《蛋白质合成》ppt课件-2

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1、18 蛋白质合成,18.1 遗传密码是三联体密码 18.2 蛋白质合成需要tRNA分子 18.3 氨酰-tRNA合成酶催化氨基酸结合在tRNA分子上 18.4 核糖体是蛋白质合成的场所 18.5 tRNA是蛋白质合成中的分子适配器 18.6 氨基酸是通过特异的氨酰-tRNA合成酶的催化结 合在tRNA上的 18.7 多肽合成主要包括起始、延伸和终止三个过程 18.8 信号肽序列指导蛋白质定位 18.9 蛋白质的合成受到许多抗生素和毒素的抑制,核酸中的核苷酸残基序列是按照遗传密码确定蛋白质中氨基酸序列的，密码在几乎所有的生物中都是通用的。 遗传密码翻译成氨基酸序列是借助于一类称为tRNA进行的。

2、它将贮存在mRNA中的遗传信息与多肽的一级序列联系起来。 tRNA与mRNA的联系是通过碱基配对。mRNA上的序列称为密码子，而与密码配对的tRNA上的序列称为反密码子。 对于mRNA上的每一个密码，与该密码互补的tRNA就将携带一个相应于该密码的氨基酸到生长的肽链处。 遗传密码指的就是mRNA编码的指定序列。,翻译需要一个联系mRNA和蛋白质的 双功能适配器分子,在真核生物中，mRNA是在细胞核中合成的，而蛋白质合成发生在细胞质中，是通过细胞质中游离的核糖体，或是通过与内质网相连的核糖体合成的,在细菌中，转录和翻译是耦联在一起的。,细菌,真核生物,蛋白质是由20种氨基酸组成的，而DNA只是由

3、A，T，C和G四种核苷酸构成的，但核苷酸残基序列决定了氨基酸的顺序，这是一种密码（codons）的关系。 简单计算表明，如果1个密码就是一个核苷酸残基，则只能编码四种氨基酸；如果1个密码是由2个核苷酸残基构成的，也只能编码16种氨基酸（42）；如果以3个核苷酸残基作编码单元就可编码64种氨基酸（4364）。 后来三个不同的实验证明遗传密码是mRNA上3个连续的核苷酸残基构成的，所以密码称为三联体密码，下图给出了三个证明遗传密码是三联体密码的著名实验的示意图。,18.1 遗传密码是三联体密码,证明三联体密码的三个著名实验的示意图,（b）结合核糖体的研究,（a）核苷酸同聚物的翻译,（c）重复核苷酸

4、聚合物的翻译,第一个实验是1961年由美国的M. Nirenberg等人完成的。他首先利用多核苷酸磷酸化酶合成了一条由相同核苷酸组成的多核苷酸链，用它作模板，利用大肠杆菌蛋白提取液和GTP在体外合成蛋白质。 多聚（U）编码多聚 Phe； 多聚（A）编码多聚 Lys； 多聚（C）编码多聚 Pro。,第二个实验是1964年也是由美国的M. Nirenberg等人完成的。他们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,第三个实验是由Jone

5、s,Khorana等人完成的。他们利用有机化学和酶法制备了已知的核苷酸重复序列，以此多聚核苷酸作模板，在体外进行蛋白质合成，发现可生成三种重复的多肽链。 若从A翻译，则合成出多聚 Ile，即AUC对应 Ile；若从U翻译，则合成出多聚 Ser，即UCA对应 Ser；若从C翻译，则合成出多聚 His，即CAU对应 His。这是因为体外合成是无调控的合成，可以随机地从A、或U、或C翻译，所以有三种重复的多肽链生成。,通过Nirenberg和Khorana两位科学家的辛勤工作，于1966年全部密码都被破译。共有64个密码，其中61个密码是编码氨基酸的，其余3种是终止密码，两位科学家获得了诺贝尔奖。,

6、遗传密码表,第一位 5端,第三位 3端,第二位,遗传密码按5 3方向书写。术语密码通常指的是mRNA中的核苷酸三联体，也可应用于编码蛋白质的基因的DNA序列中的核苷酸三联体。例如TAC是用于编码Tyr 的DNA密码。 密码具有以下一些显著特点： 1. 大多数氨基酸都存在几个密码。例如 Ser 就有6个密码。因为大多数氨基酸都存在几个密码，所以遗传密码具有简并性。确定同一个氨基酸的不同密码被称为同义密码。密码的简并性可以减少碱基突变造成的有害效应。在标准遗传密码表中，只有一个密码子的氨基酸是Trp和Met。 2. 一个密码的头两个核苷酸残基足可以确定一个给定的氨基酸。例如编码 Gly 的密码有4

7、个，都开始于GG：GGU，GGC，GGA，和GGG。所以，即使3位的核苷酸残基突变，通常仍会导致同一个氨基酸整合到蛋白质中。,3. 具有类似序列的密码往往指定化学性质类似的氨基酸 例如苏氨酸密码与4个丝氨酸密码的差别只是处于5位的核苷酸不同；天冬氨酸和谷氨酸的密码都开始于GA只是3位的核苷酸不同。 4. 64个密码中有61个密码编码氨基酸，余下的3个密码（UAA，UGA，和UAG）为终止密码。 终止密码一般不能被任何tRNA分子识别，但能被特殊的蛋白质识别，引起新合成的肽链从翻译机器上脱落。蛋氨酸密码AUG也常常充当蛋白质合成的起始密码，所以常称AUG为起始密码。在蛋白质合成一章中将看到其它的

8、密码也可以充当起始密码。,如果按不重叠读码，在没有给定读码框时，可有三种读码方式。,如果按重叠读码（a），则变成了：,与非重叠读码比较,tRNA分子在蛋白质合成中充当的是遗传密码的翻译，是mRNA的核苷酸序列和多肽中氨基酸序列信息之间的桥梁。每一个细胞内至少含有20种tRNA（一种氨基酸对应一种tRNA），就是说每种tRNA应当能够至少识别一个mRNA密码，才能满足它作为适配器的作用。,18.2.1 所有的tRNA都具有类似的三维结构 不同来源的tRNA一级结构不同，但它们几乎具有类似于三叶草形的二级结构。最早确定的tRNA结构是丙氨酸-tRNA，是由Holley确定的。,18.2 蛋白质合成

9、需要tRNA分子,Ala-tRNA三叶草式的二级结构,结合氨基酸部位,反密码子,tRNA分子的5端和3端附近的碱基配对形成tRNA分子的一个臂，该臂称为氨基酸臂。一个成熟的tRNA分子的3端的核苷酸序列总是CCA（3），一个特异的氨基酸通过它的羧基与tRNA的核苷酸残基3端的2或3羟基形成的共价键连接在tRNA分子上。5端的核苷酸都是磷酸化的，大多数tRNA分子5端的核苷酸残基为鸟苷酸残基（pG）。 在氨基酸臂对面的单链环称为反密码环，该环含有由三个核苷酸残基组成的反密码子，反密码子与mRNA中的互补密码结合。含有反密码子的臂称为反密码臂。,tRNA分子的另外两个臂是根据臂中含有修饰的核苷酸而

10、命名的，含有胸腺嘧啶核苷酸（T）（在RNA中很少见到）、假尿嘧啶核苷酸（）和胞嘧啶核苷酸（C）残基的臂称之TC臂。 含有二氢尿嘧啶核苷酸残基的臂称为D臂，不同tRNA的D臂也稍有不同。 在反密码臂和TC臂之间，tRNA分子中还含有另一个可变臂（也称为额外环），可变臂大约由3到21个核苷酸组成。大多数tRNA中核苷酸残基数在73和95之间。,在三维空间，tRNA分子折叠成倒L型：氨基酸臂位于L型分子的一端，反密码环则处于相反的一端。 tRNA分子中的大多数核苷酸都处于两个成直角的、堆积的螺旋中。碱基之间堆积的相互作用对tRNA的稳定性具有重要的贡献。,tRNA的倒L型三级结构,18.2.2 “

11、摆动 ”容许某些 RNA 识别几个密码 密码和反密码之间碱基配对规则一般为A与U配对，G与C配对，并且配对区内的链是反平行的，但实际上存在某些变通性。Crick将这种变通性称之“ 摆动” 。因此反密码的5位有时也称为摆动位置。下表给出了反密码的5（摆动）位和mRNA的3位之间的碱基配对原则。,次黄嘌呤核苷酸（I）常常出现在tRNA的5（摆动）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,一个特定的氨基酸经酶催化可以连接到相应的tRNA分子的3端上，该酶称为氨酰-tRNA合成酶，产物称为氨酰-tRNA

12、。氨基酸与tRNA之间形成的键是高能键，称为氨酰-tRNA键。常用tRNAAA表示可结合某种氨基酸的tRNA种类，Ala-tRNAAla表示携带了丙氨酸的tRNAAla。 由于整合到蛋白质中的氨基酸有20种，从理论上讲，在每一个细胞中至少应当存在着20种氨酰tRNA合成酶。然而也不会多于20种，因为一种氨酰tRNA合成酶能够识别几个同工tRNA分子。例如虽然存在着6个编码Ser的密码和几个同工tRNA Ser分子，但这些tRNA Ser都可被单一的丝氨酰-tRNA合成酶所识别。蛋白质合成的精确度依赖于氨酰-tRNA合成酶催化正确的氨基酸连接到相应的tRNA分子上。,18.3 氨酰-tRNA合成

13、酶催化氨基酸结合在tRNA分子上,氨酰-tRNA合成酶催化tRNA的氨酰化是通过两步反应完成的。氨基酸被氨酰-tRNA合成酶激活在原理上类似于脂肪酸的激活，总反应为： 氨基酸tRNA ATP = 氨酰-tRNAAMPPPi,蛋白质合成是在 mRNA 模板指导下进行的，合成过程分为肽链起始、延伸和终止阶段。蛋白质的合成是通过一个复杂的复合体完成的。这个复合体是由核糖体和附属的蛋白质因子以及mRNA和负载的tRNA分子组成的，常将该复合体称之翻译复合体。 蛋白质合成发生在核糖体中，核糖体是由一个大亚基和一个小亚基组成的。E.coli中的小亚基是30S亚基；而大亚基是50S亚基。在蛋白质合成期间，两

14、个亚基结合形成一个70S核糖体。核糖体含有三个部位：A（aminoacyl：氨酰）位、 P（peptidyl：肽酰）位 和E（exit：退出）位。,18.4 核糖体是蛋白质合成的场所,E.Coli.核糖体组成示意图,核糖体中结合两个tRNA的部位,18.5.1 起始复合体只可在起始密码处组装 翻译的第一个密码一般都是AUG。由于AUG也是蛋氨酸的密码，因此翻译机器需要区别起始和内部蛋氨酸的密码。 在原核生物中，起始密码的选择不仅取决于tRNA的反密码子和mRNA密码子的相互作用，也取决于核糖体的小亚基与mRNA模板的相互作用。 30S亚基是在紧靠起始密码的上游的一个富含嘌呤碱基的区域与mRNA

15、结合。这个被称之SD的区域与16S rRNA的3端的一个富含嘧啶片段互补。在形成起始复合体时，互补的核苷酸对形成一个双链结构，使得mRNA结合到核糖体上。mRNA与16S rRNA的这一非翻译片段之间的配对将起始密码定位在P部位，确立了正确的阅读框架。,18.5 翻译开始于一个起始复合体的形成,E.coli mRNA中的SD序列,18.5.2 起始需要一个特殊的tRNA分子,在每个细胞内至少存在着两个不同的识别AUG密码的蛋氨酰-tRNAMet分子，一个只在起始密码处用，称之起始tRNA，另一个只识别内部的蛋氨酸密码。 在细菌中结合了蛋氨酸的起始tRNA称蛋氨酰-tRNAfMet，它是一个甲酰

16、基转移酶的底物，该酶将来自N10-甲酰四氢叶酸的甲酰基连接到蛋氨酰-tRNAfMet中的蛋氨酰的氨基上，生成N-甲酰蛋氨酰-tRNAfMet（fMet-tRNAfMet）。,fMet-tRNAfMet的结构,18.5.3 起始复合体的形成涉及三个步骤,（1）IF1结合在30S核糖体亚基上。 （2）结合了GTP的IF-2-GTP复合体可以特异识别起始tRNA。 （3）一旦形成前起始复合体，50S 亚基就与30S 亚基结合，最后形成由30S与 50S组成的起始复合体，fMet-tRNAfMet被定位在P位。,（1）将正确的氨酰-tRNA定位在A位； （2）形成肽键； （3）使mRNA相对于核糖体移动一个密码（移位）。 （4）释放卸载的tRNA。,18.6 肽链延伸涉及三个反应的循环,通过氨酰基转移反应形成肽键,mRNA移位使一个终止密码（UAA、UAG或UGA）处于A位，氨酰-tRNA通常不能结合到核糖体上。 在E.Coli中，RF1、RF2和RF3三个释放因子能够识别终止密码。释放因