二、 原核生物的蛋白质合成 原核生物（大肠杆菌）每秒钟可翻译20个氨基酸，真核生物每分钟才大约50个氨基酸。 (一)、 翻译起始

16、 翻译是从形成起始复合物开始的，在原核生物中该过程需要三个起始因子参与：IF1，IF2，和IF3。（IF1的功能尚不清楚）。,（1）IF3首先结合在30S亚基上，防止它过早地与50S亚基结合。 （2）mRNA结合到30S亚基上。 （3）IF2 、fMet-tRNAfmet结合到30S亚基上 （4）50S大亚基结合到30S小亚基上，形成起始复合物。,(二)、 延伸 肽链延伸分三步进行： （1）新的氨酰tRNA进入核糖体的A位点； （2）肽键形成（转肽）； （3）核糖体移位。这三步构成了肽链延伸的一个循环。,1、 新氨酰tRNA入位 在进入A位点之前，新氨酰tRNA首先必须与延伸因子EFTUGTP结合。 延伸因子EFTU是一个GTP结合蛋白，参与氨酰RNA的就位。 氨酰RNA入位后，EFTUGTP水解，EFTUGDP从核糖体上释放下来，在第二个延伸因子EFTs帮助下EFTuGDP释放掉GDP并重新结合一分子GTP再生成EFTuGTP。,2、 肽键形成（转肽） 肽键是在肽酰转移